地下工程监控量测及新支护技术发展

2019/8/10提纲1地下工程监控量测及新支护技术发展现状徐干成空军工程设计研究局2019/8/10提纲2本讲主要内容第一部分地下工程监控技术的发展第二部分地下工程新材料技术的发展2019/8/10提纲3第一部分地下工程监控技术的发展2019/8/10提纲4一.引论1.地下工程（或地下空间）的定义*介质力学的角度——凡是处于千变万化的地质体之中，其结构本身与地层（围岩）紧密接触和相互传递作用的工程建筑物。*典型实例——交通隧道、地下铁道、水电输水隧洞、城市地下商场与车库、军用洞室、大型建筑物的地下室（深基坑）等等。2019/8/10提纲52.地下工程的受力特点（1）地下工程是在自然状态下的岩土地质体内开挖的，地质环境对支护结构设计有着决定性意义；（2）地下工程周围的地质体不仅对支护结构产生荷载，同时它本身又是承载体；（3）作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时机的影响；（4）地下工程支护结构安全与否，既要考虑支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳；（5）地下工程支护结构设计的关键在于充分发挥围岩自承力。2019/8/10提纲63.地下工程施工的复杂力学过程*开挖*地质体原始地应力体系被打破*形成二次地应力发生变形*初期支护*抑制地层的变形*变形收敛*后期支护*形成三次地应力并达到力学平衡2019/8/10提纲72019/8/10提纲83.地面工程与地下工程的基本区别*作用体系——地面工程：一般只与地基相互作用，是空间自由状态的作用体系。地下工程：与周围地层密切相关，是二者共同作用体系。*外荷——地面工程：已知的，明确的。地下工程：由于地质体和围岩的千变万化性，迄今仍是有待解决的不确定性问题。2019/8/10提纲9地下工程支护结构的设计无论在设计原理还是计算参数的选用上都比地面工程复杂，仿效地面结构，按假设荷载和岩块试件的力学参数作为计算依据，不可能获得精确的计算结果。目前，还没有一种很合理的地下支护结构的计算和设计方法。一般地，地下支护结构的设计都是采用以经验为基础的工程类比设计方法，再辅助以量测为手段的现场监控设计和计算为依据的理论分析法。如新奥法就是典型的代表。4.地下工程支护结构的设计方法2019/8/10提纲10新奥法是应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计和施工的方法和原则。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，英文为NewAustrianTunnellingMethod(NATM)。法国称为收敛约束法，有些国家称为动态观测设计施工法。5.新奥法的基本要点2019/8/10提纲11新奥法的基本要点可归纳如下：(1)开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大的断面开挖，以减少对围岩的扰动；(2)隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；(3)根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛；(4)在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定；(5)二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，2019/8/10提纲12因而提高了支护体系的安全度，并不增加衬砌厚度；(6)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；(7)通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工顺序、进行设计变更及日常的施工管理。(1)施工前预设计阶段施工前预设计是在认真研究测定资料基础上进行的，在这一阶段，一般很难完全详细地掌握实际的工程地质和水文地质资料，常常会有一定幅度的变动，故需要在施工中进行地质调查和现场监控量测，确认和修正预设计。6.新奥法隧道设计程序(2)信息反馈修改设计阶段(3)新奥法设计流程2019/8/10提纲13新奥法设计流程2019/8/10提纲147.信息化数据的理论计算处理——反分析技术（测试计算探索外荷）*地下工程现场位移测试值的获取*初步分析得到一般规律*假定几种外荷的组成形式和分配值*应用正常计算方法（如FEM法）计算*以计算位移值与测试位移值最近的1-2组外荷为选定值*经分析得到最理想的结果和特性曲线2019/8/10提纲158.信息化技术的法规性文件*GB50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范*ＴB10003-2005铁路隧道设计规范*GB50021-94岩土工程勘察规范*TB2035-88铁路隧道现场监控量测技术条件*TB10108-2001铁路隧道喷锚构筑法技术规范*CECS22:90土层锚杆设计与施工规范2019/8/10提纲16国标中关于信息化设计和施工的规定2019/8/10提纲172019/8/10提纲182019/8/10提纲19二.地下工程信息化施工实例2019/8/10提纲201.下坑铁路单线隧道施工*特点——软弱破碎围岩，覆盖层5-20m，全隧道采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网支护，突破了隧道设计规范必须至少采用一层模筑混凝土衬砌的规定。*信息反馈状况——特征曲线的三阶段：急剧变形阶段、缓慢增长阶段、基本稳定阶段。经800天长期监测,证明喷锚网支护的可行性和安全性。2019/8/10提纲212019/8/10提纲22.2.北京地铁永安里车站施工*特点——采用中桩支护体系的盖挖逆作法施工，三跨刚架式三层立体结构，跨度20.3m。该方法为国内首次采用。*信息反馈状况——施工全过程监测数据为：中桩最大下沉4㎜，边桩最大下沉小于19㎜，侧向位移6-8㎜，均小于安全允许值，证明工程安全可靠。