城市地下工程监测与信息反馈技术

地下工程监测与信息反馈技术,中铁隧道集团有限公司 刘招伟,一.地下工程主要特点与施工方法 二.施工监测的意义与的目 三.主要监测项目 四.控制基准的确定 五.施工监测组织与实施 六.主要监测项目实施方法 七. 信息反馈技术 八. 控制过大变形的工程技术措施 九.现代化自动监测内容 十.监测工程实例,主要内容,一、地下工程主要特点与施工方法,1.(城市）地下工程的主要特点 地质条件差（多为软弱围岩、软弱不均、地下水） 周边环境复杂 （建筑物、地下管线等） 结构埋深浅、与临近结构相互影响 荷载的不确定性 围岩和结构的稳定性难于判断,2.地下工程的主要施工方法 随着施工技术的不断进步和发展，地下工程开的施工方法越来越丰富，根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备等情况，城市地下工程施工方法一般可分为三大类，即：明挖、暗挖及沉管法。,二、施工监测的意义与目的,1.监测的意义 在岩土中修建地下工程，由于对结构设计的合理性进行理论分析牵涉问题很多，比较困难，其主要原因是： (1)岩土的复杂性， (2)施工方法难以模拟性， (3)围岩与支护（围护）结构相互作用的复杂性。 (4)周边环境的复杂性 因此有必要进行信息化施工（反分析法），通过施工过程中对围岩、支护结构及周边建（构）筑物的位移和应力监测，并及时反馈到设计与施工中去，优化设计参数及施工方法，以确保地下工程施工和周围建（构）筑物的安全。作为信息化施工的最基础工作，监测工作非常重要。,2.地下工程监测的主要目的 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。 了解支护结构及周边建（构）筑物的变形及受力状况，并对其安全稳定性进行评价。 了解施工方法的实际效果，并对其进行适用性评价。及时反馈信息，调整相应的开挖、支护参数； 收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改订提供参考和积累经验。,3、监测工作现状、存在的问题及解决办法,1）现状 （1）各建设、施工单位水平对监测工作的认识不统一，造成对其认识不同； （2）施工单位对监测与信息反馈工作的实施方法不同，效果不同。 2）存在的问题 （1）未把监测与信息反馈作为工序编入施工组织设计，有的虽然作为工序编 入，但实施不规范，不彻底，应用效果较差； （2）实施过程中缺少专业技术人员，特别是信息反馈方面的人员，很少能结合施工情况，对监测信息进行有效分析，未能对工程设计和施工起指导作用； （3）缺乏周边环境的安全评估标准及监测控制基准； 3）解决办法 （1）就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制基准进行研究； （2）在规范施工方监测的基础上，引入第三方监测（都必须具备监测资质），对促进监测技术健康发展具有积极意义。,4、监测与信息反馈的内容,监测项目的确定 监测方法、仪器 监测的实施 监测结果的应用（数据处理、控制基准、安全评价等） 反馈的内容（优化设计、施工方法，控制措施） 反馈程序,三 、主要监测项目,1.监测项目分类 （1）从考虑地下工程结构稳定及施工对环境影响出发，地下监测项目可以分成三类： 第一类是支护结构的变形和应力、应变监测（判断地下工程本身的稳定性）； 第二类是支护结构与周围地层（围岩与结构）相互作用监测（确定作用在支护结构上的荷载）； 第三类是与结构相邻的周边环境的位移监测（判断施工对周边环境的安全稳定性）。 （2）根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目(A)”和“选测项目(B)”两类。 必测项目(A)是确保施工安全必须进行的位移监测项目； 选测项目(B)一般是配合科研项目进行的应力、应变等监测项目。 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,其监测内容见下表。,浅埋暗挖法施工主要监测项目,盾构法工程主要监测项目,明挖法施工主要监测项目 （ -必测 -选测）,四、 监测控制基准的确定,1.