盾构隧道监测控制指标研究现状与展望

吴锋波，郑卫强

河北地质大学 城市地质与工程学院，河北 石家庄 050031

0 引 言

我国正处于改革开放的关键时期，全国各大城市为缓解地面交通拥堵，开展了大规模的地铁建设，北京、上海、广州等城市的地铁已经进入网络化运营时代。同时，城市管廊等地下工程建设也广泛开展。盾构法具有施工机械化程度高、对周围地层扰动较小等特点，是地铁区间隧道等城市地下工程建设主要采用的施工方法。

地铁等城市盾构隧道施工难免对周围岩土体产生扰动并引起其应力变化，延伸作用于周边建筑、地下管线等环境对象时，可对周边环境造成影响，施工过程中需要注意对周围岩土体和周边环境对象的监控和保护。同时，盾构隧道建成之后，为保证地铁列车等的正常运营和使用，需要对隧道管片结构开展运营期间的长期监测，防止周围地层变化或外部施工对运营隧道造成过量影响，进而导致其使用功能或安全功能的损伤。

工程监测是保障盾构隧道施工阶段和运营阶段安全的重要技术手段，其控制指标的确定是该项工作的重点和难点问题。科学合理地控制指标数值可以给出明确的“警戒线”，为盾构隧道安全隐患的及早发现和处置提供有效的指导和帮助[1]。相关研究已经取得了一定的成果，本文根据目前我国盾构隧道施工特点和工程监测现状，对其控制指标的体系组成进行梳理，并提出了研究建议，以积极促进盾构隧道监测控制指标研究的深入开展。

1 盾构隧道施工前控制指标

1.1 管片结构变形计算控制要求

盾构管片是预制装配式衬砌，按材料可分为钢筋混凝土、钢、铸铁、钢纤维管片以及由几种材料组合而成的复合管片。盾构隧道一般采用钢筋混凝土管片[2]。

国内技术规范给出了盾构隧道管片结构变形计算的相关控制要求，上海市[3～5]、天津市[6]、浙江省[7]等的地方标准规定盾构法隧道衬砌结构变形计算限值为：直径变形为2‰～3‰D（D为隧道外径），接缝变形的最大张开为2～4 mm，最大错位为4～6 mm。

管片开裂方面，上海市[3]规定结构构件按作用效应标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度应小于等于0.2 mm。

1.2 管片制作的质量要求

盾构管片在加工生产过程中，依托于钢筋、混凝土、模具、蒸汽设备、吊运设备等机器设备，对盾构钢筋混凝土施行管片加工制作。管片的制作质量主要是对其生产的钢模精度的控制，杨晓虎[8]认为管片制作质量必须从管片模具精度入手，主要考虑宽度、弦长等共计5个方面的指标。

盾构管片成品质量方面，国家标准《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082-2017）[9]要求管片不允许存在贯穿裂缝、内外表面露筋、孔洞，管片表面出现缺棱掉角、混凝土剥落以及宽度0.1～0.2 mm非贯穿性裂缝时应进行修补。

1.3 管片水平拼装试验要求

管片水平拼装将两环或三环管片沿铅直方向叠加拼装，通过测量管片内径、外径、环与环、块与块之间的拼接缝隙，从而评价管片的尺寸精度和形位偏差[10]。管片水平拼装主要检查管片尺寸是否可以拼装成型并符合相关要求，其能很好地模拟盾构管片拼装后的真实状态，检验管片尺寸精度和形位偏差[11]。

文献[9]规定水平拼装尺寸偏差：环、纵向缝间隙≤2 mm，成环后内径偏差为5～10 mm。《盾构法隧道施工及验收规范》（GB 50446-2017）[12]和安徽省地方标准[13]规定钢筋混凝土管片水平拼装检验允许偏差：环间缝、纵向缝间隙为2 mm，成环后内径为±2 mm，成环后外径为+6 mm、-2 mm。

工程监测应该关注盾构隧道管片的设计计算、制作质量、水平拼装试验等施工前控制要求，为盾构隧道施工过程中及运营阶段的安全性评价提供基础性资料。

2 盾构隧道施工过程控制指标

2.1 管片拼装质量控制指标

盾构隧道施工过程中，管片脱出盾尾时其周围岩土体并不稳定。管片拼装质量关系到隧道贯通时的结构安全与后期运营阶段的安全。因此，管片拼装质量相关控制标准的研究就显得十分重要。

