城市地下工程监测与信息反馈技术.ppt
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1、城市地下工程监测与反馈技 术 *隧道集团有限公司 建筑之家 整理 2011年3月 一.城市地下工程主要特点与施工方法简介 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 八. 过大变形的工程措施 九.现代化自动监测内容 十.监测工程实例 内容简介 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 地质条件差 周边环境复杂 结构埋深浅、与临近结构相互影响 围岩稳定性难于判断 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
2、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。 具体分类见下图。 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。 同时考虑城市地下工程的特点,地质条件差、周围环境一般比较复 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结构 的状态,并及时反馈到设计与施工中去,以确保地下工程施工和周围建 (构)筑物安全。作为信息化施工的最基础工作,监测显得非常重要。 2.城市地下工程监
3、测的主要目的 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。 通过监测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。 通过监测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; 通过监测,收集数据,为以后的工程设计、施工及规范修改提 供参考和积累经验。 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 工程主要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,第二类是支护结构与周围地层(围岩与结构)相 互作用监测,第三类是
4、与结构相邻的周边环境的安全监测。 (2)根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目”和“选 测项目”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项目 类别类别监测项监测项 目监测仪监测仪 器测测点布置监测频监测频 率 应应 测测 项项 目 围围岩与支护结护结 构状态态 地质质素描及拱架支护护状态态 观观察 每一开挖环环 开挖面距监测监测 断面前后 2D时时12次/d 开挖面距监测监测 断面前后 5D时时1次/2d 开挖面距监测监测 断面前后 5D时时1次/周 地表、地表建筑、地下管线线 及结结构物沉降 水准仪仪和水准尺
5、每1050m一个断面 拱顶顶下沉水准仪仪和水准尺计计 每530m一个断面,每断面1 3对测对测 点 周边净边净 空收敛敛收敛计敛计 每5100m一个断面,每断面2 3测测点 岩体爆破地表质质点振动动速度 和噪声 声波仪仪及测测振仪仪 质质点振动动速度根据结结构要求设设 点,噪声根据规规定的测测距设设置 随爆破随时进时进 行 选选 测测 项项 目 围围岩与结结构内部位移多点位移计计、测测斜仪仪等 选择选择 代表性地段设监测设监测 断面 ,每断面23个测测孔 开挖面距监测监测 断面前后 2D时时12次/d 开挖面距监测监测 断面前后 5D时时1次/2d 开挖面距监测监测 断面前后 5D时时1次/周
6、 围围岩与支护结护结 构间压间压 力压压力传传感器 选择选择 代表性地段设监测设监测 断面 ,每断面1020个测测点 钢钢筋格栅栅拱架内力支柱压压力或其他测测力计计 选择选择 代表性地段设监测设监测 断面 ,每断面1020个测测点。 初期支护护、二次衬衬砌内力及 表面应应力 混凝土内的应变计应变计 或应应力 计计 每取代表性地段设监测设监测 断面, 每断面1020个测测点 锚锚杆内力、抗拔力及表面应应 力 锚锚杆测测力计计及拉拔器必要时进时进 行 盾构法工程主要监测项目 类别类别监测项监测项 目监测仪监测仪 器测测点布置监测频监测频 率 必 测测 项项 目 地表隆沉 水准仪仪和水准尺 每30m
7、一个断面 ,必要时时加密 开挖面距监测监测 断 面前后20m时时1 2次/d 开挖面距监测监测 断 面前后50m时时1 次/2d 开挖面距监测监测 断 面前后50m时时1 次/周 隧道隆沉 每510m一个断 面 选选 测测 项项 目 土体内部位移(垂 直和水平位移) 水准仪仪、测测斜仪仪 、分层层沉降仪仪 选择选择 代表地段设设 监测监测 断面 衬衬砌环环内力与变变形 压压力计计和应变传应变传 感器 选择选择 代表地段设设 监测监测 断面 土层应层应 力压压力计计和传传感器 选择选择 代表性地段 设监测设监测 断面 明挖法工程主要监测项目 (表1) (上海市工程建设规范地基基础设计规范(DGJ
