地下工程监控量测技术

地下工程监控量测技术1地下工程主要特点与施工方法1.1地下工程主要特点随着社会的发展，人类面临日益突出的居住、交通、环境等与有限土地资源之间的矛盾，为解决上述矛盾，国际上提出“二十一世纪是人类开发利用地下空间时代”。特别是城市地区，随着人口急剧膨胀，居住困难、交通阻塞、环境恶化，开发利用地下空间，发展地下交通系统是城市面临的主要课题之一。随着我国经济实力的不断增强，城市现代化程度的不断提高，城市规模不断扩大，城市人口会越来越多，交通会更加拥挤，为提高土地的空间利用率，交通线路由地面转入地下是大势所趋，各大城市纷纷在筹建城市地铁工程。同时为了利用有限土地资源，大力发展城市共同沟、地下停车场、地下商场等地下工程，大力发展地下空间。归纳起来，城市地下工程具有一下几个特点：（1）地质条件差，地层条件复杂多变，具有复杂性与不确定性，因此地下工程设计合理性进行理论分析比较困难，受工程地质和水文地质等条件影响较大，通常施工难度比较大；（2）周边环境复杂。（3）结构埋深浅、与临近结构相互影响（4）围岩稳定性难于判断特别是城市地下工程施工引发的环境影响问题，如地表下沉、建筑物倾斜、道路交通乃至地中管线能否正常运作等源于兴建地下工程而产生的不良影响，因此环境影响是选择施工重要考虑因素之一。1.2主要施工方法随着技术的进步和科技的不断发展，地下工程的施工方法越来越丰富，根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备情况，地下工程施工方法一般可分为三大类，即明挖法、暗挖法和沉管法，具体分类见图1-1-1。2隧道开挖引起的变形破坏特征及安全风险2.1隧道开挖引起的变形破坏特征由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。这种变形由三部分组成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;图掌子面鼓出/地表沉降槽三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;图拱顶下沉和边墙内移若这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。图掌子面挤出坍方图整体失稳坍方当隧道上部覆土较浅时，隧道内的变形可能发展到地表，引起地表变形开裂，甚至出现坍塌冒顶的情况。这种坍方对隧道工程的建设和环境的危害性极大。整体失稳坍方工程实例2.2软弱围岩隧道施工的主要安全风险针对软弱围岩隧道的支护变形、塌方等风险，从地质和变形角度进行分析总结，其潜在安全风险源主要有6种情况：（1）软弱围岩浅埋、偏压软弱围岩浅埋地段，隧道施工时拱部一般难于成拱，在未采取足够措施前，软弱围岩浅埋隧道易发生局部塌方；软弱围岩偏压地段，隧道支护结构将承受显著的不对称荷载，施工期间易造成初期支护纵向开裂或错台，变形过大甚至塌方。（2）土质隧道土质隧道强度低、自稳性差，与岩石隧道相比要承受更大的荷载，若初期支护强度不足，将导致变形大、严重时会出现局部坍塌等安全风险。（3）大埋深软岩隧道在大埋深软岩地段，一般存在较高的地应力，由于软岩抗压强度低，开挖过程中洞壁岩体剥离，位移极为显著，变形持续时间长，隧底常出现隆起现象。通过该段时，若支护不足，可能造成支护变形过度、侵限，甚至塌方等安全风险。（4）断层破碎带由于断层上下两盘的相对运动，常使断层面附近岩石破碎成碎石和粉末状，形成断层破碎带，其岩体一般自稳性极差，且常伴有地下水，隧道通过断层破碎带时易发生塌方、掌子面突泥、突水等安全风险。（5）结构面发育的块状岩体地段块状围岩的力学特性是岩石单体强度较高、承载力较高，但因结构面发育，受其切割制约，特别是在有地下水组合作用的条件下，岩体整体稳定性差，这类围岩隧道坍塌的特点是个别岩块失稳，造成较大范围岩块突然坍塌。（6）不同岩层接触带地段由于不同岩层，岩性差异大，加之常伴有地下水，在接触面附近常发育有风化剥蚀面，岩体较为软弱、破碎，隧道通过时，在掌子面上方或前方，易发生塌方、涌泥等安全风险。3监控量测的必要性和监测的目的3.1监测的必要性⑴地下工程的复杂性的要求地下工程具有隐蔽性、复杂性和不可预见性的特征。