地下隧洞工程信息化施工监测课件

1、第九章地 下 隧 洞 工 程信息化施工监测主要内容1. 地下隧洞监测类型和方法2. 现场量测方案设计3. 量测数据的分析处理4. 盾构法和顶管施工监测9-1 地下隧洞工程信息化施工普氏理论（荷载结构法）,适于明挖回填法施工的地下隧道假定抗力法和弹性地基梁法，适于覆盖层厚度不大的暗挖地下结构设计数值法（有限元法）求解各种洞形、支护的弹性、粘弹性、弹塑性解新奥法施工（监测-调整-控制变形），信息化施工的开始9-1 地下隧洞工程信息化施工9-1 地下隧洞工程信息化施工特点： 施工监测、力学计算和经验方法相结合，在施工过程中允许勘察、设计和施工有交叉、重复。在地质调查基础上，根据经验或力学计算初步选定

2、支护参数；根据监测所获得的信息，对施工过程和支护参数进行调整；将各种计算，模型试验、经验类比等方法融合到决策系统中，发挥各种方法的长处。一、位移监测 单点位移计 多点位移计 滑动式位移计 精密水准仪量测。 洞周表面或围岩不同深度的位移地表和拱顶下沉9-2 地下隧洞监测类型和方法9-2 地下隧洞监测类型和方法1.单点位移计所测位移量为洞壁与锚杆固定点间的相对位移 单点位移计装置1砂浆；2锚杆体；3连接杆；4固定环；5测头；6外壳；7定位器；8测环；9百分表9-2 地下隧洞监测类型和方法 2多点位移计 多点位移计按位移量测仪器的不同有机械式和电测式两类。机械式一般采用深度测微计、千分表或百分表，电

3、测式采用的位移传感器常用的有电阻式、电感式、差动式和钢弦式等多种。 (1) 并联式多点位移计（机械式） (2) 串联式多点位移计（电测式） 9-2 地下隧洞监测类型和方法并联式多点位移计量测测点相对于洞壁的相对位移量锚固器位移测定器9-2 地下隧洞监测类型和方法串联式多点位移计1孔底固定装置；2电感式位移传感器；3一钢套管；4一弹簧片；5连接杆；6电缆；7导向管；8孔口固定装置9-2 地下隧洞监测类型和方法 3.滑动式位移计二、收敛位移量测 隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化称为收敛位移。收敛计类型及布置示意图1测读表；2重锤；3钢卷尺；4固定端；5连接装置；6张拉表；7张拉弹簧；8微型电机；

4、9控制器穿孔钢卷尺式收敛计铟钢丝弹簧式收敛计铟钢丝扭矩平衡式收敛计三、压力量测 地下洞室内部的压力 支衬结构内部的压力 围岩和支衬结构间接触压力 1. 液压枕 液压枕构造 1放气螺钉； 2钢球； 3一放气嘴； 4枕壳； 5紫铜管； 6压力表； 7注油三通； 8六角螺母； 9小管座结构简单、防潮防震、稳定性好，不受干扰 2锚杆应力量测 支护锚杆的应力量测原理通常是：锚杆受力后发生变形，采用应变片或应变计测量锚杆的应变，得出与应变成比例的电阻或频率的变化，然后通过标定曲线或公式将电测信号换算成锚杆应力。量测锚杆应力用的应变计主要有电阻式、差动电阻式和钢弦式几种应变计。9-3 现场量测方案设计 工程

5、监控现场量测目的:了解围岩的动态过程、稳定情况和支护系统的可靠程度，为支护系统的设计和施工决策服务。 现场量测方案设计的主要内容如下： (1)量测项目的确定，量测手段仪表和工具的选择； (2)施测部位和测点布置的确定； (3)实施计划的制定，包括测试频率的确定。 一、量测项目的确定 确定原则：量测简单、结果可靠、成本低，便于施工单位采用，量测元件要能尽量靠近工作面安设。所选择的被测物理量要概念明确，量值显著，数据易于分析，易于实现反馈。（位移、位移+应力和压力） 量测项目应根据具体工程的特点来确定，主要取决于工程规模、重要程度、地质条件及业主财力。（岩体完整性差、地质条件变化较大的工程声波法探

