第14章城市地下工程監(jiān)測與信息反饋技術(shù)

地下工程監(jiān)測與信息反饋技術(shù)一.地下工程主要特點與施工方法二.施工監(jiān)測的意義與的目三.主要監(jiān)測項目四.控制基準的確定五.施工監(jiān)測組織與實施六.主要監(jiān)測項目實施方法七.信息反饋技術(shù)八.控制過大變形的工程技術(shù)措施九.現(xiàn)代化自動監(jiān)測內(nèi)容十.監(jiān)測工程實例主要內(nèi)容一、地下工程主要特點與施工方法1.(城市）地下工程的主要特點地質(zhì)條件差（多為軟弱圍巖、軟弱不均、地下水）周邊環(huán)境復雜（建筑物、地下管線等）結(jié)構(gòu)埋深淺、與臨近結(jié)構(gòu)相互影響荷載的不確定性圍巖和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性難于判斷B.建筑物相鄰柱基L大于（等于）沉降槽拐點位置2i這種情況下，沉降對建筑物的影響既引起傾斜，同時基礎(chǔ)受彎。當建筑物處于受彎最不利位置，沉降量過大時，可能導至建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的斷裂及上部結(jié)構(gòu)壓性裂縫的產(chǎn)生。影響基礎(chǔ)變形的因素，如受力條件、荷載分布、建筑物等級不盡相同，難以進行分析，這里僅根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的極限應變采用下式計算最大允許沉降值。（2）根據(jù)地表沉降控制要求確定城市地下工程多為軟弱地層，且埋置深度淺，因此確定支護結(jié)構(gòu)（圍巖）允許位移基準值時還必須考慮周邊環(huán)境安全，即要考慮地表沉降要求的影響。城市地下工程通過城市建筑群要求地表沉降控制嚴格時，位移基準值應當控制得盡量小些。山嶺隧道對地表沉降沒有嚴格要求時，位移基準值可以適當定大些。（3）利用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對預先確定的位移值進行修正應根據(jù)具體工程的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和工程經(jīng)驗，分析圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)及周邊環(huán)境的安全狀況。對預先確定位移允許值進行修正，以確保最終確定的位移基準值是安全、經(jīng)濟、合理的。C、避免人為誤差由于測試人員的工作過失所引起的誤差，如讀錯儀表刻度（位數(shù)、正負號）、測點與測讀數(shù)據(jù)混淆、記錄錯誤等，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)不可允許的錯誤。避免人為誤差措施主要有加強監(jiān)測管理，規(guī)范監(jiān)測工作，加強人員培訓提高人員素質(zhì)。在數(shù)據(jù)處理時，此類誤差數(shù)值一般很大，必需從測量數(shù)據(jù)中剔除。D、不完整（或缺損）數(shù)據(jù)的處理在監(jiān)測實施過程中，由于監(jiān)測儀器被破壞、測點埋設(shè)不及時、受施工干擾部分時間段數(shù)據(jù)沒有采集等原因，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整，以及如拱頂下沉、結(jié)構(gòu)收斂等監(jiān)測項目在監(jiān)測點埋設(shè)之前部分位移已經(jīng)發(fā)生。避免出現(xiàn)這類情況產(chǎn)生的主要措施：及時埋設(shè)測點，加強測點保護，加強監(jiān)測組織管理，協(xié)調(diào)好監(jiān)測與施工之間關(guān)系。對不完整數(shù)據(jù)的處理分析方法，一般有回歸分析法和類比法。（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理要求1）數(shù)據(jù)采集資料采集應嚴格按照監(jiān)測傳感器和儀表的原理及監(jiān)測方案規(guī)定的測試方法，堅持長期、連續(xù)、定人、定時、定儀器地進行采集，采用專用表格做好數(shù)據(jù)記錄和整理，保留原始資料。每次資料匯總前，測量人、記錄人、審核人、整理人簽名應齊全，以便各司其職，提高監(jiān)測人員的責任心。特別是在發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，應及時進行復測，并加密觀測的次數(shù)，防止對可能出現(xiàn)的危險情況先兆的誤報和漏報。當測量數(shù)據(jù)用人工錄入計算機時，更應進行數(shù)據(jù)的二次校核，以確保打印出的曲線圖表準確無誤。位移歷時回歸方程對地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂等變形的歷時曲線一般采用如下函數(shù)進行回歸。指數(shù)模型：

；對數(shù)模型：

；雙曲線模型：

；以上3式中：t——監(jiān)測時間（單位：日）；S——t時間對應的位移值；a、b——回歸系數(shù)。4.監(jiān)測信息反饋（1）監(jiān)測反饋的程序2.自動全站儀非接觸監(jiān)測系統(tǒng)（無尺量測）全站儀非接觸監(jiān)測系統(tǒng)采用先進全自動全站儀，具有自動目標識別、自動跟蹤、自動監(jiān)測的功能，該系統(tǒng)具有獲取信息及時、監(jiān)測精度高。且具有以下優(yōu)點：適應隧道惡劣環(huán)境；克服了傳統(tǒng)接觸量測在大跨度隧道中速度慢、誤差大等缺點；自動化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、觀測安全快速。1）無尺量測系統(tǒng)的組成無尺量測系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。a）現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由量測儀器和觀測點組成。量測儀器選用高精度全站儀（配機載量測軟件）。測距精度要求達到1mm＋2ppm或以上、測角精度要求達到1″或以上；觀測點可采用反射膜片或小棱鏡，反射膜片為20×20的正方形，由丙烯酸脂制成，反射膜片貼在保護

