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第96期 地铁盾构隧道安全智能运维

2020-8-19 12:01
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【52监测网】第96期 地铁盾构隧道安全智能运维


52监测网专家报告分享-第96期

《地铁盾构隧道安全智能运维》
李家平 上海申通地铁集团有限公司

世界上第一条盾构法隧道:布鲁诺尔(Marc Brunel)父子于1825年2月开建、1841年完成,1865年使用,泰晤士河隧道全长365m。在运行了130年后,因漏水严重,1995年伦敦地铁管理当局对该段隧道关闭后进行维修,在隧道内增设型钢和钢筋然后采用“喷射混凝土”技术对隧道进行修复,于2010年6月对公众再次开放。


地铁隧道的重要性:

①地铁安全、正常运行是城市运行的基本保障,其作用不可或缺和不可替代性,关注度高,突发状况下影响巨大。

②结构安全是运营安全的前提,“皮之不存毛将焉附”。

③隧道结构多位于地下,相对封闭,施救困难。

需建立一套与网络规模和社会要求相适应的隧道安全监控管理体系,“及时准确”的“预警、预控、维修、抢修”,确保地铁隧道安全。

如何才能使得隧道长命百岁梦?

◇ 影响隧道长命百岁的主要因素
1. 地质条件 2. 建设质量:规划、设计、施工 3. 地面沉降 4. 维修养护管理:结构病害的发现、隧道养护质量 5. 外部环境:非法加卸载——堆土、开挖、钻探 6. 沿线邻近施工影响:深大基坑及穿越施工等 7. 耐久性等
◇ 如何消除降低不利因素
答案:要从规划、建设开始,实施全生命周期的质量管理:精心设计、精心施工(高质量、少病害)+精心维修养护(及时发现,高质量养护)→隧道长命百岁!

目录

一、地质条件
二、建设质量
三、地面沉降
四、养护策略与管理制度
五、病害治理技术
六、智能运维新期待

内容介绍

一、地质条件

1.1工程地质条件

软弱复杂地质条件对地铁建设和运营都是不利的。


1.2水文地质条件

含承压水地层:透水性高,一旦发生突涌,工程施工风险很大。


二、建设质量

2.1建设标准

百年大计结构为先,百年大计主要是指隧道结构本身质量。隧道是一切附属设备敷设基础,线缆一般30年左右的使用寿命甚至更低,世界上第一条盾构隧道使用达180年。

• 设计标准
GB 50157—2013《地铁设计规范》第1.0.7 条:地铁的主体结构工程,设计使用年限为100年。国外许多城市轨道交通的设计年限已经超过120年。

• 竣工质量验收标准
国家和地方都发布了对施工质量相应验收规定或标准。

2.2建设事故

结构缺陷比比皆是:如渗漏水、锈蚀、开裂、掉块、张开、压损、大变形,以及各类施工险情甚至事故。

(一) 隧道透水

1、圣彼得堡1号线“森林站~英勇广场站” 隧道坍塌
由于线路选择、结构设计、特殊施工技术和运营期隧道维护等多方面失误而造成重大工程事故。在施工过程中该区间隧道就曾两次发生重大透水事故造成地面大范围沉降和财产损失,且在运营二十年后又发生毁灭性事故,最终被迫停运报废!


2、日本冈山县一在建海底隧道发生塌陷
2012年2月7日,冈山县石油炼油厂一条在建的海底隧道在掘进施工约135m后发生坍塌海水迅速倒灌,人员来不及逃生,造成5人死亡


(二)洞门漏水

1、地铁漏水
2012年12月,地铁端头井拆封头板时,隧道发生漏水漏砂,环间局部错台量达到18cm,后经注浆等措施控制了风险。隧道下卧地层为含承压水砂性地层。


(三)基坑坍塌

1、新加坡地铁车站基坑坍塌
2004年4月20日下午3:30,新加坡地铁环线尼诰大道站在开挖至第10道支撑(约33m深度)发生严重的坍塌事故。造成4人死亡3人受伤,工程被迫延期


(四)冻结失效

1、德国Rastatt隧道事故
2017年8月12日,德国Rastatt地区莱茵河谷的铁路下方,在4m的覆土下使用盾构推进轨交隧道时,由于冻结法失效,土体流失严重,导致含水的砂土和砾石地层中的水平冻结支护垮塌,造成隧道管片衬砌损坏,地层沉降,铁路整体下陷。


三、地面沉降

过去因区域性进行深层大量取水、局部性工程活动及地面加载、地层固结等原因,地面会发生了明显的不均匀沉降,形成明显的沉降盆,凡通过该区域的地铁隧道发生了显著不均匀沉降。


四、养护策略与管理制度

理想隧道状态
一条理想隧道衬砌:
管片完整无裂缝、无缺角、掉边、掉块;管片均匀、平整拼缝小、不能跨缝看见螺栓;具有较好的正圆度;块与块,环与环之间错台量小;止水性能好,无渗漏水