6、测隧洞前方岩体状况；地应力高的脆性岩体工程声发射监测岩爆的可能性或岩爆时间；浅埋隧洞地表沉降和拱顶沉降。）隧洞工程监测：地表沉降、洞周收敛、拱顶下沉。浅埋隧道，地表沉降是主要量测项目，深埋隧洞，水平位移重要 二、量测手段和仪表的选择 1. 主要取决于围岩工程地质条件和测量的环境条件。(围岩的软硬、干燥无水与地下水发育，引伸计安装) 2. 估算各物理量变化范围，确定仪器的精度和分辨率。 (软弱大洞室-卷尺式、硬岩洞室或小洞室-钢丝式、断面小变形大的洞室-杆式) 位移计的选择：人工易测读部位机械式位移计；反之电测式位移计；特深孔（精度要求高）串联式多点位移计；长期监测精度较高的位移计。 压力和应力

7、测量元件选择：优先选用液压枕；坚硬岩石、应力梯度高压力盒（尽量选用钢弦式压力盒和锚杆应力计，干燥隧洞可用电阻式或其他压力盒和锚杆应力计）。 三、量测部位的确定和测点的布置 1. 量测部位的确定 (1) 围岩稳定监控：重点监测围岩质量差及局部不稳定块体; (2) 反馈设计、评价支护参数合理性：在代表性的地段设置观测断面； (3) 在特殊的工程部位(如洞口和分叉处)，应设置观测断面。 (4) 观测点的安装埋设应尽可能靠近掌子面，最好不超过2m. (5) 洞周收敛、拱顶下沉、多点位移计及地表沉降量测点应尽量布置在同一断面上 。 (6) 锚杆应力和衬砌应力等测点最好布置在同一断面上，以使测量结果互相对

8、照、相互检验。 (7) 断面间距 视工程长度、地质条件而定。当地质条件情况良好或开挖过程中地质条件连续不变时，间距可加大，地质变化显著时，间距应缩小。在施工初期阶段，要缩小量测间距。取得一定数据资料后，可适当加大量测间距。在洞口及埋深较小地段，亦应适当缩小量测间距。 在一般的铁路和公路隧道中，洞周收敛和拱顶下沉量测的断面间距根据围岩类别而定。类5-20m，类20-40m，类40m以上 地表沉降量测的断面间距与隧洞埋深和地表状况有关，当地表是山岭田野时，根据埋深断面间距定为：埋深h2D：2050m；h=12D：1020m；h1D：5 10m。 锚杆应力和衬砌应力等，其量测断面的纵向间距可定为20

9、0500m。 2测点的布置形式 收敛位移计的布置 底部施工基本完成，测试内部收敛位移校核数据顶部有施工隧洞较大或进行参数反分析围岩均一位移计的布置：拱顶、边墙和拱脚部位梯度大的部位要加密，孔口和孔底布置测点，在软弱面、接触面两侧各设置一个测点 压力盒和锚杆应力计的布置 应在典型区段选择应力变化最大或地质最不利的部位，并根据位移变化梯度和围岩应力状态，在不同的围岩深度内布测点，观测锚杆的长度应与工程锚杆相同。用于埋设压力盒的钻孔和观测锚杆的钻孔的布置形式与多点位移计的相似，通常在钻孔中布置3个或更多的测点。 四、观测及其频度的确定 整个观测期间应设立值班记录，详细记载值班期间的一切情况，包括施工

10、进展情况、施工部位、施工工艺流程情况、气候环境、对隧洞的观察、隧洞内渗流水情况、喷射混凝土和衬砌上的裂缝开展情况等。 各量测项目通常的观测频度为：在洞室开挖或支护后的半个月内，每天应观测12次；半个月后到一个月内，或掌子面推进到距观测断面大于2倍洞径的距离后，每2天观测一次；一到三个月，每周测读12次：三个月以后，每月测读13次。若设计有特殊要求，则可按设计要求进行，遇突发事件，则应加强观测。 各量测项目原则上应根据其变化的大小来确定观测频度。如洞周收敛位移和拱顶下沉的量测频度可根据位移速度及离开挖面的距离而定，往往不同的基线和测点位移速度不同，因此，应以产生最大位移者来决定量测频度。整个断面

11、内各基线或测点应采用相同的量测频度。 1容许位移量 容许位移量是指在保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，自隧洞开挖起到变形稳定为止,在起拱线位置的隧洞壁面间水平位移总量的最大容许值，或拱顶的最大容许下沉量。 容许位移量与岩体条件、隧洞埋深、断面尺寸及地表建筑物等因素有关，例如城市地铁通过建筑群时，一般要求地表下沉不超过510mm；对于山岭隧道，地表沉降的容许位移量可由围岩的稳定性确定。 五、量测数据警戒值及围岩稳定性判断准则 2容许位移速率 容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。它同样与岩体条件、隧洞埋深及断面尺寸等因素有关