李宇杰等[14]研究表明盾构管片错台会引起局部管片内力增大以及破损。袁梦钊等[15]研究发现采用滑入式环向连接件的新型管片初始变形更小，成圆质量更好。戴刚[16]认为盾构施工时管片拼装问题主要分为管片破损、脱落和裂缝3个方面，其中管片上浮是造成管片拼装质量差的主要原因。

江帅等[17]研究了新型装配式衬砌技术及其配套施工设备的应用，其可保证隧道施工质量。常喜军[18]认为应从管片选型、推进速度、盾尾间隙、推进系统各组油缸压力差值和行程差、拼装量等方面分析管片错台破损的原因。

盾构管片拼装质量控制指标主要包括直径椭圆度、错台、裂缝等。铁路和高速铁路盾构法隧道施工、质量验收相关标准要求[19～22]管片拼装过程中应对隧道轴线和高程进行控制，管片拼装允许偏差：衬砌环直径椭圆度为±5‰～6‰D，相邻同环管片间的径向错台为5～6 mm，相邻环片同环管片间环向错台为6～7 mm。

文献[12]要求地铁、公路、铁路等盾构隧道施工中管片拼装允许偏差：衬砌环椭圆度为5‰～8‰；衬砌环内错台为5～8 mm；衬砌环间错台为6～9 mm。

北京地铁盾构隧道要求[23]管片无内外贯穿裂缝，无大于0.2 mm的推顶裂缝及混凝土剥落现象。管片拼装允许偏差：衬砌椭变直径为±5‰D，相邻管片的径向、环向错台为10 mm。

上海地铁盾构隧道施工要求[24]管片应无贯穿裂缝，无大于0.2 mm宽度的顶裂裂缝，管片拼装成环质量允许偏差：衬砌环直径椭圆度为5‰D。

天津地铁盾构隧道施工要求[25]管片拼装成环允许偏差值：每环相邻管片径向错台为5 mm，纵向相邻环管片环向错台为6 mm。

2.2 施工阶段监测控制指标

盾构开挖过程中会对开挖面及盾构机周围岩土体产生扰动作用，岩土体作为中间媒介，可将施工影响进一步传递到工程周边建（构）筑物、地下管线、桥梁等环境对象上，造成其变形变化。工程周边环境对象的控制指标与其基础、结构等自身特性相关，有各自的控制标准，工程施工必修保证周边环境对象的安全。本文重点关注盾构隧道自身和周围岩土体的控制指标。

盾构法隧道管片结构和周围岩土体监测项目控制指标主要包括管片结构沉降、差异沉降、净空收敛和地表沉降、隆起等的累计变化值和变化速率值。工程周边存在建（构）筑物、地下管线等环境对象时，以环境对象的变形控制要求为准进行地表变形的控制。各项监测项目的控制指标应满足工程安全保护和质量控制等相关要求。

1）管片结构沉降、差异沉降

国家标准《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911-2013）[26]规定坚硬—中硬土地区的管片结构沉降累计变化值为10～20 mm，变化速率值为2 mm/d；中软—软弱土地区的累计变化值为20～30 mm，变化速率值为3 mm/d。吉林[27]、河北[28]、河南[29]、江苏[30]、福建[31]等地的地铁标准以及北京市第三方监测要求[32]与该规定基本相同。

北京市[33]、深圳市[34]地铁监测标准规定管片结构沉降累计变化值为20 mm，变化速率值为1～3 mm/d。

上海市地铁监测标准[35]规定管片结构沉降累计变化值为10 mm，变化速率值为3 mm/d。

陕西省地铁监测标准[36]分高压缩性土和中低压缩性土给出了管片结构沉降累计变化值为10～20 mm，变化速率值为2 mm/d。管片结构隆起累计变化值为10 mm，变化速率值为1 mm/d。

文献[26]规定管片结构差异沉降累计变化值为为0.04% Ls（Ls为沿隧道轴向两监测点间距），变化速率值为3 mm/d。各地管片结构差异沉降的控制值与该标准基本相同。

2）管片结构净空收敛

文献[26]规定管片结构净空收敛累计变化值为0.2%D，变化速率值为3 mm/d。上海市[35]规定累计变化值为3‰D，陕西省[36]规定累计变化值为10 mm，江苏省[30]规定累计变化值为0.5%D，变化速率值均为3 mm/d。