4.1发现制度

4.1.1地面巡查制度

及时发现风险是保证隧道安全的首要。早发现、早报警、早处置是保证隧道安全基础。地面巡查、隧道检查、地面地下监测三项管理制度对及时发现风险是非常实用的。

地面巡查主要针对:临近隧道违规钻孔、倾倒渣土或挖土改变地表标高,违规施工等。
巡查方式:(1)人工GPS巡查(2)社会共治/网格化管理(3)无人机(4)卫星

4.1.2 变形监测

监测内容:纵向沉降、横向收敛、水平位移、倾斜、错台、 裂缝……

监测周期范围:1、长期变形2、重点区段3、工程影响

(1)沉降监测
沉降测量主要内容:① 监测点布设原则 ② 监测频次 ③ 水准控制点设置 ④ 现场监测 ⑤ 测量成果及应用

(2)收敛监测
隧道收敛测量常用设备:全站仪,激光测距仪,3D激光扫描,GRP5000,偶尔采用BASSETTE。方法:
①直径法:直观、简单、高效 ②全断面扫描法:详细,但效率低 ③激光测距尺 ④巴塞特自动收敛系统

(3)水平位移监测
采用高精度全站仪实施。该方法可根据需要采取人工方法、也可选取具备自动测量功能的“测量机器人”型全站仪全自动测量。


(4)高架立柱倾斜监测
倾斜率=(O’A-Oa’)/A’a’


4.1.3隧道检查制度

《轨道交通隧道病害检查标准化操作细则》
• 病害分类标准化:
把隧道病害分为三大类10多小类。
• 检修分离制度化:
巡检工作成立专门的部门,按照检修分离的制度实施,常规区段每半月巡检一次、重点区段每周巡检一次。
• 外业巡检规范化:
采用巡检仪,统一巡检操作流程、病害分级标准等。
• 巡检病害信息化:
病害库录入信息系统。方便查询、分析管理。

4.2评估预警

通过每年监测数据和日常巡检报告按照病害程度及发展速率分级管理。


• 沉降维修标准:曲率>1/3000;坡度>1.6‰;速率>0.6mm/月;
• 收敛维修标准(单圆通缝):水平直径变化>8cm;水平直径变化>10cm
技术管理措施:加强监测,调整轨道,注浆堵漏等

关于评估标准思考:
• 要判定隧道是否安全需要数据、现象、标准来讲话,需要数据与标准、指标进行对比。由于基础设施的重要性,给出的判据一般是偏保守的

• 是单一指标达到控制值就报警?还是综合指标达到控制值报警?单一指标的权重是多少?

以上这些问题的解决需要大量工程支撑,这些都是我们正在思考和改进的地方。

4.3预控

安全保护区管理
地铁要保,大楼要建,隧道要穿——地铁安全&服务社会
随着网络化规模形成,邻近地铁隧道实施了数以百计的工程,这些工程施工都在不同程度上影响隧道结构安全。


4.3.1法律法规支撑


• 保护区划定范围


• 作业类型


4.3.2保护技术标准

由于深基坑高楼桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度,必须符合以下标准:

1、在地铁工程(外边线)两侧的邻近3米范围内不能进行任何工程。
2、地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20毫米(包括各种加载和卸载的最终位移量)。
3、隧道变形曲线的曲率半径R≥l5000米。
4、相对变曲≤1/2500。
5、由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20KPa。
6、由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/秒。

4.3.3 保护主要管理措施

(1)技术审查
• 深化和完善方案;提出作业意见及建议;专业单位进行复核验算
工作原则:依法依规是技审基础;技术掌控与预判是技审核心;适度措施安排是技审关键;现场控制决定结果预期;

技术审查:是规划、施工审批前置条件,是行政审批的前置。通过对设计方案、施工方案的技术审查,把好方案的技术关口。其实,技审也是一个博弈过程!

工程安全、地铁结构安全不可以试错!

(2)现场监护
主要职责:
现场监护,落实技术审查意见;记录工况与变形分析,加强各方沟通协调,确保地铁安全。

① 结构边线复核确认② 技术交底③ 地铁结构初始状态确认④ 工程工况记录分析⑤ 地铁结构状态变化分析⑥ 如接近控制值,发整改单⑦ 如超标,预报预警⑧ 如严重超标或失效失稳,申请发布抢修预警,抢险工作⑨ 其他配合工作,与设计、建设、施工及其他单位协调沟通及信息传递⑩ 维修整治


4.3.4 保护管理信息化


4.4维修与抢险

隧道维修制度

根据对隧道检查、监测检测情况,对隧道病害进行分析、评估;查找病害产生的原因,实施有针对性的“分类、分级”维修养护治理制度,实施有序的“故障修、计划修、预防修、状态修或抢修”,以保障隧道结构安全始终处于可控状态。始终贯彻“逢沉必注、逢损必固、逢漏必堵” 原则,确保隧道长治久安。


AA级:即刻上报,当天启动;A级:次日上报,10个工作日启动;BB级:定期上报,20个工作日启动;B级:定期上报,30工作日启动;C级:只检不修

五、病害治理技术

5.1渗漏水处理

(1)隧道内部注浆堵漏:骑缝注浆或另开孔。使用聚氨酯或双液浆


(2)壁后注浆堵漏:利用注浆孔注浆,使用聚氨酯多。

施工关键技术要点:注浆步序(水平、环向);开孔深度;注浆次数;注浆压力;注浆量

5.2道床脱开

压注刚性环氧浆

5.3缺角掉块理

掉块、掉边:堆胶补强,10分钟后凝固

5.4渗沉降治理

(1)大范围小错台沉降:双液微扰动注浆抬升


在穿越工程,近距离施工、险情发生处及各类施工工程中,发挥了巨大作用!