12、。容许位移速率目前尚无统一规定，一般都根据经验选定。 例如美国某些工程对容许位移速率的规定：第一天的位移量不超过容许位移量的1/51/4(约2.543.18mm)，第一周内平均每天的位移量应小于容许位移量的1/20(约0. 63mm)。南岭隧道、大瑶山隧道、下坑隧道、金川矿区运输平巷、张家港铁矿的稳定变形速度为0.1mm/d，引滦入津输水隧洞在开挖后一个月的稳定变形速度大于10mm/30d。 (1) 基本稳定段(I)。变形速率不断下降，即变形加速度小于0；围岩稳定 (2) 过渡段(II)。变形速度长时间保持不变，即变形加速度等于0; 蠕变，加强支护 (3) 破坏段(III)。变形速率渐增，即变

13、形加速度大于0停工，进行加固。 3. 根据位移时间曲线判断围岩稳定性 注意：在隧洞施工险情预报中，应同时考虑收敛或变形速度，相对收敛量或变形量及位移时程曲线，结合洞周围岩喷射混凝土和衬砌的表面状况等综合因素作出预报。全断面开挖分步开挖9-4 量测数据的分析处理量测数据数学处理的目的验证 反馈 预报即 （1）各种量测数据相互印证，以确认量测结果的可靠性； （2）探求围岩变形或应力状态的空间分布规律，了解围岩稳定性特征，以便提供反馈，合理地设计支护系统； （3）监视围岩变形或应力状态随时间的变化情况，对最终值或变化速率进行预测预报。 1. 位移速率 abcdeabcde 2. 位移总量 Um变形量

14、测值，u1-开挖埋设围岩的变形，u2-开挖到量测断面的围岩变形值u1的确定: 进行非线性回归，得u=f(t), 则u2的确定: 据研究，存在如下经验式所以9-5 工程实例 十三陵电站地下厂房概况 十三陵抽水蓄能电站地下厂房埋深200m+，设计规模为长145m、宽23m、高46.6m，拱座部位开挖宽度为27.5m。厂区岩体为侏罗系砾岩，层理不清，略有沉积韵律，呈巨厚层状，产状为NE40、SE40左右，总厚达500m+，厂房选在最厚的部位。 厂房洞室布置在岩性单一的砾岩内，岩石强度中等，弹性模量较高，渗透性较弱，涌水量不大，裂隙不甚发育，地应力不高。厂区断层主要有三组，与厂房轴线呈大角度相交，其影

15、响仅限于断层宽度的范围内，但有一组走向近直立的裂隙与厂房轴线交角甚小，对高边墙的稳定极为不利。 监测方案设计 根据厂区内工程结构及支护特点、工程地质条件、施工工序及方法等，该工程采取了系统监测断面和随机监测点相结合的设计原则； 为了监测地下厂房围岩的位移、应力、地下水压力、温度及顶拱混凝土内的应变、应力、温度变化，主要布置钻孔多点位移计、锚杆应力计(钢筋计)、预应力锚索应力计，此外，还布置了其他7项观测项目，具体情况见下页表。地下厂房位移计和锚杆应力计 观 测布 置 图M位移计MC锚杆应力计 系统观测断面3个，断面间距3650m；观测断面到端墙距离3335m；各断面观测点布置在顶拱、拱脚、边墙

16、中部及中下部。钻孔多点位移计长1424m（预埋或后埋）。锚杆应力计，顶拱长6m，边墙长8m，其长度和施工支护锚杆同。 钻孔多点位移计每孔4只，距洞壁2m、5m、10m、20m (20m孔)和2m、4m、8m、15m(15m孔)。锚杆应力计每孔3只，距洞壁为1.0m、2.5m、4.0m(拱顶5m锚杆)、1.0m、2.5 m、5.0m(边墙6m长锚杆)和1.0m、3.0m、7.0m(边墙8m长的锚杆)。观测仪器为钢弦式仪器。 6个孔的观测元件是利用排水廊道预埋的。其余均为后埋的。后埋元件是当掌子面超过设计观测断面(点)1.52.0m时安装埋没的(停掘)。9-6 盾构法和顶管施工监测 地表面以下暗挖

