张 伟， 孙伯娜

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

在地铁建设过程中，监测工作作为保障地铁建设安全的主要措施，形式多种多样，主要表现形式有施工监测、第三方监测、运营期监测等。根据监测内容还可分为地面沉降监测、隧道收敛监测、水平位移监测、钢支撑轴力监测、地下水位监测、测斜监测等、其中，钢支撑轴力监测作为其中一项监测内容，在全国尚未形成系统的研究，但在一些特定工况下，尤其是在PBA工法中，采用钢管柱作为竖向支撑时，钢管柱支撑着暗挖车站上方的所有荷载，它的变形大小直接关系到了车站的施工安全，急需一套严密的监测体系给予指导。目前，全国从未单独就钢管柱监测完成过一项专项监测研究，仅北京地铁在建设过程中，通过常年的积累和摸索，创造性地提出了对钢管柱进行专项监测，并单独组成项目组进行管理，该项目于2020年已开始实施。本文以北京地铁(2号线某些车站)项目为研究对象，探讨了钢管柱安全监测的全过程，并分析了各阶段的轴力变化情况，为此后类似项目的开展提供一个参考。

1 地铁暗挖车站的特点

地铁暗挖车站作为一个封闭的空间，有以下特点：

(1)环境封闭，空气潮湿，灰尘大，可视性差。暗挖法车站仅通过竖井与地面相连，施工产生的灰尘，得不到及时的排出，再加上地下水汽也得不到很好交换，形成了一个潮湿、阴暗的半封闭空间。

(2)监测工作开展难，精度差。车站内部的监测工作需通过竖井从外部传递，且施工初期作业面窄、限制大，再加上内部观测环境的恶劣情况，导致监测精度差，工作开展难。尤其是沉降监测工作，精度无法得到保障。

2 监测内容

为保证车站建设期间的安全，需采取全方位的监测措施，理论上包含了许多监测项，如钢管柱倾斜监测、钢管柱水平位移监测、钢管柱沉降监测，以及本文主要阐述的钢管柱轴力监测、地面沉降监测等。根据多年的工程经验，影响车站安全且精度能得到保证的监测项主要为钢管柱轴力监测和地面沉降监测两项，以下将就这两项监测内容展开讨论。

3 监测方法

3.1 钢管柱轴力监测

钢管柱轴力监测作为浅埋暗挖车站中最重要的一项监测内容，直接反映了钢管柱轴向受力情况，是车站是否处于安全范围最主要的体现。需选取具有受力和结构变化位置的断面，于断面处每一根钢管柱的圆截面四个方向分别安装一个表面应变计，通过计算四个方向轴力变化的平均值作为该圆截面的最终变化值。通过各期轴力变化情况，结合钢管柱的设计最大值，建立报警机制，确保钢管柱的安全。

3.2 地面沉降监测

在钢管柱监测断面正上方，设置一个沉降监测断面，通过布设在地面稳定区域的基准点，采用水准测量的方式，将基准点高程传递到各地面监测点上，通过各期监测点的高程值作差，计算地面沉降变化值。

4 监测点位布设

4.1 钢管柱表面应变计布设

结合车站周边环境及结构形式，按钢管柱受力最不利的位置和车站结构变化等因素选取监测断面。钢管柱监测断面的选取遵循以下原则：

(1) 沿车站纵向宜均匀布置，纵向间距约50 m；

(2) 优先布置在侧墙开洞范围大、非车站结构标准段、钢管柱两侧中板开洞处；且在车站标准段应至少设置一断面。

按照设计和实际需求，根据车站的层数，在每根钢管柱上布设5～7组表面应变计，每组监测点由分布在钢管柱圆截面4个均分方向的应变计组成。注意要点：仪器布设前，要对钢管柱表面进行打磨光滑，防止应变计安装不紧密导致后期数据失真；应变计安装完成后，必须加装保护装置，保证建设全过程数据的连续性。安装布设如图1～图3所示。

图1 双层三跨结构钢管柱钢管应力测点布置示意图

图2 三层三跨结构钢管柱钢管应力测点布置示意图

图3 双层双跨结构钢管柱钢管应力测点布置示意图

4.2 地面沉降监测

地面沉降监测点布设在钢管柱监测断面正上方的地面上，可每隔5 m埋设1个监测点，监测点使用钢筋挖孔的方式，直接埋入地下的土层中，不得埋在混凝土地面上，埋设深度不低于1 m，监测点须低于地面，且在监测点开孔位置安装保护盖，监测时再打开保护盖，如图4所示。

