【DOC】毕业设计论文 城市地下工程测试与监测技术 (2).doc
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1、山东科技大学学生毕业设计(论文)第一篇 城市地下工程测试与监测技术第一章 绪论1.1 当前地下工程监测技术的发展概况及存在问题随着地下工程数量的增加及科学技术的发展,监测技术也发生了日新月异的变化。同时,工程的需求也给监测技术提出了新的要求。特别是“信息反馈”已成为喷锚构筑法中具有重要作用的施工环节之后,诸如监测技术的现状、发展趋势及不足等为题均有了调查与研究的必要。这对监控技术的有效应用、监控系统的形成及规范化研究等都是极为有利的。本文即是基于这一目的,在大量调查资料的基础上,对上述问题的一些看法提出来与各位专家、学者共商。1.1.1 监测技术在地下工程中的地位和作用1.1.1 .1 地位地
2、下工程是地质工程系统范畴的一个方面。其特点在于整个工程结构建筑于地质体中。它包括交通隧道、城市地下建筑、地下矿产开采及饮水隧道等工程。在地质体中修建构筑物,构筑物的稳定性、经济性及长期有效性,是工程建设者们绞尽脑汁所期盼达到的目标。“喷锚构筑法”的引入,支护特征曲线的研究、支护结构形式、施工方法、工艺、各类地质体基本力学性质及工程特性的研究等等,无一例外地都是为了达到这一目标而付出的努力。近年来提出的工程地质控制论,使得以往对岩石(体)力学与工程间关系的模糊概念变得清晰起来。它高度概括了为达到上述目的所进行的工作:工程地质控制论是研究工程系统的控制与调节规律的科学;是实践经验,建设需要、力学分
3、析、环境影响评价及工程技术融合的结晶。其目的亦是采用有效的调控技术,通过反馈调节,实时的控制岩体变形,从而获得地质工程系统的最佳效益。目前,在地下工程界,量测监控技术已成为自始至终不可或缺的环节之一。这是工程设计者和建设者们感知外界信息的媒介,没有它,建设者们就好比瞎子,聋子。整个反馈系统将变成瘫痪,从而使工程陷入盲目与经验的泥潭。因此说,监测技术在地下工程界中起着极为重要的前哨作用。1.1.1.2 作用监测技术在地下工程界的作用大致有以下三方面:1.岩体基本力学参数的测定在工程设计与施工过程中,对地质体物理,力学、环境等常规参数的测定,以提供工程设计与修正的参数。2.现场实时监测与反馈在施工
4、过程中,通过各种测试手段,对地质体及构筑物的宏观力学行为及规律进行监测与控制。这一过程贯穿整个工程的始末,涉及到地质体本身诸方面的力学因素,环境因素、调控技术、工程设计,施工工艺、甚至于基础理论、投资与规划等领域。它是工程安全与经济的保障。3.科学研究的手段岩体工程是一个边缘学科,其发展的历程亦是一个逐步认识的过程。它的基本概念和基本理论还处于不断认识与建立之中。工程的力学分析与研究尚需长期不断的继续与努力,而测设技术亦成为其不可缺少的研究手段之一。1.1.2 监测技术的原理与方法地下工程现场监测技术,是用量测手段对工程进行综合监测与调节的技术。它是通过各种测量技术与原器件实现的。测量原理即是
5、指被测对象的测量所依据的科学原理。而地下工程测量对象的多样性,复杂性,使得监测技术原理及近代物理学,微电子学,热力学,流体力学、固体力学、光学、电磁学、射线技术、无损检测、工程数学等等诸多学科。测试技术的方法是一种比较的方法,即将被测对象与同性质的已知量进行比较。后者是对那些不能或不便用直接法测量获得被测值的场合。它常需将被测量按一定的线性函数关系与其相应的物理量进行直接测量,然后根据函数式计算出被测的量值,显然由于被测量经过了多次转换,测量误差必然增加。从以上分析可以看出,要正确、有效的应用监测技术,必须对测量原理与方法进行正确,有效的选择。1.1.3 监测技术的现状及发展趋势基于监测技术在
6、工程中的重要作用,科学技术的迅速发展以及工程对优质,高效监控技术的渴求,使得对监测技术的深入了解和研究变得迫切起来。从统计数据及对测量原理,功能。先进性及现场适用性等因素的分析研究,得出当前地下工程监测技术的现状和发展方向。1.1.3.1 现状1.监测技术的主要监测对象是以位移,应力、应变测量为主。2.测量方法在静态测试中以直接法为主,而在动态测试中则以间接测量为主。3.传感原理以振弦式,磁电式传感器应用范围最广。4.国内量测设备的监控自动化程度低于国外同类产品。1.1.3.2 发展方向1. 量测设备向着小型化,轻便化、多功能化、遥测化和自动化的方向发展。大规模集成电路构成的微处理器的出现,使
