城市地下工程监控量测与信息反馈.doc

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1、城市地下工程监控量测与信息反应一、 城市地下工程主要特点与施工方法1. 地下工程的主要特点l 地质条件差l 周边环境复杂 l 构造埋深浅、与临近l 构造相互影响 l 围岩稳定性难于判断2. 施工方法二、 监测的意义与目的1. 监测的意义 在岩土中修建地下工程，由于对地下工程设计合理性进展理论分析牵涉问题很多，比拟困难，其主要原因是：(1) 岩土的复杂性(2) 施工方法难以模拟性(3) 围岩与构造支护围护相互作用的复杂性 同时考虑城市地下工程的特点，地质条件差、周围环境一般比拟复杂，因此有必要通过信息化施工，及时了解施工过程中围岩与支护构造的状态，并及时反应到设计与施工中去，以确保地下工程施工与

2、周围建构筑物平安。作为信息化施工的最根底工作，监测显得非常重要。2. 城市地下工程监测的主要目的l 通过监测了解地层在施工过程中的动态变化，明确工程施工对地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。l 通过监测了解支护构造及周边建构筑物的变形及受力状况，并对其平安稳定性进展评价。l 通过监测了解施工方法的实际效果，并对其进展适用性评价。及时反应信息，调整相应的开挖、支护参数；l 通过监测，收集数据，为以后的工程设计、施工及标准修改提供参考与积累经历。三、 主要监测工程1. 监测工程分类 从考虑地下工程构造稳定及施工对环境影响出发，地下工程主要监测工程可以分成三类：第一类是支护构造的变形与应力、应变

3、监测，第二类是支护构造与周围地层围岩与构造相互作用监测，第三类是与构造相邻的周边环境的平安监测。（1） 根据监测工程对工程的重要程度可分为“必测工程与“选测工程两类。 城市地下工程施工多数采用浅埋暗挖法、明挖法、盾构法这三类方法,其监测内容见下面表格。浅埋暗挖法工程主要监测工程类别监测工程监测仪器测点布置监测频率应测项目围岩与支护构造状态地质素描及拱架支护状态观察每一开挖环开挖面距监测断面前后2D时12次/d开挖面距监测断面前后5D时1次/2d开挖面距监测断面前后5D时1次/周地表、地表建筑、地下管线及构造物沉降水准仪与水准尺每1050m一个断面拱顶下沉水准仪与水准尺计每530m一个断面，每断

4、面13对测点周边净空收敛收敛计每5100m一个断面，每断面23测点岩体爆破地表质点振动速度与噪声声波仪及测振仪质点振动速度根据构造要求设点，噪声根据规定的测距设置随爆破随时进展选测项目围岩与构造内部位移多点位移计、测斜仪等选择代表性地段设监测断面，每断面23个测孔开挖面距监测断面前后2D时12次/d开挖面距监测断面前后5D时1次/2d开挖面距监测断面前后5D时1次/周围岩与支护构造间压力压力传感器选择代表性地段设监测断面，每断面1020个测点钢筋格栅拱架内力支柱压力或其他测力计选择代表性地段设监测断面，每断面1020个测点。初期支护、二次衬砌内力及外表应力混凝土内的应变计或应力计每取代表性地段

5、设监测断面，每断面1020个测点锚杆内力、抗拔力及外表应力锚杆测力计及拉拔器必要时进展盾构法工程主要监测工程类别监测工程监测仪器测点布置监测频率必测项目地表隆沉水准仪与水准尺每30m一个断面，必要时加密开挖面距监测断面前后20m时12次/d开挖面距监测断面前后50m时1次/2d开挖面距监测断面前后50m时1次/周隧道隆沉每510m一个断面选测项目土体内部位移垂直与水平位移水准仪、测斜仪、分层沉降仪选择代表地段设监测断面衬砌环内力与变形压力计与应变传感器选择代表地段设监测断面土层应力压力计与传感器选择代表性地段设监测断面明挖法工程主要监测工程 表1上海市工程建立标准?地基根底设计标准?DGJ07