17、隧道的一种施工方法，应用于水底公路隧道、地铁、大型市政工程 一、盾构法施工监测 盾构法施工隧道时所需的监测内容可分为两大类：岩土介质和周围环境的监测、隧道(包括盾构)结构的监测。 1岩土介质和周围环境的监测 岩土介质和周围环境的监测内容包括：盾构正面土压力、地表沉降和位移、土体沉降和位移、土体应力和孔隙水压力、构筑物沉陷和倾斜等项目。 (1) 地表沉降 地表沉降测量是在沉陷测量区域埋设地表桩，采取常规的水准测量方法。地表桩设置一般沿盾构隧道的轴线每隔35m设一测点，适当布置几排横向地表桩，测量盾构施工引起的横向沉降槽的变化。 道路沉降必须将地表桩埋入道面下的土层里，才能比较真实地测量道路的沉降

18、。铁路的沉降测量必须同时监测路基和铁轨的沉降。 地下管线的沉降测量，对重点保护的管线，应将测点设在管线上，并砌筑保护并盖，一般管线则可在其周围设置地表桩进行监测。在盾构切口到达前3m和盾尾过后三天内，应加密监测频率。(2) 土中沉降和位移 监测盾构施工引起的深层土体沉降和位移量可了解土层被扰动的范围和影响程度，土体沉降测量采用分层沉降仪，土体深层位移则采用测斜仪，两者可共用一个测孔和测管。当测管理设深度低于隧道底部标高时，可把管底作为初始不动点，埋设在隧道顶部的测管一般以管顶为不动点，但必须测量管顶的水平位移值进行修正。(3) 土中应力和孔隙水压力 量测元件采取钻孔埋设方法，测点埋设在隧道外围

19、。盾构掘进对土体的挤压作用破坏了土体结构，便士中应力和孔隙水压力增大，对土应力和超孔隙水压力的量测，能了解盾构的施工性能，对土层的扰动程度及预测固结沉降量，量测数据反馈后，可及时调整施工参数，减少对土层的扰动。 9-6 盾构法和顶管施工监测 (4) 邻近构筑物的保护监测 对盾构直接穿越和影响范围内的房屋、桥梁等构筑物必须进行保护监测，监测内容主要是构筑物的沉降、倾斜和裂缝。 沉降测点设在基础上或墙体上，在构筑物外的地表上和构筑物底板上也设一些测点，用水准仪量测。构筑物倾斜监测可采用经纬仪测量方法，也可在墙体上设置倾斜仪，连续监测墙体的倾斜。构筑物的裂缝可用裂缝观测仪测得。 2. 隧道(包括盾构

20、)结构的监测 隧道(包括盾构)结构的主要监测内容如下： (1) 隧道应变的量测，包括用应变计量测结果计算结构构件的轴力和弯矩; (2) 隧道收敛位移量测； (3) 预制管片凹凸接缝处法向应力的量测。螺栓轴力测试钢筋应力测试土 压 力测试二、顶管工程施工监测应用于城市上下水管道、煤气管道和共同沟的施工中，顶管可采用钢管、钢筋混凝土管段，直径3米以上，埋深几米到30米以上。深埋顶管在施工中，在顶管两端需开挖较深的工作井，工作井采用地下连续墙和沉井法施工，并且要进行监测，监测方法同基坑工程。 二、顶管工程施工监测 浅埋顶管要进行地表沉降、分层沉陷、水土压力和地下水位等环境监测，对于埋深大于3倍直径的

21、顶管，一般不必进行环境监测。 顶管顶进过程中对管道可进行如下项目的监测：管道内力测试、水土对管段的接触压力测试、管道接头相对位移量测和管道收敛变形量测等，但在大多数情况下不监测，除非在顶管的设计中采用了新方法或在施工中采用了新工艺，为保证安全并积累经验时才作监测。9-6 盾构法和顶管施工监测实例1工程概况 某合流污水外排工程穿越黄浦江时两条平行倒虹管均采用顶管法施工，始发工作井顶管口底标高-27.00(自然地坪+4.50)，接收工作井顶管口底标高-10.34(自然地坪+4.50)。顶管全长764.78m，其中自始发工作井至黄浦江边250m为直线段，其余为主要顺沿黄浦江底的曲线段，平均埋深在黄浦