图4 地面监测点埋设示意图

5 工程实例

本文以北京地铁12号线昌平线南延某些车站的监测为例。本工程是全国首例专门针对钢管柱进行专项监测研究的项目，力求研究分析钢管柱在施工全周期内受力的变化情况，并结合其他监测方式进行综合分析，最终评估车站的安全状态。

5.1 监测内容

监测内容主要为钢管柱的轴力监测和地面沉降监测。本项目还对钢管柱的水平位移进行了监测，监测结果发现水平位移在钢管柱和地面沉降变化时未发生变化，后续将不再对此进行讨论。

5.2 监测频率

顶纵梁施工期：2次/周。初期支护扣拱及二衬扣拱期：1次/天。负一层、负二层土体开挖期：1次/天。施作侧墙、中板、底板时：2次/周。主体结构完成至钢管柱装修开始：第一年1次/月。

5.3 钢管柱监测控制值与预报警机制

经过召开专家会讨论，对钢管柱监测成果按照黄色、橙色和红色三级预警进行管理和控制，三级警戒状态判定见表1。

表1 三级警戒状态判定表

5.4 钢管柱轴力数据分析

本项目开展前，部分车站已经先于监测工作开展施工，为更好地反映车站在全过程中的安全情况，本文结合了各车站不同阶段的施工进度，较全面地描述了钢管柱施工监测全过程的数据变化情况。钢管柱各阶段轴力变化情况如图5～图7所示。以下三个数据变化曲线图反映了从钢管柱开始安装至底板浇筑完成过程中，钢管柱轴力的变化情况，从曲线图中反映出钢管柱轴力变化有如下几个特点。第一，发生变化的节点分别为顶纵梁施工、初支破除，二衬扣拱、土方开挖(包含中板开挖和浇筑、侧墙施工、底板开挖和浇筑等)几个重要的施工变化节点。第二，轴力增加较大的阶段主要为顶纵梁施工时新增荷载、初支破除时(上部荷载向钢管柱转移)、二衬扣拱时(新增荷载)，这三个阶段的轴力变化较快，但考虑到钢管柱的总设计轴力较大，虽然此阶段钢管柱受力快速增加，但安全状态总体可控。第三，在土方开挖阶段，随着土方的开挖，车站土方的出运，可能造成底部基础产生反弹，在顶部荷载和结构稳定的情况下，可造成钢管柱轴力的渐进增加。第四，随着底板浇筑的完成，后期钢管柱轴力变化趋于稳定，安全风险得到有效控制。第五，同一断面的钢管柱，同一钢管柱不同的监测断面的监测值变化有所差异，但变化的趋势保持一致。

图5 某车站35轴平均轴力变化曲线图(钢管柱安装-二衬扣拱完成)

图6 某车站31轴平均轴力变化曲线图(二衬扣拱-中板开挖完成)

图7 某车站50轴平均轴力变化曲线图(中板开挖-底板浇筑完成)

通过统计分析，所有车站钢管柱轴力变化均在控制值范围内。但随着施工的开展，部分车站也可能出现报警情况。

5.5 地面沉降情况

通过对不同车站各施工阶段沉降变化情况的分析，地面随着施工的开展逐渐下沉，下沉量表现并不一致，但下沉趋势与钢管柱轴力变化趋势一致，说明两种监测方法的效果均有效。考虑到钢管柱的设计轴力是车站施工安全最重要的保障，较易设置安全控制值，在进行安全评估时将以钢管柱的受力作为主要考虑因素，将地面沉降作为一个辅助评估因素，但当地面沉降突变或沉降较大时，要结合钢管柱的受力变化情况进行综合分析，避免发生安全事故。

6 结束语

随着城市的发展，交通越来越拥挤，为同时保证交通顺畅和地铁建设，越来越多的车站采用暗挖法施工，本文讨论研究的监测方法也将会得到越来越多的使用。在北京地铁项目实施过程中，也邀请了业内诸多专家参与了研讨，一致认为项目之初计划纳入监测范围的钢管柱弯矩和剪力，在实际工程中不适用，并给予了否定。