7、得传统的模拟信号处理系统逐渐向智能化测试系统演变。因而拓宽了测试功能,提高了测试精度和速度。由机内软件作媒介,使得智能测试系统能完成自动调零,自动量程、自动测试、记录、绘图、制表等功能。借助与计算机,智能测试系统还能完成对由于环境温度,湿度、大气压力等变化所产生的测量误差进行自动修正,从而提高了在线测量精度。例如:用于坑道位移测试的系统中,各种沉降仪系统,倾斜仪系统都出现了具有器件体积小,功能多,结构简单,灵敏度高,分离元件少及成本低为特点的测试仪器。具代表性的器件如:自动存储的测斜仪,无线电式多点位移计,SSD-A. B型自动记录伸缩仪,NIVOMTIC水平系统等。2. 新型传感元器件的产生
8、随着科研与工程实践的发展需要,在传感元器件上涌现出许多以崭新的测试原理和方法见长的新型传感器、特殊材料及传感元器件。根据不同的用途,传感器可概括为十类:光色传感器、图像传感器、速度、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、流量、液位传感器、力、力矩、压力传感器。近年来出现的超声波传感器、声发射传感器、电式传感器等,在材料的选择,制造方法、工艺及测量方法上均有了很大的进展。使得一些体积小、精度高、性能稳定、具遥测性和智能化的传感器逐渐应用到地下工程监测技术中。1.1.4 存在问题通过对调查资料研究发现,要提高地下工程监测水平,从而深化地下工程的理论与应用研究,提高研究效率,在监测领域中除了继续研制
9、新型,先进的传感元器件,提高测试精度及工程适应性外,还应在规范化管理上做些工作,来提高监测数据的使用价值。当前监测技术存在的问题有:1.同类测试对象的传感原理及方法多样。数据的可比性差,测读系统各成体系,不利于自动化监测系统的形成。2.通用性测试器件少,测试无统一标准。3.传感器元器件的智能化程度不同。1.2 地下工程信息化设计施工技术1.2.1地下工程信息化设计概念地下工程稳定性与许多因素有关,如围岩的构造、岩土体材料的物理力学特性、初始地应力、地下水作用等等。现有设计方法是根据事先确定的因素,建立某种物理、数学模型,再利用各种解析方法、数值方法等进行稳定性判断并提出最优开挖方案。但由于地应
10、力的分布千差万别,岩土体的非均匀性、各向异性及非线性,渗流与岩土应力耦合的关系很难得出较满意的结果,使得反映岩土体特性的本构关系模型难以与岩土体的实际性质完全一致。要解决上述问题必须提出一种新的围岩稳定评价方法和设计方法地下工程信息化设计。 地下工程信息化施工技术与原有的计算模型、计算方法相结合,充分发挥各自的长处,可以说以施工监测和信息为显著特征的地下工程信息化设计,是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成一体的地下工程设计方法。与其它方法不同的是信息化设计要求在施工过程中布置监测系统,从围岩的开挖和支护过程获得围岩稳定性和支护设施工作状态信息。通过分析研究这些信息,可以间接地描述围岩的稳定
11、性和支护的作用,以确定新的围岩及支护参数,并反馈于设计和施工决策。在地下工程信息化施工过程中,量测信息可以作为输入量反演计算围岩的物理力学参数,检验地质信息的正确性,并利用反演分析求得的围岩力学参数,应用有限元等数值方法对工程施工过程围岩稳定性进行计算分析,进而指导工程后续施工。1.2.2地下工程信息化设计技术的三个环1.2.2.1信息采集施工监测施工监测可以把隧道开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据,把施工监测所获得的信息加以处理,与工程类比的经验方法相结合,建立一些必要的判断准则,借以直接利用量测结果(经处理)及时调整、确定支护参数或进行施工决策。
12、在新奥法施工中,位移是最值得推荐的测试项目。隧道周边点的位移,是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反映,易于建立一些准则,来实现量测结果的反馈1.2.2.2信息处理反演分析反演分析法是利用施工监测到的岩土体的一些基础信息,通过计算来求解岩土体的参数。其目的是把施工监测中采集到的新信息和资料以及由此通过反演分析获得的结果反馈到设计中去,对施工设计提出改进性意见或修改方案。由于施工期时间紧促,而且在施工中不断修改设计,因而对修改的施工设计方案和图纸要在短期内完成,此外,还要考虑修改后的方案与整体工程的协调配套问题,故应借助计算机辅助技术、优化方法、人工智能等手段来完成复杂的施工与反馈分析