8、07111999) 序 号 监测项监测项 目监测监测 目的 围护结围护结 构施工 基坑开挖 水泥土 围护墙围护墙 板式支护护 体系 放坡 开挖 1围护墙围护墙 (边边坡)顶顶水平位移了解支护结护结 构的最大水平位移量,必要时调时调 整基坑开 挖顺顺序和速度,确保基坑和周围环围环 境的安全; 2围护墙围护墙 (边边坡)顶顶沉降了解支护结护结 构的最大沉降量,必要时调时调 整基坑开挖顺顺 序和速度,确保基坑和周围环围环 境的安全; 3立柱沉降 4围护墙围护墙 水平位移了解支护结护结 构的最大水平位移量,必要时调时调 整基坑开 挖顺顺序和速度,确保基坑和周围环围环 境的安全; 5土体深层侧层侧 向位
9、移 6支撑或锚锚杆轴轴力了解支撑或锚锚杆轴轴力情况,判断支护结护结 构受力安全状 况 7基坑内外地下水位隧道开挖降水对对周围围地下水位下降的影响范围围和程度 8孔隙水压压力通过监测过监测 孔隙水压压力在施工过过程中的变变化情况,及时时 为为开挖、掘进进速度等提供可靠依据 9围护墙围护墙 体土压压力监测挡监测挡 士结结构在各种施工工况下的不稳稳定因素,以便 及时时采取相应应的措施保证证施工安全 10坑底隆起(回弹弹)优优化施工方案(如挖土速率、底板浇浇筑时间时间 等);确 保基坑支护结护结 构和周围环围环 境的安全 11裂缝监缝监 测测 邻邻近建筑物了解施工过过程中地表、地下管线线、建筑物沉降与
10、倾倾斜情 况,评评估周边环边环 境是否安全 12邻邻近地表 13邻邻近建筑物沉降 14邻邻近地下管线线水平、竖竖向位移 建筑基坑支护技术规程(JGJ1209)规定的基坑侧 壁安全等级及重要性系数,以及据此等级确定的基坑监测项 目。 (表2) 安全等级级一级级二级级三级级 破坏后果很严严重一般不严严重 重要性系数。110100090 监测项监测项 目 支护结护结构水平位移 周围围建筑物、地下管线变线变形 地下水位 桩桩、墙墙内力 锚锚杆拉力 支撑轴轴力 立柱变变形 土体分层竖层竖向位移 支护结护结构界面上侧侧向压压力 注:1破坏后果系指支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境和地下结构施工
11、影响程度,2 有特殊要求的建筑基坑侧壁安全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、市政、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
12、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行调整 。 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)按环境保护要求确定最 大允许地表沉降值 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
13、,则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。 建筑物结结构类类型/L(L为为建筑 物长长度,为为差 异沉降) 建筑物反映 一般砖墙砖墙承重结结构 ,包括有内框架及 建筑物长长与高之比 小于10,有圈梁, 有基础础 1/150分隔墙墙和承重墙墙出现现相 当多的裂缝缝,可能发发生 结结构破坏 一般钢钢筋混凝土框 架结结构 1/150发发生严严重变变形 1/500开始出现现裂缝缝 高层刚层刚性建筑(箱 型基础础、桩桩基) 1/250可观观察到建筑物倾倾斜 有桥桥式行车车的单层单层 排架结结构的厂房, 浅基础础或桩桩基 1/300桥桥式行车车运转转困
14、难难, 若不调调整轨轨面水平方向 ,行车难车难以运行,分隔 墙墙有裂缝缝 有斜撑的框架结结构1/600处处于安全极限状态态 对对差异沉降反应应敏 感的机器基础础 1/850机器使用可能发发生困难难 ,处处于可运行的极限状 态态 从建筑物安全角度分两种情况介绍最 大允许地表沉降值的确定方法。 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。
15、不均匀沉降由Peck公式求得: 如果令u等于建筑物不均匀沉降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),于是,按下式计算最大允许地表沉降值。 根据建筑物的容许不均匀沉降差计算出的最大允许地表沉降值 。如下式: 根据建筑物的容许倾斜率计算出的最大允许地表沉降值。 如下式: 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(不均匀沉降)达 到最大故以此极限条件下的坡度值一一极限坡度小于 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
16、物的允许倾斜 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