2019/8/10提纲232019/8/10提纲24.3.北京月潭公园天外天地下商场施工*特点——为5连拱曲墙式结构，总跨度25.8m，覆盖层3.5m，复合式衬砌。*信息反馈状况——施工全过程地表下沉值一般为1-2㎜，只在5号洞地表由于大量浇水造成23㎜下沉，均小于安全允许值。2019/8/10提纲252019/8/10提纲26.4.深圳深南大道大跨度立交隧道施工*特点——4连拱直墙结构，总跨度45.4m，覆盖层厚仅2-4m。拱部采用湿喷混凝土一次成型技术，国内首次采用该项技术。*信息反馈状况——地表下沉一般均为10-20㎜，最大为30㎜，拱部最大跨度处钢筋应力为50-80Mpa，经长期监测，各项数据均达到安全可靠的目标。2019/8/10提纲27深南大道立交隧道施工程序2019/8/10提纲28深南大道立交隧道采用格栅钢架2019/8/10提纲29北京前门地下通道采用盖挖法施工2019/8/10提纲30三.现场测试仪器及元件概述2019/8/10提纲311.现场监控量测技术中的基本问题§监控量测技术中的若干基本概念和名词-非电量的电测法-一次、二次仪表-传感器-测试元件-遥测-率定-误差-精度-灵敏度-稳定性-重复性-非线性偏差2019/8/10提纲32§测试元件的基本原理-机械式原理-液压式原理-光弹式原理-光纤传感器原理-电阻式原理-振弦式原理-电感式原理§地下工程中常用的测试元件-钻孔式测试元件-相对位移式测试元件-结构顶部下沉式测试元件2019/8/10提纲332.常用测试仪表及新技术发展2019/8/10提纲34§常用机械式测试元件2019/8/10提纲35§常用收敛计2019/8/10提纲36§数显式收敛计2019/8/10提纲37§钻孔式位移计2019/8/10提纲38§多点式钻孔位移计的安设2019/8/10提纲39§普通测斜仪2019/8/10提纲40§遥感式测斜仪2019/8/10提纲41§电阻式应变计（表面及埋入式）2019/8/10提纲42§钢筋测力计（弦式及电阻式）2019/8/10提纲43§弦式土压合2019/8/10提纲44§弦式喷层压力计2019/8/10提纲45§弦式渗压计2019/8/10提纲46§锚杆预应力测力计2019/8/10提纲47§锚索测力计2019/8/10提纲48§磁感应分层沉降仪2019/8/10提纲49§智能应变传感器2019/8/10提纲50§激光挠度仪2019/8/10提纲51§钢筋位置及保护层测试仪2019/8/10提纲52§拔出式混凝土强度仪2019/8/10提纲53§拔出式混凝土强度仪（国产）2019/8/10提纲54§混凝土强度回弹仪2019/8/10提纲55§激光测距仪2019/8/10提纲56§数显式收敛计2019/8/10提纲57§手持式应变仪2019/8/10提纲58§钻孔状况测定仪2019/8/10提纲59§多用途读数仪2019/8/10提纲60§钻孔多点位移计2019/8/10提纲61§多点位移计在隧道中的应用实例2019/8/10提纲62§实测数据的通讯监控2019/8/10提纲63§GPS监测系统2019/8/10提纲64§遥感自动光学扫描仪2019/8/10提纲65§遥感自动光学扫描仪（独眼巨人）2019/8/10提纲66§遥感自动光学扫描仪现场（沉降扫描）2019/8/10提纲67§沉降遥测2019/8/10提纲68§地表倾斜遥测2019/8/10提纲69§光纤传感器及其二次仪表2019/8/10提纲70§光纤传感器原理2019/8/10提纲71§隧道测试布置2019/8/10提纲72§盾构隧道测试布置2019/8/10提纲73§滑坡测试布置2019/8/10提纲74§桩基检测布置2019/8/10提纲75第二部分地下工程中新材料技术的发展2019/8/10提纲76一.自钻式锚杆新技术2019/8/10提纲77自钻式锚杆的主要特点：1.集钻杆、注浆杆、锚杆三者为一体；2.最适合用于破碎易塌孔的地层中，避免使用套管跟进的复杂工艺；3.具有预应力功能；4.注浆饱满，并能实现高压注浆，使浆液充满岩土裂缝；5.可根据施工需要，截成任意长度和任意连接。2019/8/10提纲78不同直径的自钻式锚杆杆体2019/8/10提纲79自钻式锚杆组成（未含附件）2019/8/10提纲80各类钻头2019/8/10提纲81各类钎尾2019/8/10提纲82预加应力测定器2019/8/10提纲83自钻式锚杆的不同用途2019/8/10提纲84在软土中的效果2019/8/10提纲85在卵石中的效果2019/8/10提纲86隧道中用风钻钻孔2019/8/10提纲87隧道中用液压钻钻孔2019/8/10提纲88隧道中自钻式锚杆效果2019/8/10提纲89隧道中锚杆布置2019/8/10提纲90新奥法隧道纵断面2019/8/10提纲91新奥法隧道横断面2019/8/10提纲92隧道中的应用实例2019/8/10提纲93全断面施工的纵剖面2019/8/10提纲94软弱破碎围岩中的超前支护2019/8/10提纲95自钻式锚杆用于隧道洞口支护2019/8/10提纲96自钻式锚杆用于地铁基坑支护2019/8/10提纲97基坑施工中应用2019/8/10提纲98基坑施工中应用2019/8/10提纲99无黏结土层中极限荷载曲线2019/8/10提纲100自钻式锚杆锚固力计算2019/8/10提纲101二.其他锚杆2019/8/10提纲102V型封闭式摩擦锚杆2019/8/10提纲103V型摩擦锚杆断面2019/8/10提纲104开缝及膨胀型锚杆2019/8/10提纲105回收式锚索2019/8/10提纲106三.隧道防水技术的发展2019/8/10提纲107§隧道防水技术发展的过程第一阶段防水混凝土（混凝土配比、工艺、干硬性混凝土等）第二阶段外贴式防水层（油毡—聚酯卷材—橡胶卷材等等）2019/8/10提纲108第三阶段喷涂一般防水材料（改性沥青—聚氨酯等喷涂材料）第四阶段渗透型防水技术2019/8/10提纲109§渗透型防水技术1，XYPEX（赛派司）防水剂2，U-Seal（优止水）防水剂3，Excel渗透型防水剂2019/8/10提纲110§渗透型材料防水机理混凝土切片的显微观察表明，