(2)小范围明显的大错台沉降
主要施加钢环:视管片破坏、变形情况调整钢环宽度和位置,选择骑缝钢环或环内钢环。
但需要注意:基面干燥,环缝填满弹性环氧;如果错台很大,需要在跨环缝部位分别垫钢板;需要严格按照操作规程施工:钢板、螺栓、环氧是关键。

5.5收敛治理

一般治理方法:“上卸载、侧纠偏、内加固”。



5.6其他重大病害


需注意设计、施工考虑不周或发生过施工风险的部位或区段:
1. 车站侧墙为单墙结构的渗漏水及耐久性
2. 车站设置倒滤层
3. 泵站顶、底板渗漏水
4. 泵站排水管存在设计、施工缺陷
5. 地面发生了较大区域性沉降
6. 建设施工期间曾发生过漏水漏砂或其它施工险情
7. 隧道交付使用时变形较大
8. 泵站施工时各类冻结管、测温管、注浆管封堵不好
9. 道床引出了注浆孔
10.地面段铺设整体道床但其下部为砂性土存在水土流失的
11.线路引导段多发生较大不均匀沉降
12.邻近地铁隧道实施大量的基坑工程和大口径隧道穿越工程
13.数以百万计的注浆孔管理问题

5.7隧道应急抢险

(1)应急处置关键(主要针对涌水)
早发现、早报警、早处置、“自救+他救”、堵/压/撑/灌
隧道是拼装结构,与车站相比,整环刚度更小,更脆弱,抵抗破坏能力更差,更危险。


(2)隧道安全性快速研判
隧道状态安全与否决定抢险对策,需要快速做出,但同时又是很难的(同基坑安全判断类似,资料不完整、情况复杂多变、空间狭小),需要丰富的设计施工经验人员才能做到。一般情况下,判断隧道结构状态安全与否需要由测量数据与外观检查综合判定。但在抢险时往往是无序的,也没有充足的数据和外观数据,只有根据外观情况和有限资料,对隧道结构是否安全做出初判。“三看一听”:看外观、看数据、听声音、目测隧道变化发展趋势,就可以对隧道的安全与否有大致研判。具体来讲:
1) 外观目视检查:
2) 监测与估计:如有现场即刻测得的监测数据,结合检查最好。
3) 极限值参考

(3)抢险理念与抢险方法
1)隧道结构稳定是安全基础→隧道结构稳定取决于敷设隧道的地层稳定→地层稳定取决于有无大的水土流失。归根结底,取决于隧道是否漏水。
经对抢险工程梳理:凡是经抢险成功抢救过来的隧道都是首先把漏水堵住,支撑只起
到稳定结构的辅助作用。因此,快速堵住漏水是第一位的。
2)注浆堵水抢险方法——“堵/压/撑”方法
3)关于注浆材料选择
通常有单液、双液浆可供选择,应优先采用“大流量”的注浆泵压注聚氨酯,可在较短时间内开始发泡(在冬季应注意提高浆液温度,以达到速凝)。
4)对涌水处堆盖水泥包。可以有效阻挡漏水速度,可延长了流水渗漏路径,为注浆止水创造条件(有利于注浆液的发泡和成型)。
5)内部架设“米”字撑
在注浆堵漏同时,在隧道内部可快速架设“米”字支撑(竖向支撑应尽可能设在同一垂直面内,有助于稳定衬砌环结构。“米”字撑材料准备90根(空心管约φ108、φ89、超φ200)注意管长度不能完全一样,应配置衬垫和可进行复加轴力装置。
(提醒:支撑采用拼装式;支撑或拉紧应视变形工况,支撑杆最好可拉可撑!)
6)密切关注对相邻和附近隧道观测与抢险工作
一条隧道发生承压水突涌,在很短时间内会有大量水土流失,从而引发另外一条隧道发生漏水。抢险时,必须同时对邻近隧道加强关注。

六、智能运维新期待

• 智慧地铁的愿景与理解
为保障地铁全局安全、提高运输效率、改善经营效益和提升服务质量,采用物联网、云计算、大数据、人工智能等技术,提升全息感知、实时分析、科学决策和精准执行能力,打造建设、运维、服务业务智能联动、资源智慧配置的地铁运输及服务系统。


• 隧道智能运维新期待

建立一个拥有强大技术装备支撑的隧道安全监控平台,实时感知并掌控隧道安全状态,其状态一览无遗, 让感知的隧道数据可以“开口”讲话!


《地铁盾构隧道安全智能运维》
李家平 上海申通地铁集团有限公司

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  • 幺不语 2020-8-19 17:01
    52监测网专家报告分享-第96期《地铁盾构隧道安全智能运维》李家平

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