3）地表沉降、隆起

文献[26]规定坚硬—中硬土地区的地表沉降累计变化值为10～40 mm，变化速率值为3～4 mm/d；中软～软弱土地区的累计变化值为15～45 mm，变化速率值为3～5 mm/d。地表隆起的累计变化值为10 mm，变化速率值为3 mm/d。北京[33]、吉林[27]、河北[28]、河南[29]、陕西[36]、江苏[30]、福建[31]等地的相关数值规定与以上内容基本相同。

上海市[24]、[35]地表变形以允许地层损失率为标准，规定其控制值为1‰～10‰，变化速率值为3～5 mm/d。王如路等[37]将盾构法隧道施工程环境安全等级按工程环境条件分为四级，对应提出了盾构施工允许的地层损失率及对应的地面沉降允许值。

盾构法隧道施工阶段的地表变形监测数据的数理统计分析是研究确定其控制值的重要研究方法。吴锋波等[38、39]通过大量实测案例的统计分析，研究了地铁盾构法隧道工程周边地表最大变形的分布特点，给出了地表竖向位移控制值的建议数值。李东明[40]根据厦门风化花岗岩地层区域的实测数据统计分析，提出了地铁盾构隧道地表变形的控制建议值。

2.3 盾构隧道贯通后质量控制指标

盾构隧道管片结构既是施工过程中的支护结构，也是工程建设完成后的隧道主体结构，盾构隧道管片结构变形与施工完成后的工程质量密切相关。相关技术标准对盾构隧道贯通后的直径椭圆度、接缝张开量、管片裂缝等提出了质量要求。

铁路和高速铁路盾构隧道标准[20～22]规定成型隧道允许偏差值：衬砌环直径椭圆度为±6‰D，衬砌环内错台为12 mm，衬砌环间错台为17 mm。

《地下铁道工程施工质量验收标准》（GB/ T 50299-2018）[41]规定衬砌环椭圆度为±6‰，衬砌环内错台为10 mm，衬砌环间错台为15 mm。

盾构法隧道验收规范[12]规定地铁、公路、铁路等成型隧道验收标准：衬砌环椭圆度为±6‰～10‰，衬砌环内错台为12～15 mm；衬砌环间错台为15～20 mm。

北京市地铁盾构隧道质量验收标准[23]规定衬砌椭变直径为±5‰D。上海市道路隧道[4]要求隧道贯通后，衬砌环直径允差≤5‰D，衬砌环、纵缝张开量≤4 mm，相邻衬砌环间高差≤6 mm。

天津市地铁盾构隧道[6]、[25]要求建成后每环衬砌环片平整度小于4 mm，相邻环衬砌环环面平整度小于5 mm，衬砌环直径椭圆度小于6‰。成型隧道管片表面出现缺棱掉角、混凝土剥落、大于0.2 mm宽的裂缝或贯穿性裂缝等缺陷时，必须进行修补。

3 地铁盾构隧道运营监测控制指标

地铁盾构隧道运营阶段的安全状态影响因素十分复杂，地质条件、运营中列车交通荷载、隧道上方的地面超载、隧道周边邻近区域的施工及隧道穿越施工等均会对管片结构带来一定的影响，管片渗漏的影响也不能忽视[42-44]。

地铁盾构隧道运营期应开展长期监测工作，尤其在有邻近施工或穿越工程施工时，应重点对新建工程影响范围内的盾构管片结构、轨道结构等开展变形监测工作。盾构管片结构变形控制指标应符合相关结构安全保护、养护等标准的要求，轨道结构的变形应符合相关工务维修、养护标准的要求。

3.1 地铁盾构隧道长期监测控制指标

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）[45]、《城市软土基坑与隧道工程对邻近建（构）筑物影响评价与控制技术指南》（CCES 03-2016）[46]以及上海市[47]、江苏省[30]等规定地铁运营期结构稳定性监测控制指标为：隧道水平位移、竖向位移、径向收敛＜20 mm，变形曲率半径＞15 000 m，变形相对曲率＜1/2 500，盾构管片接缝张开量＜2 mm，道床脱空量≤5 mm，结构裂缝宽度：迎水面＜0.2 mm，背水面＜0.3 mm。广东省[48]规定隧道水平位移、竖向位移、径向收敛均为15 mm，振动速度≤2.0 cm/s。

