第14章城市地下工程监测与信息反馈技术

地下工程监测与信息反馈技术一.地下工程主要特点与施工方法二.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.信息反馈技术八.控制过大变形的工程技术措施九.现代化自动监测内容十.监测工程实例主要内容一、地下工程主要特点与施工方法1.(城市）地下工程的主要特点地质条件差（多为软弱围岩、软弱不均、地下水）周边环境复杂（建筑物、地下管线等）结构埋深浅、与临近结构相互影响荷载的不确定性围岩和结构的稳定性难于判断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。二、施工监测的意义与目的1.监测的意义在岩土中修建地下工程，由于对结构设计的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。(4)周边环境的复杂性因此有必要进行信息化施工（反分析法），通过施工过程中对围岩、支护结构及周边建（构）筑物的位移和应力监测，并及时反馈到设计与施工中去，优化设计参数及施工方法，以确保地下工程施工和周围建（构）筑物的安全。作为信息化施工的最基础工作，监测工作非常重要。2.地下工程监测的主要目的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。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；收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改订提供参考和积累经验。3、监测工作现状、存在的问题及解决办法1）现状（1）各建设、施工单位水平对监测工作的认识不统一，造成对其认识不同；（2）施工单位对监测与信息反馈工作的实施方法不同，效果不同。2）存在的问题（1）未把监测与信息反馈作为工序编入施工组织设计，有的虽然作为工序编入，但实施不规范，不彻底，应用效果较差；（2）实施过程中缺少专业技术人员，特别是信息反馈方面的人员，很少能结合施工情况，对监测信息进行有效分析，未能对工程设计和施工起指导作用；（3）缺乏周边环境的安全评估标准及监测控制基准；3）解决办法（1）就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制基准进行研究；（2）在规范施工方监测的基础上，引入第三方监测（都必须具备监测资质），对促进监测技术健康发展具有积极意义。4、监测与信息反馈的内容监测项目的确定监测方法、仪器监测的实施监测结果的应用（数据处理、控制基准、安全评价等）反馈的内容（优化设计、施工方法，控制措施）反馈程序三、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（判断地下工程本身的稳定性）；第二类是支护结构与周围地层（围岩与结构）相互作用监测（确定作用在支护结构上的荷载）；第三类是与结构相邻的周边环境的位移监测（判断施工对周边环境的安全稳定性）。（2）根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目(A)”和“选测项目(B)”两类。必测项目(A)是确保施工安全必须进行的位移监测项目；选测项目(B)一般是配合科研项目进行的应力、应变等监测项目。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,其监测内容见下表。浅埋暗挖法施工主要监测项目类别监测项目监测仪器测点布置监测频率必测项目围岩与支护结构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＜2D时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周地表、地表建筑、地下管线及结构物沉降水准仪和水准尺每10～50m一个断面支护结构拱顶下沉水准仪和水准尺计每5～30m一个断面，每断面1～3对测点支护结构周边净空收敛收敛计（全站仪）每5～100m一个断面，每断面2～3测点爆破振动速度和噪声声波仪及测振仪振动速度根据结构要求设点，噪声根据规定的测距设置随爆破随时进行选测项目围岩与结构内部位移多点位移计、测斜仪等选择代表性地段设监测断面，每断面2～3个测孔开挖面距监测断面前后＜2D时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周围岩与支护结构间压力压力传感器选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点钢筋格栅拱架内力支柱压力或其他测力计选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点。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监测断面，每断面10～20个测点锚杆内力、抗拔力及表面应力锚杆测力计及拉拔器必要时进行盾构法工程主要监测项目类别监测项目监测仪器测点布置监测频率必测项目地表隆沉水准仪和水准尺每30m一个断面，必要时加密开挖面距监测断面前后＜20m时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜50m时1次/2d开挖面距监测断面前后＞50m时1次/周隧道隆沉每5～10m一个断面选测项目土体内部位移（垂直和水平位移）水准仪、测斜仪、分层沉降仪选择代表地段设监测断面衬砌环内力与变形压力计和应变传感器选择代表地段设监测断面土层应力压力计和传感器选择代表性地段设监测断面明挖法施工主要监测项目（△--必测☆--选测）序号监测项目监测目的围护结构施工基坑开挖水泥土围护墙板式支护体系放坡开挖1围护结构（边坡）顶水平位移了解支护结构的最大水平位移量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；△△△2围护结构（边坡）顶沉降了解支护结构的最大沉降量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；△△△3立柱（格构柱）沉降△4围护结构水平位移了解支护结构的最大水平位移量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；☆△5土体深层侧向位移☆☆☆6支撑或锚杆轴力了解支撑或锚杆轴力情况，判断支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周围地下水位下降的影响范围和程度△△△8孔隙水压力通过监测孔隙水压力在施工过程中的变化情况，及时为开挖、掘进速度等提供可靠依据☆☆☆9围护结构侧土压力监测挡士结构在各种施工工况下的不稳定因素，以便及时采取相应的措施保证施工安全☆10坑底隆起（回弹）优化施工方案（如挖土速率、底板浇筑时间等）；确保基坑支护结构和周围环境的安全☆11裂缝监测邻近建筑物了解施工过程中地表、地下管线、建筑物沉降与倾斜情况，评估周边环境是否安全☆☆△☆12邻近地表☆☆☆☆13邻近建筑物沉降△△△△14邻近地下管线水平、竖向位移△△△△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、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，当某一监测值未超过控制基准值而出现险情时，除及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，及时调整控制基准值。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）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，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。建筑物结构类型δ/L（L为建筑物长度，δ为差异沉降）建筑物反映一般砖墙承重结构，包括有内框架及建筑物长与高之比小于10，有圈梁，有基础1/150分隔墙和承重墙出现相当多的裂缝，可能发生结构破坏一般钢筋混凝土框架结构1/150发生严重变形1/500开始出现裂缝高层刚性建筑（箱型基础、桩基）1/250可观察到建筑物倾斜有桥式行车的单层排架结构的厂房，浅基础或桩基1/300桥式行车运转困难，若不调整轨面水平方向，行车难以运行，分隔墙有裂缝有斜撑的框架结构1/600处于安全极限状态对差异沉降反应敏感的机器基础1/850机器使用可能发生困难，处于可运行的极限状态①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建筑物沉降的不动点，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。不均匀沉降由Peck公式求得：2/2Al245tan/)(21hHDA)]2/)2/(exp()2/[exp(22221maxiAilSu△如果令△u等于建筑物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（i＝D/2），则最大允许地表沉降值为：即与L1对应的点为建筑物由于地表沉降而倾斜的最大斜率点，由Peek公式推导的该点的倾斜率计算公式为：令△u为建筑物的容许倾斜§则得到的最大允许地表沉降值为：)2/exp(][][22112maxilliSξ221max12exp(/2)luSlii)]2/exp()2/2/[exp(][)])2/(2/)2/(exp())2/(2//[exp(][2222122221maxDADluDADluS△△隧道中线②地表建筑物基础位于沉降槽中间A.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，差异沉降达到最大，故以此极限条件下的坡度值--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]一一建筑物的允许倾斜率△S——差异沉降值由极限条件得允许最大沉降差：△S≤[f]i，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：[]SLfmaxmax61.0SiQ][61.0maxfisB.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既引起倾斜，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。222)]([iiiS（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：[ε]=[σ]/E式中：[ε]——允许拉应变；[σ]——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。22)]([][mmms22)]([][iiis（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