6、111999序号监测工程围护构造施工基坑开挖水泥土围护墙板式支护体系放坡开挖1围护墙边坡顶水平位移2围护墙边坡顶沉降3立柱沉降4围护墙水平位移5土体深层侧向位移6支撑或锚杆轴力7基坑内外地下水位8孔隙水压力9围护墙体土压力10坑底隆起回弹11裂缝监测邻近建筑物12邻近地表13邻近建筑物沉降14邻近地下管线水平、竖向位移建筑基坑支护技术规程?JGJ1209规定的基坑侧壁平安等级及重要性系数，以及据此等级确定的基坑监测工程。 表2 平安等级一级二级三级破坏后果很严重一般不严重重要性系数。110100090监测工程支护构造水平位移周围建筑物、地下管线变形地下水位桩、墙内力锚杆拉力支撑轴力立柱变形土体

7、分层竖向位移支护构造界面上侧向压力注：1破坏后果系指支护构造破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境与地下构造施工影响程度，2有特殊要求的建筑基坑侧壁平安等级可根据具体情况另行确定；3应测；宜测；可测 四、 监测控制基准确实定1. 控制基准确定原那么（1） 监测控制基准值应在监测工作实施前，由建立、设计、监理、施工、市政、监测等相关部门共同确定，列入监测方案；（2） 有关构造平安的监测控制基准值应满足设计计算中对强度与刚度的要求，一般应小于或等于设计值；（3） 有关环境保护的控制基准值，应考虑被保护对象如建筑物、地下工程、管线等主管部门所提出确实保其平安与正常使用的要求；（4） 监测控制基准值确

8、实定应具有工程施工可行性，在满足平安的前提下，应考虑提高施工速度与减少施工费用；（5） 监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、标准与规程的要求；（6） 对一些目前尚未明确规定控制基准值的监测工程，可参照国内外类似工程的监测资料确定。 在监测实施过程中，当某一监测值超过控制基准值时，除了及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，必要时可对控制基准值进展调整。2. 地表沉降控制基准确定方法 通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表建筑物、地下管线及地层与构造稳定等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其中最小值作为控制基准值。（1） 按环境保护要求确定最大允许地表沉降值.（2） 从考虑地下管线的平

9、安角度确定最大允许地表沉降值.（3） 从考虑地层及支护构造稳定角度确定最大允许地表沉降值.3. 地下工程支护构造围岩稳定控制基准确定方法（1） 根据支护构造的稳定性确定.（2） 根据地表沉降控制要求确定.（3） 利用现场监测结果与工程经历对预先确定的位移值进展修正.4. 国内外主要监测工程控制基准值（1） 暗挖隧道主要监测工程控制基准值 我国铁路隧道采用允许相对位移值的方法。隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于?锚杆喷射混凝土支护技术标准?GB50086-2001规定值，即下表所列的数值。 覆土厚度m围岩级别300法国工业部制定的隧道位移基准值如下表隧道断面501

10、00 m2，可作为初选位移基准的参考值。隧道埋深m洞内拱顶允许下沉mm地表允许下沉mm硬岩软岩硬岩软岩10501020205010202050501002060100200206015030010050050100501002004005007504012020040040120300600日本“NATM设计施工指南提出按测得的总位移量值，或根据已测值预计的最终位移值，给出围岩的类别，然后确定与围岩相应的支护系统。下表给出了隧道施工中各类围岩容许收敛值。围岩类别净空变化值mm单 线双 线751502575501502550我国北京、广州根据地区经历，提出地铁工程施工相应的监测控制基准。 北京地

11、铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值监测工程基准值位移平均与最大速度控制值mm/d地表沉降区间30平均：2最大：5车站60拱底隆起区间10车站10拱顶下沉区间60平均：2最大：5车站120水平收敛区间20平均：1最大：3北京地铁盾构法施工监测控制基准值监测工程基准值位移平均与最大速度控制值mm/d地表沉降20平均：1最大：3拱顶下沉20平均：1最大：3广州地铁施工监测控制基准监测工程控制范围控制基准地表沉降、类围岩30 mm、类围岩19 mm拱顶下沉类围岩50 mm类围岩30 mm、类围岩19 mm变形速度、类围岩5mm/d、类围岩3mm/d建筑物倾斜全线3（2） 明挖基坑工程变形控制基准确定 上海