13、过程1.2.2.3信息反馈稳定分析隧道稳定问题主要是一个岩土体结构问题,应力状态是通过岩土体结构的力学效应而表现出来的,因此,一方面通过观测或量测围岩的应力状态可以认识岩土体结构,另一方面,可将由反演分析得到的岩土力学参数,应用于稳定分析计算。评价隧洞围岩的稳定性,实质就是分析洞室围岩在工作过程中的应力和变形。对埋深大、围岩完好的隧洞,研究重点一般放在对围岩承载能力的研究上,即以围岩实际的应力水平来作为判断围岩稳定性的依据;而对埋深浅、围岩较破碎的隧洞,研究重点则应放在对围岩能允许多大位移移的研究上,即以围岩实际的位移多少来作为围岩稳定性的判断依据。通过对围岩稳定性的分析,一方面以此来指导工程
14、的后续施工,采取合理的支护措施,以最小的代价获得最合适的安全程度;另一方面可以为类似地质条件的工程提供第一手可靠的经验资料。该施工方法已在一些地下工程中开始应用。如在南京城北水厂输水隧洞工程中采用,取得了较好的成果,但总的来说在地下工程中应用还不多。以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计,是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成一体的地下工程设计方法,是一种理想的设计方法,易于一般工程技术人员理解,易于计算机实现,是今后地下工程施工方法的发展方向为了保证地下工程施工达到优质、高效、经济、安全的目的,故在优化施工技术方案时要因地制宜选择施工技术方法;此外,特别要关注控制对地面环境的影响。第二
15、章 量测理论在隧道工程中,量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛,是监视围岩是否安全稳定的手段,它始终伴随着施工的全过程,同时也是进行施工管理的一个积极手段。通过多种量测手段,对开挖后隧道围岩进行动态监测,并以此指导隧道支护结构的设计与施工,其理论是建立在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上,并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响。它集中体现在支护结构种类、支护结构的构筑时机、岩体压力、围岩变形四者的关系上,贯穿在不断变更的设计与施工过程中。新奥法量测工作是伴随施工过程同时进行的,是新奥法构筑隧道中十分重要的部分,它既监视围岩是否安全稳定,又检验支护结构是否合理
16、。因此量测工作是监视工程设计和施工是否正确的指针。2.1 量测项目及其分类隧道施工的监测旨在收集可反映施工过程中围岩的动态信息,据以判定隧道围岩一支护体系的稳定状态,以及所定支护结构参数和施工方法的合理性。现场监控量测根据其量测目的(是否用于现场施工的常规量测)、量测手段等不同,在实际工作中,常将量测项目分为必测项目和选测项目两大类。2.1.1 必测项目必测项目是在施工过程中必须进行的常规量测项目,是为了在设计、施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状态,指导设计施工的经常性量测。这类量测通常测试方法简单、费用少、可靠性高,但对监视围岩稳定、指导设计施工却有巨大的作用。必测项目是新奥法的重点,主
17、要包括:隧道内目测观察、隧道净空收敛量测、地表沉降量测,拱顶下沉量测、锚杆拉拔力量测。1. 隧道内目测观察在地下工程中,开挖前的地质勘探工作很难提供非常准确的地质资料,所以,在隧道过程中对前进的开挖工作面附近围岩的岩石性质、状态应进行目测,对开挖后动态进行目测,对被覆后围岩动态进行目测,在新奥法量测项目中占有很重要的地位。(1)观察目的预测开挖面前方的地质条件;为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据;根据喷层表面状态及锚杆的工作状态,分析支护结构的可靠程度。(2)目测观察内容对开挖后没有支护的围岩进行目测,主要是了解开挖工作面的工程地质和水文地质条件(岩质种类和分布状态,境界面位置的状态;岩性特
18、征:岩石的颜色、成分、结构、构造;地层时代归属及产状;节理性质、组数、间距、规模,节理裂隙的发育程度和方向性,断面状态特征,充填物的类型和产状等;断层的性质、产状、破碎带宽度、特征;地下水类型,涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水的化学成分,湿度等;开挖工作面的稳定状态,顶板有无剥落现象);开挖后己支护段的目测内容(初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝善的描述和记录;有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象;喷混凝土是否产生裂隙或剥离,要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏;有无锚杆和喷混凝土施工质量问题:钢拱架有无被压屈现象;是否有底鼓现象)。-2. 隧道净空收敛量测隧道新奥法施工,比较强调研究围