控制基准确定原则 （1）监测控制基准值应在监测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、监测等相关部门共同确定，列入监测方案； （2）有关结构安全的监测控制基准值应满足设计计算中对强度和刚度的要求，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）主管部门所提出的确保其安全和正常使用的要求； （4）监测控制基准值的确定应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工速度和减少施工费用； （5）监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、规范和规程的要求； （6）对一些目前尚未明确规定控制基准值的监测项目，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，当某一监测值未超过控制基准值而出现险情时，除及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，及时调整控制基准值。,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、地下管线及地层和结构稳定等因素，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）从考虑地表建筑物安全角度确定最大允许地表沉降值 地下工程施工引起地层的差异沉降所引发的建筑物倾斜，是判断建筑物是否安全的一个重要标准，根据实际经验总结地层差异沉降与建筑物的反应见右表。,地表建筑物基础位于沉降槽一侧 如右图所示，一般来说，浅埋地下工程施工时，在其两侧存在着潜在的破裂面，如果破裂面与地表交点位于建筑内，则应考虑不均匀沉降对建筑物的影响。假设破裂面与地表的交点为地表建筑物沉降的不动点，则有： 式中，H-工程覆土厚度，h1-开挖高度，D为开挖直径，A-受影响的横截面宽度。不均匀沉降由Peck公式求得：,如果令u等于建筑物的最大允许地表沉降值，而i通常位于边墙所在的铅垂线上（iD/2），则最大允许地表沉降值为： 即与L1对应的点为建筑物由于地表沉降而倾斜的最大斜率点，由Peek公式推导的该点的倾斜率计算公式为： 令u为建筑物的容许倾斜§则得到的最大允许地表沉降值为：,地表建筑物基础位于沉降槽中间 建筑物相邻柱基L小于（等于）沉降槽拐点位置i 由沉降槽曲线可知，在拐点i处，曲线斜率最大，当建筑物位于如图所示时，差异沉降达到最大，故以此极限条件下的坡度值-极限坡度小于相应建筑物允许倾斜值作为限制条件。即： 式中：L一一建筑物相邻柱基础间距 f一一建筑物的允许倾斜率 S差异沉降值 由极限条件得允许最大沉降差：Sfi，同时，由peck曲线可知，当x=i时，可得出地表下沉的最大斜率： 假定建筑物最大允许倾斜与Qmax相等，此时，地表最大允许沉降量：,建筑物相邻柱基L大于（等于）沉降槽拐点位置2i 这种情况下，沉降对建筑物的影响既引起倾斜，同时基础受弯。当建筑物处于受弯最不利位置，沉降量过大时，可能导至建筑物基础结构的断裂及上部结构压性裂缝的产生。影响基础变形的因素，如受力条件、荷载分布、建筑物等级不尽相同，难以进行分析，这里仅根据建筑物基础的极限应变采用下式计算最大允许沉降值。,（2）从考虑地下管线的安全角度确定最大允许地表沉降值 管线与隧道的位置关系比较复杂，仅以管线与隧道轴线垂直为例进行说明。沉降槽上方的管线变形类似于建筑物地基梁L2i的情况，随着地层的沉降，其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的梁来考虑。 根据结构在正常使用时受到的应力应小于其允许的设计应力这一标准： 由：=/E 式中：允许拉应变； 允许拉应力； E材料弹性模量； 可知，管线在地层沉降时产生的变形应小于（或等于）其允许应力的相应变形范围。即可按下式计算沉降允许值。 式中：m计算长度。当管线走向垂直于地下工程纵向时，m=i，S值最小，此时，上式可简化为如下式。,（3）从考虑地层及支护结构稳定角度确定最大允许地表沉降值 以地下工程侧壁正上方土体不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降值作为控制基准，这时采用“地层梁理论”，诱导出剪应变的方法来确定最大允许地表沉降值。 