12、市与深圳市基坑设计规程规定将基坑工程按破坏后果与工程复杂程度区分为三个等级，各级基坑变形的设计与控制值见下表。基坑工程等级划分及变形制控基准值工程复杂程度一级二级三级基坑深度m149149地下水埋深m2255软土层厚度m5252基坑边缘与邻近已有建筑浅根底或重要管线边缘净距m1 h1 h监控值设计值监控值设计值上海市墙顶位移mm305060100宜按二级基坑标准控制，当环境条件许可时可适当放宽墙体最大位移mm608090120地表最大沉降mm305060100最大差异沉降6/100012/1000深圳市墙体最大水平位移m排桩、地下连续墙、土钉墙00H钢板桩、深层搅拌桩一00H00H深圳市建立局

13、还对深圳地区建筑深基坑的地下连续墙作了稳定判别标准，见下表。深圳地区深基坑地下连续墙平安性判别标准 注：1.F2上行适用于基坑旁无建筑物或地下管线，下行适用于基坑近旁有建筑物与地下管线。2.F6、F7上、中行与F2同，下行道用于对变形有特别严格的情况。工程建立行业标准?建筑基坑工程技术标准?JGJ12-99规定重力式挡墙最大水平位移的控制值见下表。重力式挡墙最大水平位移控制值墙的纵向长度30m3050m50m地层条件良好地基0.005HH一般地基H0.05H0.05H软弱地基HH五、 信息反应 1. 信息反应的内容 （1） 对设计的反应内容（2） 对施工的反应内容 在施工过程中，通过对监测结果

14、的分析判断，及时调整施工方案，必要时增加辅助施工措施，以确保施工平安。2. 监测数据的处理方法（1） 散点图与回归分析法一元线性回归分析非线性回归分析（2） 地下工程监测数据分析中常用的回归函数地表沉降横向分布规律 地表沉降横向分布规律回归函数采用Peck公式，Peck在1969年提出了地层损失的概念，即在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，得出了一系列与地层有关的沉降槽宽度的近似值，位移历时回归方程 对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等变形的历时曲线一般采用如下函数进展回归。1指数模型：；2对数模型：；3双曲线模型：； 式中：t监测时间单位：日；St时间对应的位移值； a、b回归系数。 沉降历程回

15、归方程 由于地下工程开挖过程中地表纵向沉降、拱顶下沉及净空收敛等位移受掌子面的时空效应的影响。采用单个曲线进展回归时不能全面反映沉降历程，通常采用以变弯点为对称的两条分段指数函数式或指数函数进展近似回归分析。式中：A，B回归参数；x距开挖面的距离；S距开挖面x处的地表沉降；x0、u0变弯点x0处的沉降值u0。3. 监测信息反应 （1） 监测反应的程序 右图（2） 信息反应方法1） 采用收敛限制法2） 参数控制法3） 工程类比法4） 数值计算方法5） 反分析法六、 现代自动化监测系统1. 近景摄影测量系统 近景摄影监测的主要问题在于地下工程内施工条件下不易实施，而且精度目前尚难到达要求。但随着技

16、术的进步，它仍值得进一步研究探索。 三维隧道影像扫描仪简称DIBIT系统做以下简单介绍。 DIBIT为可携带式隧道影像记录器，近年来奥地利ILF与Tunei Conslt公司合作开发成功，曾应用于德、奥境内施工中高速铁路隧道。采用三维隧道影像扫描仪除可全面并准确地记录隧道开挖面地质与支撑施作结果之影像与几何资料，改善目前本地传统工法中有关监测或记录方法之缺点外，并可提供隧道开挖高精度资料与建立施工品质资料库，有助于提升国内施工品质控制与工程管理效率。2. 光纤监测系统 光栅传感器是近几年正在研发的新型传感器，光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆、抗