一方面隧道周围及掌子面前方的工程地质和水文地质情况对隧道施工的质量和安全关系重大。不良的地质条件极易引起隧道坍方、突泥涌水，不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡、设备损失、工期延误，从而造成巨大的经济损失；另一方面，由于普通工程地质勘察手段的局限性，无法完全准确的查明洞身围岩状况，导致围岩划分的不准确或偏保守，施工中如果完全照搬就有可能导致巨大浪费或安全事故。同时城市地下工程周围环境一般比较复杂，因此有必要通过信息化施工，通过对围岩、支护的时空变形、应力、压力的量测数据分析，对隧道支护状态进行评价，预报险情、评定设计的合理性，反馈信息，及时变更设计。从而确保地下工程施工和周围建（构）筑物安全。⑵规范的要求：《铁路隧道新奥法指南》第3.1.1条规定：新奥法的设计应以工程类比法为主，并通过现场监控量测确认和修正，必要时可辅以理论检算；《锚杆喷射混凝土支护技术规则》（GBJ86-85）第3.1.7条规定：锚喷支护的设计，应采用工程类比法，必要时，还应辅以监控量测法及理论的检算法。《铁路隧道喷锚构筑物技术规则》第3．1．4条规定：设计应分为施工前设计和施工中设计两个阶段，施工前设计中应包括监控量测设计的内容。监控量测是隧道施工过程最重要的环节之一，它起着“安全监控、设计反馈和指导施工”等一系列的重要作用。3.2监控量测的目的城市地下工程监控量测的主要目的有：（1）指导施工：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，了解施工方法的实际效果，了解施工对周边环境的影响等等，以便采取相应的工程措施来。（2）安全评价：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，掌握施工过程中工程自身结构所处的安全状态，并对其安全稳定性进行评价。。（3）修正设计：用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，调整相应的设计支护参数；（4）积累资料：通过监控量测，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。施工过程中进行的监控量测是信息化施工的基础，具有重要作用，在地下工程施工过程中进行现场监控量测，及时获取围岩变位与地下工程支护结构的动态信息，并反馈于修正支护参数与施工措施，以期达到安全与经济合理的目的，这是信息化施工的实质。4主要监测项目及其确定原则4.1确定监测项目的原则监控量测的项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩类别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合确定。而且，在隧道工程中进行量测，绝不是单纯地为了获取信息，而是把它作为施工管理的一个积极有效的手段，因此量测信息应能：（1）、确切地预报破坏和变形等未来的动态，对设计参数和施工流程加以监控，以便及时掌握围岩动态而采取适当的措施（如预估最终位移值、根据监控基准调整、修改开挖和支护的顺序和时机等）。（2）、满足作为设计变更的重要信息和各项要求，如提供设计、施工所需的重要参数（初始位移速度、作用荷载等）。施工监测是一项系统工程，监测工作的成败与选用监测方法的选取及测点的布置直接相关。根据监测工作的经验，归纳以下5条原则。⑴、可靠性原则：可靠性原则是监测系统设计中所考虑的最重要的原则。为了确保其可靠性，必须做到：第一，系统需要采用可靠的仪器。第二，应在监测期间保护好测点。⑵、多层次监测原则：多层次监测原则的具体含义有四点：a、在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目。b、在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法。c、在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪器。