17、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 从考虑地层及支护结
18、构稳定性确定最大允许地表沉降值就是从保证施工安全的角度,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。 城市地下工程浅埋暗挖法施工经验及国内外的经验均表明,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: 于是得到最大允许地表沉降计算公式如下。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
19、沉降值; i一一曲线拐点到中心的距离,可通过回归求得; 从上面的分析可知,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。 2.地下工程支护结构(围岩)稳定控制基准确定方法 (1)根据支护结构的稳定性确定 对初期支护结构稳定性起决定作用的是结构的抗弯刚度。为 研究方便,对隧道参数Em、D等进行处理,使其变成无量纲的 新参数,如下式。 式中:ur地层某点位移; D隧道跨度; EI支护结构抗弯刚度; Em围岩(地层)的变形系数; R隧道的等效半径。 根据设计,绘制围
20、岩位移支护刚度曲线,为了便于现 场监测进行验证,仅取隧道拱顶位移A、起拱线位移B两条曲线 ,并在图上绘制u=u(直线C),如图所示。从图中可看:围 岩位移支护刚度曲线存在一个明显的拐点,如果围岩控制 位移较小,C与A、B相交在拐点左侧,要达到控制围岩位移的 目的,必然支护刚度要求很大,而C与A、B相交在拐点右侧, 随着支护刚度的减小,围岩位移迅速增大,交点在拐点附近, 则既让围岩产生一定的位移,又使支护结构在较小的刚度条件 下安全工作,从而达到经济、安全的目的。因此而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
21、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 移基准值时必须考虑周边环境安全,即要考虑地表沉降要求的影响。 1.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。 2.山岭隧道对地表沉降没有严格要求,位移基准值可以适当定大些。 世界各国根据在实践经验基础上,给出了相应的控制基准。但作为城市地下工程 变形控制基准时,应考虑周边环境的承受能力,通常要考虑地表沉降控制要求确定 。 (3)利用现场监测结果和工程经验对预先确定的位移值进行修正 在预先确定位移允许值的条件下,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
22、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。 3.国内外主要监测项目控制基准值 (1)暗挖隧道主要监测项目控制基准值 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 土支护技术规范(GB50086-2001)规定值,即下表所列的数值。 覆土厚度(m) 围围岩级别级别 300 0.10.30.20.50.41.2 0.150.50.41.20.82.0 0.20.80.61.61.03.0 法国工业部制定的隧道位移基准值如下表(隧道断面50100 m2),可作为初选位移基准的参考
23、值。 隧道埋深 (m) 洞内拱顶顶容许许下沉(mm)地表容许许下沉(mm) 硬岩软软岩硬岩软软岩 10501020205010202050 5010020601002002060150300 1005005010050100200400 5007504012020040040120300600 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。 围围岩类别类别净净空变变化值值(mm) 单单 线线双 线线 75150 257550150 2550 日本新宇佐美隧道对软弱膨胀性
24、岩体位移基准值的规定如下 表所列。 地层层条件覆盖层层厚度(m) 位移基准值值(cm ) 开挖半径(m) 变质变质 安山岩等 010053.45 10020053.50 200以上103.60 温泉余土 0100103.50 100200153.60 200以上203.70 我国北京、广州根据地区经验,提出地铁工程施 工相应的监测控制基准。 北京地铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值 监测项监测项 目 基准 值值 位移平均和最大速度控制值值( mm/d) 地表沉降区间间30平均:2 最大:5车车站60 拱底隆起区间间10 车车站10 拱顶顶下沉区间间60平均:2 最大:5车车站120 水平收敛敛区间
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