17、电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便。特别适合在恶劣环境下使用。它克制了电阻应变片的易受电磁干扰、易损坏、寿命短与不能重复使用的缺点。通过此项技术可准确的将地震、不均匀沉降、建筑物的动荷载等等带给构造的危害程度，做到实时、长期、直观的监控。 我集团在北京地铁5号线05标与广州地铁5号线小北站成功试验。3. 自动全站仪非接触监测系统 全站仪非接触监测系统采用先进全自动全站仪，具有自动目标识别、自动跟踪、无棱镜测距的功能、将全站仪置于固定测站，通过数据线与远处控制室连接，通过控制室电脑发出指令控制全站仪对目标进展监测。该系统具有获取信息及时、监测精度高。其具有以下优点：（1） 适应隧

18、道恶劣环境 ；（2） 克制了传统接触量测在大跨度隧道中速度慢、误差大等缺点；（3） 自动化程度高，能够实现数据自动采集、观测平安快速 。 我集团应用此项技术较早，在内昆铁路曾家坪隧道首次试验成功，后在磨狗岭隧道、北京城铁14标等多个工程应用，效果良好。全站仪非接触监测洞内监测图4. 远程监测系统重要建构筑物变形监测北京地铁五号线静力水准仪布置图静力水准仪对于一些特殊构造，如；桩基托换过程中的高层建筑物，运营中的地铁线路，交通繁忙的铁路、公路桥梁等，常规监测方法实施的难度特别大，必要时可采用远程监测系统进展监测。l 远程监测系统由现场采集系统与远程控制系统两局部组成。将各类传感器埋设在待测构造上

19、，并连接在数据采集仪上，即构成数据采集系统，可在无人值守状态下，实现各类监测数据的自动采集。数据采集仪l 数据采集仪为连接远程监控中心及各类监测传感器的中继站，直接控制各类传感器，并将传感器的信号进展编译传输至监测中心。远程监测在北京地铁五号线的应用主控电脑远程监测中心由主控计算机，通过数据采集仪，控制监测传感器的工作。通过设置参数，可实现高频自动监测，通过强大的数据后处理系统，可实现大量监测数据的实时分析，及时反映监测对象的各类信息，为施工控制提供参考数据。5. 巴赛特构造收敛系统：巴赛特构造收敛系统可以进展隧道断面变形的连续监测，该系统可安装在隧道典型断面用于监测因构造变形而引起的变形破坏

20、。能够适应隧道交通、防震、水流、温度变化以及电磁辐射环境。巴赛特构造收敛系统广州地铁一号线杨体区间隧道工程1 工程概况 该区间隧道工程位于中山路东端南侧，周边环境复杂，天河自来水厂与天河村密集居民区，隧道穿越IIII类围岩，主要为强中风化带岩层及残积土层，地下水丰富。区间内有极易液化的流砂层，穿越常年流水的杨淇涌。为广州地铁一号线地层最复杂，施工难度最大的区间之一。 隧道埋深122185m，左右线双洞隧道，左右隧道中线间距为133162m，隧道断面为鹅卵形，采用浅埋暗挖法施工，采用复合式衬砌支护构造，即初期支护为喷锚支护，永久衬砌为C30防水混凝土。2 监测工程及控制基准（1） 监测工程序号监

21、测工程监测仪器监测目的监测频率1地表沉降水准仪与水准尺了解施工过程中地表沉降情况开挖面距监测断面前后2B时12次/d开挖面距监测断面前后5B时1次/2d开挖面距监测断面前后5B时1次/周2地表建筑沉降与倾斜水准仪与水准尺了解施工过程中建筑物沉降与倾斜情况，评估建筑物建筑物是否平安3拱顶下沉水准仪与水准尺计了解施工过程中初期支护构造变形情况4周边净空收敛收敛计了解施工过程中初期支护构造变形情况5地中土体垂直位移NC50型分层沉降仪，沉降管了解施工过程中地层不同深度的垂直变形情况6地中土体水平位移SINCO测斜仪、测斜管等了解施工过程中地层不同深度的水平变形情况7围岩压力压力传感器了解施工过程中初