经验表明，软弱地层浅埋地下工程典型的地表沉降曲线可用Peck公式描述： 对Peck公式求导可得沉降曲线的最大斜率计算公式如下（发生在x=i处）： 如设定地层的极限剪应变Yp与相等，则： 即从地下工程施工本身的安全稳定性推求的最大允许地表沉降值为： 式中：地层抗剪强度， G地层剪切摸量。 Smax一一最大允许地表沉降值； i一一曲线拐点到中心的距离，可通过回归求得； 地表沉降控制基准值随工程条件，尤其是周边环境条件而变，目前多数招标文件中笼统的要求地表沉值小于某一数值是不适宜的，应针对具体工程，通过类比和计算相结合的办法找出相应的控制基准值。,3.支护结构（围岩）稳定性控制基准的确定方法 （1）根据支护结构的稳定性确定 绘制围岩位移支护刚度曲线，并在图上绘制u=u（直线C），从图中可看：围岩位移支护刚度曲线存在一个明显的拐点，从经济、安全的角度考虑，C与A、B相交在拐点附近最合理，交点对应的支护结构（围岩）位移作为变形的控制值u。,（2）根据地表沉降控制要求确定 城市地下工程多为软弱地层，且埋置深度浅，因此确定支护结构（围岩）允许位移基准值时还必须考虑周边环境安全，即要考虑地表沉降要求的影响。 a.城市地下工程通过城市建筑群要求地表沉降控制严格时，位移基准值应当控制得尽量小些。 b.山岭隧道对地表沉降没有严格要求时，位移基准值可以适当定大些。 （3）利用现场监测结果对预先确定的位移值进行修正 应根据具体工程的现场监测结果和工程经验，分析围岩及支护结构的稳定状态及周边环境的安全状况。对预先确定位移允许值进行修正，以确保最终确定的位移基准值是安全、经济、合理的。,4.主要监测项目的国内外控制基准参考值 （1）暗挖隧道主要监测项目控制基准参考值 我国铁路隧道采用允许相对位移值的方法确定支护结构的控制基准。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规范（GB50086-2001）规定值。,法国工业部制定的隧道位移基准值(绝对允许值）如下表（隧道断面50100 m2），可作为初选位移基准的参考值。,日本“NATM设计施工指南”提出按测得的总位移量值（绝对允许值），或根据已测值预计的最终位移值，判断围岩的类别，然后确定与围岩相应的支护系统。,我国北京地铁工程施工相应的监测控制基准（绝对位移值）如下：,北京地铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值,北京地铁盾构法施工监测控制基准值,（2）明挖基坑工程变形控制基准参考值 我国的基坑设计规程将基坑工程按破坏后果和工程复杂程度区分为三个等级，各级基坑变形的设计和控制值见下表,基坑工程等级划分及变形制控基准值,五、监测组织与实施,1.监测方案编制 监测方案是指导监测实施的主要技术文件，主要包括： 1、监测目的和监测项目 2、监测仪器及安装 3、数据采集方法、数据分析及处理 4、信息反馈 2.监测的组织与实施 1、监测的前期准备 2、人员组织准备 3、设备及物资准备 4、现场准备,3.监测的实施 监测实施应特别注意以下几点： 1、测点布设 2、传感器和仪器的选用、传感器的检验和率定 3、监测系统的选择、调试和管理 4、监测控制值的确定 5、资料的整理与分析 6、监测数据的反馈,4.监测资料的整理与分析 （1）监测资料的种类 监测方案 监测方案是贯彻监测工作始终的指导性文件，因而是重要的监测资料之一。工程竣工后，根据监测方案实际施作情况，对原监测方案进行补充和修改。 监测日记 监测日记记载监测实施阶段每日的气象情况、完成的测试项目、现场异常情况、文件收发纪录等。 监测数据 监测数据是监测资料中最基础、最原始的资料，它是日后进行制表、制图、计算分析、编制报表、撰写报告的重要依据。,监测报表 每次测试完成后向委托单位提供的图表，按日期和项目内容编排、装订成册，包括监测日报表，周表报及月报表。 监测报告 监测报告系指对某段时间内或某一监测项目的实施情况的总结，找出某些变化规律，提出建议和措施。每一监测工程都有一个监测总报告，根据工程规模和时间，也可以出中期报告、分报告。 监测工程联系单 联系单是监测部门就监测过程中遇到的技术问题、特殊情况或测试内容、时间变更等，与委托方进行联系或达成协议的书面记载。 监测会议记要 包括监测方案评审会、现场监测工作例会、定期或不定期的专家顾问会议、施工协调会等涉及监测内容的会议记录。,