d、考虑分别在地表、及临近建筑物与地下管线上布点以形成具有一定测点覆盖率的监测网。⑶、重点监测关键区的原则：在具有不同地质条件和水文地质条件、周围建筑物及地下管线段，其稳定的标准是不同的。稳定性差的地段应重点进行监测，以保证建筑物及地下管线的安全。⑷、方便实用原则：为减少监测与施工之间的干扰，监测系统的安装和测量应尽量做到方便实用。⑸、经济合理原则：系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的先进性，以降低监测费用。4.2地下工程的主要监测项目根据以上原则，考虑地下工程结构稳定及施工对环境影响急待解决的问题，地下开挖施工引起的地面及土体沉降及变形；地面建（构）筑物沉降标准与保护等级的划分；支护（围护）结构变形。从总体来讲，监测项目可以分成三类：一、结构变形和应力、应变监测，二、结构与周围地层（围岩与结构）相互作用，三、与结构相邻的周边环境安全监测。目前，城市地下工程施工多数采用新奥法、明挖法、盾构法这三类方法，采用不同的施工方法修建对需要反馈的内容有不同的要求。监测项目应根据具体工程的特点来确定，主要取决于工程的规模、重要性程度；地下工程的形状、尺、寸、工程结构和支护特点；地应力大小和方向；工程地质条件；施工工序和方法；在尽量减少施工干扰的情况下，要能监控整个工程的主要部位的位移，包括各种不同地质单元和地下工程结构复杂部位。位移监测是最直接易行，因而应作为监控量测的重要项目。但在完整坚硬的岩体中位移值往往较小，故要配合应力和压力测量，对于浅埋地下工程，地表沉降和拱顶沉降监测是极其重要的。我国《城市地铁施工与验收规范》中将新奥法隧道的监测项目分为应测项目和选测项目（表2），其中应测项目是必须进行的监测项目，选测项目是根据情况选用的监测项目。新奥法监测项目表2类别监测项目监测仪器测点布置监测精度监测频率应测项目围岩与结构与支护状态地质素描及拱架支护状态观察每一开挖环开挖面距监测断面前后＜2B时1～2次/d开挖面距监测断面前后2～5B时1次/2～3d开挖面距监测断面前后＞5B时1次/周地表、地面建筑、地下管线及结构物水准仪和水准尺每10～50m一个断面，每断面7～11测点0.1mm拱顶下沉水准仪和水准尺计每5～30m一个断面，每断面1～3测点0.1mm周边净空收敛收敛计每5～100m一个断面，每断面2～3测点0.1mm选测项目围岩与结构内部位移多点位移计、测斜仪等取代表性地段设一断面，每断面2～3个测孔0.1mm开挖面距监测断面前后＜2B时1～2次/d开挖面距监测断面前后2～5B时1次/2～3d围岩与结构压力及支护间应力压力传感器每取代表性地段设一断面，每断面10～20个测点≤0.5%F.S钢筋格栅拱架内力支柱压力或其他测力计每10～30榀钢拱架设一对测力计拉伸,0.5%F.S.压缩,1.0%F.S.初期支护、二次衬砌内力及表面应力混凝土内的应变计或应力计每取代表性地段设一断面，每断面11个测点±0.1%F.S.开挖面距监测断面前后＞5B时1次/周锚杆内力、抗拔力锚杆测力计及拉拔器必要时进行拉伸,0.5%F.S.，压缩,1.0%F.S.孔隙水压力水压计每取代表性地段设一断面，每断面5～7个测点≤0.5%F.S5主要监测项目实施方法5.1地表沉降监测地表沉降监测是浅埋暗挖地下工程监测中最主要的监测项目。在地层加固、基坑开挖、新奥法地下工程开挖、盾构掘进等工程的施工过程中都要进行地表沉降监测。分析隧道施工引起的纵横沉降槽曲线及最大沉降坡度、最小曲率半径和沉降速率等，以评估隧道施工对周围环境的影响程度，为合理确定和调整施工参数提供反馈信息。●布点要求地表沉降测点应在隧道开挖前布设。地表沉降测点和隧道内测点原则上应布置在同一里程。一般条件下，地表沉降测点纵向间距应按表7.3的要求布置。表7.3地表沉降测点纵向间距隧道埋深与开挖宽度纵向测点间距(m)2BHo2.5B20～50BHo≤2B10～20Ho≤B5～10注:H。为隧道埋深，B为隧道开挖宽度。根据地层条件，一般间隔30～50m布设一组地表横向沉陷槽测点，地表沉降测点横向间距为2～5m。在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于H0+B，地表有控制性建(构)筑物时，量测范围应适当加