盾构隧洞施工安全监测及Peck公式安全评估

盾构隧洞施工安全监测及Peck公式安全评估

李宗  郭小江

广东华隧建设集团股份有限公司

摘要：在盾构法隧道施工中，会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移，因此通过施工阶段的安全监测，掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律，及时采取必要的技术措施改进施工工艺，对于控制周围地层位移量，确保邻近建筑物的安全是非常必要的。本论文旨在探讨盾构隧洞施工过程中的安全监测方法以及如何利用Peck公式对盾构地表沉降进行安全评估。通过全面的监测和综合评估，可以提高盾构隧洞工程施工的安全性。

关键字：盾构隧洞、安全监测、Peck公式、安全评估、数据分析。

引言：

本文将探讨盾构隧洞施工中的安全监测与安全评估，通过利用先进的测量仪器、监测技术和数据分析方法，我们可以更好地理解和掌握隧道结构的变形情况，及时发现问题并采取措施，以确保工程的安全和可持续性。盾构隧道监测的对象主要为土体介质、隧道结构和周围环境，监测的部位包括地表、土体内、盾构隧道结构、以及周围道路、河道、建（构）筑物等，监测类型主要是地表和土体深层的沉降和水平位移、地层水土压力和水位变化、周边建筑物及其基础等的沉降和水平位移、盾构隧道结构内力、外力和变形等。

1. 盾构隧洞施工中的监测内容与监测技术选择

盾构隧道施工监测内容具体为地面沉降监测；隧道结构变形监测；隧道水平收敛位移监测；建筑物倾斜、沉降、裂缝监测；地下管线监测。

地面沉降监测一般使用测量仪器徕卡SL15电子水准仪＋铟钢尺，观测方法采用二级沉降水准测量方法，地面沉降监测点需布置纵向（沿轴线）剖面监测点和横向剖面监测点，按设计要求如下：1.纵向沿隧道轴线上方地表设置，由始发井开始，始发和到达井100m范围内测点间距10m，其他范围每20m设1个测点；2.横向断面布置在距始发井、到达井50m～100m，其余位置间隔约100～150m。每个横断面布置7～11个测点，依据近密远疏的原则布置。3.道路和地表沉降点应结合地下管线沉降测点布设。

隧道结构竖向位移变形监测一般使用测量仪器徕卡SL15电子水准仪＋铟钢尺。主要包括隧道隆起和拱顶下沉两方面隧道沉降监测项目。隧道沉降由衬砌环的沉降反映出来，衬砌环的沉降监测是通过在各衬砌环上设置沉降点，自衬砌脱出盾尾后测其沉降，隧道的沉降情况反映盾尾注浆的效果和隧道地基处理效果。隧道的沉降相当于增加地基损失，也必然加大地面沉降。

衬砌环（管片）的沉降采用水准测量方法在管片脱出盾构机后测量，每次测量需回测后三环管片。监测点布设在管片底部。拱顶下沉监测点每50m设一断面，临近重要建构筑物结合其测点布置适当加密监测断面或测点。

隧道结构水平位移变形监测一般使用测量仪器徕卡TS60全站仪或者收敛计。在盾构推进起每隔50米布设一个断面，临近重要建构筑物结合其测点适当加密监测断面或测点，用来量测隧道水平收敛位移。

2. 盾构隧洞工程监测数据分析与安全评估方法

根据实测变形值整编的表格和图形，可以显示变形的趋势、规律和幅度。在经过一段时间的监测，初步掌握变形规律后，可以绘制观测点的变形范围图。利用长期观测掌握的盾构隧洞结构、盾构端头地表及周边建（构）筑物监测数据资料来判断施工过程是否存在过大的安全风险，对周边影响范围的大小，确认下一步影响安全的各种因素，进而确定下部监测中重点，常用的数据处理软件包括PYTHON、MATLAB、Excel。

获取监测数据后，根据散点图的数据分布状况，以及对数据进行处理和整理并结合现场环境，对异常数据发生的原因进行相关性分析：以纵坐标表示测值，以横坐标表示环境量因素，所绘制的散点加回归线的图成为测值与环境因素的相关图。在相关图上把各次测值依次用箭头相连并在点据旁注上观测时间，此为过程相关图。在过程相关图上可以看出测值的变化过程，环境因素变化影响以及测值滞后于环境因素的变化程度等。当影响明显时，还可以绘出该因素等值线，这就是复相关图，表达了两种环境因素与测值的关系。

通过相关性分析，能分析环境量与监测物理量、以及监测物理量之间的相关性，得到相关系数，支持批量计算与结果导出功能。

两个变量之间的相关系数定义为两个变量之间的协方差和标准差的商：

亦可由样本点的标准分数均值估计，得到与上式等价的表达式：其中、、分别是对样本的标准分数、样本平均值和样本标准差。

Peck公式在许多盾构法工程中对端头地表沉降预测往往是最简便的，也是研究最广泛的方法。Peck公式假定盾构施工引起的地表沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽的体积应该等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上呈均匀分布，地面沉降的横向分布类似正态分布曲线。Peck公式及浅埋隧道工程影响分区如下：

通过一组盾构区间地表GS7+060断面沉降监测数据曲线图，我们可以更好地理解变形数据分析与Peck公式的应用，如图所示：

盾构区间GS7+060断面轴线测点最大累计沉降量为-5.67mm，各监测点累计沉降量较小，均未超出控制值

30mm。监测结果表明，沉降向轴线两侧依次递减，满足Peck公式计算的沉降分布规律。

3. 盾构隧洞工程监测质量的保证措施

盾构线路周边工作基点、起测基点需与设计单位控制网点进行联测；工作基点按照GNSSD级静态测量要求进行观测，起测基点按照三等水准测量要求采用附和水准路线进行观测，测量精度与设计单位精度相同。

管片结构净空收敛采用极坐标法进行监测，监测仪器采用全站仪。沉降按照三等水准测量要求进行监测，首期沉降观测采用往返测，其他各期沉降观测采用单程观测，监测仪器采用数字水准仪。为确保监测成果的及时可靠性，可从仪器设备、监测方法和加强管理三个方面入手，确保成果的质量。

1.仪器设备方面：用于测量的仪器设备均经省级以上计量局技术监督局授权单位检定合格方可用于监测；监测过程中采用同一观测设备和同一观测方法；在每次观测前对所用的仪器必须按照相关规定进行校验。

2.监测方法方面：初值观测是各周期观测的起始值，可采取适当增加测回数的方法获得更准确可靠的初始值。在每次观测前，必须对使用的基点或工作基点进行稳定性检验。监测过程中采用相同的观测路线和测站数。

3.派有经验的监测工程师进行监测施工，并定期向上级报送监测结果。当发现超过预警监测值时，及时报告上级单位。固定观测人员，观测过程中做好原始记录。监测成果严格进行计算、复核、审核制，确保观测成果的可靠性。

结语：

盾构隧洞工程结构安全性是建设者永恒的追求，监测技术使我们能够更好地了解隧道结构的变化；用Peck公式来评估盾构隧道引起的横断面地面沉降槽是适宜的，监测结果的合理性与其参数的取值密切相关，只要根据实际工程的地质情况，并结合类似测量数据，合理的选取公式参数方能得到比较满意的结果。

参考文献：

[1]王建国,杨文.盾构隧洞安全监测技术综述[J].土木工程,2020,46(3):58-63.