器中。安裝在隧道中使用。b）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用“隧道圍巖變形分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有自動傳輸數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)庫、對數(shù)據(jù)進行回歸分析、可輸出各種變形曲線、報表的功能。c）測點布設(shè)測點由基座與保護盒兩部分組成，基座由15cm長角鋼及30cm長φ25的鋼筋焊接而成，待掌子面開挖完畢后，將其固定在初支上。無尺量測測點及保護盒無尺量測線布置圖d）觀測方法采用自由測站法進行進行洞室變形觀測。量測時，將儀器架設(shè)至任意與測點通視位置后，設(shè)定儀器參數(shù)，每測站由全站儀自動觀測六測回。為減小測試誤差，對同一斷面進行左右測站測試。無尺量測洞內(nèi)監(jiān)測圖e）數(shù)據(jù)處理由全站儀自動將數(shù)據(jù)記錄在儀器自帶的PC卡上，待全部斷面測試完畢后，用專用軟件將全站儀內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸至電腦內(nèi)，由處理程序?qū)F(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下圖。無尺量測后處理程序界面4.遠程監(jiān)測系統(tǒng)----凈力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)一般建（構(gòu)）筑物，如普通民居、市政橋梁、管線等可采取常規(guī)地表沉降的監(jiān)測方法進行監(jiān)測。但對于一些特殊結(jié)構(gòu)，如；樁基托換過程中的高層建筑物，運營中的地鐵線路，交通繁忙的鐵路、公路橋梁等，常規(guī)監(jiān)測方法實施的難度特別大，信息反饋的時效性不能滿足要求。根據(jù)工程的實際需要，必要時可采用遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。遠程監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場采集系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)兩部分組成。將傳感器埋設(shè)在待測結(jié)構(gòu)上，并連接在數(shù)據(jù)采集儀上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可在無人值守狀態(tài)下，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集。遠程監(jiān)測在北京地鐵五號線靜力水準儀布置圖靜力水準儀數(shù)據(jù)采集儀為連接遠程監(jiān)控中心及監(jiān)測傳感器的中繼站，直接控制傳感器，并將傳感器的信號進行編譯傳輸至監(jiān)測中心。遠程監(jiān)測在北京地鐵五號線的數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)采集儀管幕施工沉降4.82mm導洞施工沉降17.48mm天地梁施工沉降1.42mm導洞施工穿越既有線時結(jié)構(gòu)沉降速率增大最大速率約為1mm/day中洞施工沉降2.47mm側(cè)洞管幕施工階段3.51mm遠程監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形歷時曲線圖十、監(jiān)測實例廣州地鐵一號線某區(qū)間隧道工程1．工程概況該區(qū)間隧道工程采用淺埋暗挖法施工，采用復合式襯砌支護結(jié)構(gòu)，周邊環(huán)境復雜，穿越自來水廠和天河村密集居民區(qū)等，地層為I~III類圍巖，主要為強中風化帶巖層及殘積土層，地下水豐富。區(qū)間內(nèi)有極易液化的流砂層，隧道埋深12．2～18．5m，為廣州地鐵一號線地層最復雜，施工難度最大的區(qū)間之一。2．監(jiān)測項目及控制基準（1）監(jiān)測項目序號監(jiān)測項目監(jiān)測儀器監(jiān)測目的監(jiān)測頻率1地表沉降水準儀和水準尺了解施工過程中地表沉降情況開挖面距監(jiān)測斷面前后＜2B時1～2次/d開挖面距監(jiān)測斷面前后＜5B時1次/2d開挖面距監(jiān)測斷面前后＞5B時1次/周2地表建筑沉降與傾斜水準儀和水準尺了解施工過程中建筑物沉降與傾斜情況，評估建筑物建筑物是否安全3拱頂下沉水準儀和水準尺計了解施工過程中初期支護結(jié)構(gòu)變形情況4周邊凈空收斂收斂計了解施工過程中初期支護結(jié)構(gòu)變形情況5地中土體垂直位移NC－50型分層沉降儀，沉降管了解施工過程中地層不同深度的垂直變形情況6地中土體水平位移SINCO測斜儀、測斜管等了解施工過程中地層不同深度的水平變形情況7圍巖壓力壓力傳感器了解施工過程中初期支護結(jié)構(gòu)的荷載分布情況8鋼筋格柵拱架應力支柱壓力或其他測力計了解施工過程中初期支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況9地下水位水位計、水位管等了解施工對地下水位影響10爆破振動速度聲波儀及測振儀了解爆破引起地表及建筑物的震動情況隨爆破隨時進行（2）控制基準監(jiān)測項目控制范圍控制標準地表下沉I、II類圍巖3OmmIII、IV類圍巖20mm拱頂下沉及凈空收斂I類圍巖50mmII類圍巖30mmIII、類圍巖20mm位移速度I、II類圍巖5mm/dayIII、IV類圍巖3mm/day建筑物傾斜全線3%。2.監(jiān)測結(jié)果分析（1）地表沉降1）地表縱向沉降規(guī)律從圖中可以看出，地表沉降的變化過程可分為四個階段：地表測點沉降歷程曲線圖微小沉降階段：當掌子面開挖到與測點距離－2．0D～－1．0D時，開始對地表產(chǎn)生一定的影響，沉降值約占總沉降值的10～15%左右。沉降急劇增大階段：隨著掌子面向前推進，距測點在－