22、期支护构造的荷载分布情况8钢筋格栅拱架应力支柱压力或其他测力计了解施工过程中初期支护构造的内力分布情况9地下水位水位计、水位管等了解施工对地下水位影响10爆破振动速度声波仪及测振仪了解爆破引起地表及建筑物的震动情况随爆破随时进展（2） 控制基准监测工程控制范围控制标准地表下沉I、II类围岩3OmmIII、IV类围岩19mm拱顶下沉及净空收敛I类围岩50mmII类围岩32mmIII、类围岩19mm位移速度I、II类围岩5mm/dayIII、IV类围岩3mm/day建筑物倾斜全线3%。3 监测结果分析（1） 地表沉降1） 地表纵向沉降规律 从图中可以看出，地表沉降的变化过程可分为四个阶段：地表测点

23、沉降历程曲线图l 微小沉降阶段：当掌子面开挖到与测点距离20D10D时，开场对地表产生一定的影响，沉降值约占总沉降值的1015%左右。主要是由于隧道开挖引起前方地层应力场发生变化，以及地下水的流失而引起的微小沉降。l 沉降急剧增大阶段：随着掌子面向前推进，距测点在1D3D内时，地表沉降速率加速增长，沉降值急剧增大，此阶段沉降值约占总沉降值的6070%左右。该阶段沉降主要是由于隧道的开挖而造成边界条件发生改变，对覆盖土体产生扰动，引起应力场的重分布，产生卸载效应，为施工过程中主要沉降阶段。l 缓慢沉降阶段：当掌子面向前开挖超过测点30D以后，沉降速率开场减小，沉降值缓慢增加，沉降曲线开场收敛，一

24、直延续到50D，此阶段沉降值约占总沉降值的1015%左右。l 沉降根本稳定阶段：当掌子面距测点50D后，沉降增长缓慢，直至延续时80D，地层趋向稳定状态，此阶段沉降值约占沉降值的5%左右。采用非线性最小二乘法进展回归分析，得到、类围岩的地表沉降曲线的回归方程如下：类 类 2横向地表沉降 类围岩地表横向沉降曲线III为类围岩地表横向沉降实测曲线类围岩地表横向沉降曲线采用Peck公式法对实测数据进展横向地表沉降规律分析，得到各类围岩横向地表沉降曲线参数见下表：围岩类别i横向影响范围168952501281051504748519（2） 拱顶下沉 1) 实测拱顶下沉统计值见下表 。围岩类别平均沉降值

25、mm最大沉降值mm类130241类一般地段191408类人工填土段485933类41249类1565拱顶下沉历程回归曲线2） 回归方程 根据监测数据，得类围岩拱顶下沉的回归方程如下：类 类 类 类 3） 沉降历时分析除个别测点外，拱顶下沉值一般小于50mm，说明支护构造是平安的。上半断面开挖引起的下沉值占总下沉的60左右，因此，监测时测点应紧跟工作面埋设。纵向影响范围约为下半断面通过后的23倍洞径。初期拱顶下沉速度较大，1倍洞径范围内为快速沉降区，其下沉值约占总下沉值的7075。12倍洞径范围内，下沉速度开场减缓，该段属于缓慢下沉阶段，下沉值约占总下沉值的2025。测点距掌子面超过2倍洞径,下

26、沉开场收敛,该段属于下沉根本稳定阶段,下沉值约占总下沉值的510。（3） 净空收敛 收敛监测结果统计分析如下表。 围岩类别平均收敛值mm最大收敛值mm类107318类274768类085112类050083（4） 围岩压力 实测围岩压力分布图（5） 地中垂直与水平位移 类围岩地中水平与垂直位移（6） 初期支护应力监测 I类II类III类实测拱架弯距分布图实测拱架轴力分布图（7） 爆破振动速度监测 采用萨道夫斯基经历公式对爆破振动速度监测结果进展回归，求得萨道夫斯基经历公式中地震波衰减系数K=110，=20，为后续钻爆设计提供了依据，确保了微振爆破的实施。本区间爆破振动监测结果见表。监测对象最大振动速度一般地段080cm/s天河村地表房屋121 cm/s立交桥184 cm/s水厂蓄水池131 cm/s支护构造小于一倍洞径62 cm/s支护构造大于一倍洞径48 cm/s第 95 页