22、江底以下7.8m左右。两平行管道净距1.28m，均采用内径为2200的钢筋混凝土预制管段，每节管道长3m，管壁厚240mm，沿纵向配制三级10钢筋，环向配制三级12钢筋，主筋混凝土保护层厚度为40mm。 9-6 盾构法和顶管施工监测 顶管施工穿越地层由浦东向浦西依次为：层草黄色砂质粉土，-2层草黄色粉质粘土，-1层暗绿色粘土，-2层灰色粘砂互层，层灰色淤泥质粉质粘土和层灰色淤泥质粘土。 施工监测的目的: (1) 保证两条管道顶进施工安全性； (2) 跟踪第2条管道顶进对第1条管道的影响,指导施工； (3) 验证顶管设计理论的适用性（净间距1.28 mD)。9-6 盾构法和顶管施工监测 2监测方

23、案 在顶管施工期间开展以下4方面的监测： (1) 管道内力测试 管道内力测试包括管道纵向和环向应力的测试。通过在管道环向和纵向钢筋上安设钢弦式钢筋应力传感器，用以推算管道弯矩和轴力。管道内力测试断面共8个（第一管道5个，第二管道3个）。8个监测断面中，近工作井的2个主要用于监视进出洞顶进作业的安全性，其余的兼有检验设计理论的作用。每个断面均在环向和纵向四个方位的内外侧钢筋上各布设1个钢筋应力传感器，共设16个，两条管道合计128个。钢筋应力传感器采用GJJ10系列钢弦式钢筋测力计。9-6 盾构法和顶管施工监测 (2)1 接触压力测试 为取得管道实际承受的水土压力值，用土压力盒直接测试管道外壁面

24、上的接触压力。测试接触压力采用土压力盒，其型号为TYJ系列钢弦式土压力计，量程为0.5MPa。接触压力量测设2个测试断面，位置分别为与距浦东工作井出洞口50m和125m的两个土压力测试断面对应，每个断面均在上下左右4个方位各埋设1个土压力盒。 9-6 盾构法和顶管施工监测 (2) 水土压力测试 为确保第2管道顶进时管道结构的安全性，通过测试第1和第2管道之间的水土压力的大小和分布，验证施工工艺(顶进速率等)的合理性，量测仪表为土压力盒与孔隙水压力计。土压力盒的型号为TYJ系列钢弦式土压力计，量程为0.5MPa；孔隙水压力计的型号为KYJ30系列钢弦式孔隙水压力计，量程为0.5MPa。监测钻孔布

25、置在浦东工作井至黄浦江岸间的直线段的顶管之间，每孔安装6个土压力盒。土压力盒在孔内的位置见图，孔隙水压力计位置与之相同。 4个测孔中共埋设土压力盒18个，孔隙水压力计6个。9-6 盾构法和顶管施工监测 (3) 管道接头相对位移量测 为了在第2条管道顶进时测试第一条管道管段接缝的张开情况，约每隔50 m设置1个管道接头相对位移监测断面，总数为15个，每个监测断面上均匀布设5个测点。在管道接头两侧用膨胀螺丝安装测标，用数显式测微计量测两侧测标间的相对位移。9-6 盾构法和顶管施工监测 (4) 管道收敛变形量测 在两条管道内均布设收敛变形量测装置，以测量管段在水土压力作用下的变形情况，第1条管道约5

26、0m设一个收敛变形量测断面，共设15个断面。第2条管道设6个量测断面，位置与管道内力量测断面一致，两条管道共设21个收敛变形量测断面，断面上收敛变形测线为水平直径、垂直直径以及拱顶与水平直径上两点的连线，用膨胀螺丝形成测点：采用美国Geokon公司的1600型卷尺式伸长计测量。9-6 盾构法和顶管施工监测 3元件埋设方法和测读 钢筋测力计和测接触压力的土压力盒在制管厂管段制作时进行埋设。 (1) 钢筋测力计 先将连接螺杆与长约50cm的等直径短钢筋焊接牢，然后将连接螺杆拧入钢筋测力计，形成测杆，对于环向钢筋测力计还需将测杆弯成与钢筋笼一样的圆弧形。将顶管钢筋笼测点处的受力钢筋截去略大于测力计加两根连接螺杆的长度，将钢筋测力计对准受力钢筋截去的缺口处，把测杆两端的短钢筋与受力钢筋焊接牢。焊接时，用湿毛巾护住连接螺杆，以起隔热作用保护钢筋测力计。9-6 盾构法和顶管施工监测 (2) 接触土压力盒 截取长30cm、直径5mm的细钢筋，取3根细钢筋在水中把细钢筋一头焊到土压力盒底周边上，3根细钢筋均匀分布。取5mm左右的聚乙烯板，将其剪成如土压力盒大小的圆形，用胶布将其固定在土