1D～3D內(nèi)時，地表沉降速率加速增長，沉降值急劇增大，此階段沉降值約占總沉降值的60～70%左右，為施工過程中主要沉降階段。緩慢沉降階段：當掌子面向前開挖超過測點3．0D以后，

沉降速率開始減小，沉降值緩慢增加，沉降曲線開始收斂，一直延續(xù)到5．0D，此階段沉降值約占總沉降值的10～15%左右。沉降基本穩(wěn)定階段：當掌子面距測點5．0D后，沉降增長緩慢，直至延續(xù)時8．0D，地層趨向穩(wěn)定狀態(tài)，此階段沉降值約占沉降值的5%左右。采用非線性最小二乘法進行回歸分析，得到Ⅱ、Ⅲ類圍巖的地表沉降曲線的回歸方程如下：Ⅱ類Ⅲ類2）橫向地表沉降Ⅱ～III為類圍巖地表橫向沉降實測曲線Ⅱ類圍巖地表橫向沉降曲線Ⅲ類圍巖地表橫向沉降曲線采用Peck公式法對實測數(shù)據(jù)進行橫向地表沉降規(guī)律分析，得到各類圍巖橫向地表沉降曲線參數(shù)見下表：圍巖類別δi橫向影響范圍Ⅱ16．89．5250Ⅲ12．810．5150Ⅳ4．74．8520（2）拱頂下沉實測拱頂下沉統(tǒng)計值見下表。圍巖類別平均沉降值（mm）最大沉降值（mm）Ⅰ類13．024．1Ⅱ類（一般地段）19．140．8Ⅱ類（人工填土段）48．593．3Ⅲ類4．124．9Ⅳ類1．56．52）回歸方程根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得Ⅱ～Ⅳ類圍巖拱頂下沉的回歸方程如下：Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類

Ⅳ類3）沉降歷時分析除個別測點外，拱頂下沉值一般小于50mm；上半斷面開挖引起的下沉值占總下沉的60％左右；縱向影響范圍約為下半斷面通過后的2～3倍洞徑；初期拱頂下沉速度較大，1倍洞徑范圍內(nèi)為快速沉降區(qū)，其下沉值約占總下沉值的70～75％。1～2倍洞徑范圍內(nèi)，下沉速度開始減緩，該段屬于緩慢下沉階段，下沉值約占總下沉值的20～25％。測點距掌子面超過2倍洞徑，下沉開始收斂，該段屬于下沉基本穩(wěn)定階段，下沉值約占總下沉值的5～10％。拱頂下沉歷程回歸曲線（3）凈空收斂收斂監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分析如下表。圍巖類別平均收斂值（mm）最大收斂值（mm）Ⅰ類1．073．18Ⅱ類2．747．68Ⅲ類0．851．12Ⅳ類0．500．83（4）地中垂直與水平位移類圍巖地中水平與垂直位移圖（5）圍巖壓力實測圍巖壓力分布圖（6）初期支護應力監(jiān)測實測拱架彎距分布圖Ⅱ類實測拱架軸力分布圖Ⅲ類Ⅰ類（7）爆破振動速度監(jiān)測采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式對爆破振動速度監(jiān)測結(jié)果進行回歸，求得薩道夫斯基經(jīng)驗公式中地震波衰減系數(shù)K=110，α=2．0，為后續(xù)鉆爆設(shè)計

提供了依據(jù)，確保了微振爆破的實施。本區(qū)間爆破振動監(jiān)測結(jié)果見表。監(jiān)測對象最大振動速度一般地段0．80cm/s天河村地表房屋1．21

cm/s立交橋1．84

cm/s水廠蓄水池1．31

cm/s支護結(jié)構(gòu)（小于一倍洞徑）6．2

cm/s支護結(jié)構(gòu)（大于一倍洞徑）4．8

cm/s4.監(jiān)測信息反饋沉降過大的原因分析在隧道開挖過程中，地表沉降突增，拱頂下沉也由之前的最大40．8mm增加到63．3mm，經(jīng)調(diào)查，該段隧道上部穿過的地層實變?yōu)橛倌酄罨ò咄?，此處為人工?/p>

塘，之后在上方蓋起了五層樓房若干棟，經(jīng)分析引起地表及拱頂下沉突增的原因有：拱頂下沉突增，而水平收斂較小，說明支護結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為整體下沉，說明上半斷面的拱腳處地基承載力不足；開挖面土體的含水量25～30％，同時注漿未達到預定效果，造成地下水流失