19、岩变形,因为岩体变形是其应力形态变化的最直观反映,对于地下空间的稳定能提供可靠的信息,也比较容易测得。围岩的变形特征,除了可以进行围岩稳定性评价和支护结构的设计外,由于它本身包含了岩性和岩体应力等信息,所以也是对隧道围岩进行分类的重要依据。(1)净空收敛位移量测目的周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映,量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息;根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度为二次衬砌提供合理的支护时机;指导现场设计与施工。(2)净空收敛位移量测内容隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛,所谓隧道收敛位移量测主要是指对隧道壁面两点间水平距离的变形量的量测,拱顶下沉以及底板
20、隆起位移量的量测等。它是判断围岩动态的最主要的量测项目,特别是当围岩为垂直岩层时,净空收敛位移量测更具有非常重要的意义,这项量测设备简单、操作方便,对围岩动态监测所起的作用都很大,在各个项目量测中,如果能找出挣空收敛位移与其他量测项目之间的规律性时,还可省掉一些其他项目的量测。3. 地表沉降量测浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中,施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表有害下沉,当地表有建筑物时会危及其安全。因此,地表沉降量测对浅埋隧道的施工是十分重要的。(1)地表沉降量测目的地表沉降量测的目的主要在于了解以下内容:地表沉降的范围以及沉降量的大小;地表沉降量随工作面推进的变化规律;地表
21、下沉稳定的时间。(2)地表沉降量测内容对于浅埋隧道地表沉降以及沉降的发展趋势是判断隧道围岩稳定性的一个重要标志。用水平仪在地面量测,简易可行,量测结果能反映浅埋隧道开挖过程中围岩变形的全过程。浅埋隧道地表下沉量测的重要性随埋深变浅而增大。4. 拱顶下沉量测隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值,单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。拱顶下沉量测也属位移量测,对于埋深较浅、固结程度低的地层,水平成层的场合,这项量测比收敛量测更为重要,其量测数据是判断支护效果、指导施工工序、保证施工质量和安全的最基本的资料。5.锚杆抗拔力量测锚杆抗拔力(亦称锚杆拉拔力)是指锚杆能够承受的最大拉力,它是锚杆材料、加
22、工与施工安装质量优劣的综合反映。锚杆抗拔力的大小直接影响着锚杆的作用效果,如果抗拔力不足,会使锚杆起不到锚固围岩的作用,所以锚杆抗拔力的量测是检测锚杆质量的一项基本内容,是新奥法监控量测的必测项目。 量测目的:测定锚杆的锚固力是否达到设计要求;判断所使用的锚杆长度是否适宜;检查锚杆安装质量。2.1.2 选测项目选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行的补充测试,以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及喷锚支护的效果,为未开挖区段的设计与施工积累现场资料。这类量测项目测试较为麻烦,量测项目较多,费用较高。因此,在实际工作中,除了有特殊量测任务的地段外,一般根据需要选择其中一些必要的项
23、目进行量测。1. 锚杆轴力量测锚杆轴向力的测定属于选测项目,根据科研和生产的需要,首先在隧道内选择拟测岩层,再结合隧道开挖等情况,选择好钻孔位置,以便于钻孔施工。锚杆轴力量测目的:了解锚杆受力状态及轴向力的大小:隧道开挖后随着围岩发生变形而产生锚杆轴向力,在围岩变形稳定前锚杆的轴向力是不断增加的,量测锚杆轴向力的大小是为了弄清锚杆的负荷状态,为确定合理的锚杆参数提供依据;判断围岩变形的发展趋势,概略判断围岩内强度下降区的界限:一般把从隧道壁面至变形量最大处称为隧道围岩的扰动圈,于是可为锚杆参数设计提供了一定依据;评价锚杆的支护效果:锚杆轴向力是检验锚杆支护效果与锚杆强度的依据,根据锚杆极限抗拉
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