《城市轨道交通隧道结构养护技术标准》（CJJ/T 289-2018）[49]将盾构隧道健康度分为5级，对应给出不同的养护措施。列出了盾构管片的破损、材料劣化、剥落剥离、渗漏水、锈蚀、接缝、变形缝、螺栓孔、注浆孔等的分级评定标准，可供参考。

北京市[50]、吉林省[51]等地铁设施养护维修标准给出了线路与轨道经常保养、综合维修等情况下的轨道静态几何尺寸容许偏差管理值。

上海市标准[52]给出了盾构隧道结构构件及连接的服务状态等级及其评价标准。江苏省标准[53]按隧道结构劣化程度进行等级评定，并给出了相关分级标准。浙江省标准[54]根据轨道交通结构安全状况，将其变形和结构损伤分为四类，并给出了相关分类标准。

相关技术标准中给出的地铁盾构隧道稳定性控制指标数值或需开展养护维修时的指标数值，均可作为地铁运营阶段长期监测的预警报警标准。发现数值超过相应标准时，应及时开展预警报警工作，保障地铁运营安全。

上海市地铁盾构隧道长期变形结果表明，受城市软土地层影响，隧道结构整体出现了较大的沉降，但隧道结构并未出现较大的损害[37]。因此，其长期监测应重点关注管片结构的差异沉降、变形曲率、净空收敛等方面的控制指标。

魏纲等[55]对运营阶段地铁盾构隧道的安全评价指标进行了分类和现状论述。

3.2 新建工程影响下的监测控制指标

地铁盾构隧道运营期间，周边区域有邻近工程施工或新建隧道穿越既有线施工时，外部工程施工对地层的扰动影响可传递到运营隧道周围的岩土体，造成管片结构的变形变化，进而影响轨道结构和行车安全。需全程监控新建工程施工造成的既有管片结构变形变化情况，根据相关控制指标，开展监测预警预报工作。

文献[26]规定城市轨道交通既有线监测项目控制值应进行必要的结构检测、计算分析和安全性评估后确定，并满足线路维修的要求。隧道结构沉降控制值为3～10 mm，隧道结构上浮控制值为5 mm，隧道差异沉降控制值为0.04% Ls，变化速率为1 mm/d。吉林[27]、河北[28]、河南[29]、陕西[36]、福建[31]等地的相关数值规定与以上内容基本相同。

此外，北京市[56]规定既有线路路基面的警戒值为纵向不均匀沉降6.4 mm，横向不均匀沉降2.4 mm。上海市[5]、[24]、[35]、[57]规定隧道结构的沉降、水平位移、收敛限值为5 mm，穿越范围内宜将地层损失率控制在3‰～5‰。

河北省[28]规定盾构管片接缝张开量限值为1～2 mm。河南省[29]和江苏省[30]规定隧道变形曲率半径＞15 000 m，隧道变形相对曲率＜1/2 500。陕西省[36]规定地裂缝地段隧道特殊变形缝监测控制值为30 mm。

4 结论与建议

（1）工程监测具有重要的安全保障作用，需贯穿盾构隧道的施工、运营等各个阶段，监测控制指标的设置也应覆盖盾构隧道的全生命周期，以保证其施工的安全顺利开展和运营的安全有效进行。

（2）工程监测应关注盾构隧道施工前的管片结构变形计算、管片制作质量、水平拼装试验结果等控制要求，为盾构隧道施工及运营期的安全性评价提供基础性资料。

（3）盾构隧道施工过程中，需对管片拼装质量进行控制。施工阶段监测控制指标主要包括管片结构沉降、差异沉降、净空收敛和地表沉降、隆起等的累计变化值和变化速率值。相关实测结果的数理统计分析是研究确定其控制指标建议数值的重要方法。盾构隧道贯通后需对其直径椭圆度、接缝张开量、管片裂缝等制定监控要求。

（4）地铁盾构隧道运营期应开展长期监测工作，盾构管片结构变形控制指标应符合相关结构安全保护、养护等标准的要求，轨道结构的变形应符合相关工务维修、养护标准的要求。

（5）盾构隧道全生命周期中不同阶段的监测控制指标研究是十分复杂、十分必要的课题，建议根据其不同阶段的特点，综合分析各类安全影响因素，有针对性地开展系统化的控制指标研究，以科学、合理评价盾构隧道在不同阶段的安全状态，为安全隐患的及时发现和处置划定适宜的“警戒线”。