建筑工程监控量测与信息反馈技术工作交流

1、新建太中银铁路吕梁山隧道监控量测与信息反馈技术工作交流 中铁三局集团工程指挥部工程部宋同新 2007/5/18感谢奋斗斗在一线线的同志志们和朋朋友们，愿我们们携手并并进，竭竭心尽责责，同甘甘共苦，群策群群力，共共保吕梁梁山隧道道安全、保质、如期、全优完完工！中铁三局局吕梁山山隧道指指挥部工工程部监控量测测与信息息反馈工工作现状状日前检查查发现，监控量量测工作作存在以以下问题题：1.标准掌握握的问题题；2.记录表式式不统一一的问题题；3.数据处理理方面的的问题；4.信息反馈馈、指导导施工工工作不力力；5.资料不齐齐全，“原始始监测资资料”与与“数据据处理”概念混混淆；记记录资料料不规范范，涂沫沫

2、现象普普遍；6.监控量测测工作人人员的经经验与岗岗上学习习不足,经验积累累欠缺，甚至不不熟悉基基本的工工作流程程。监控量测测与信息息反馈的的概念与与意义由于地下下工程环环境的复复杂性(地层岩性性不一、构造不不均、地地下水发发育程度度不等、初始地地应力环环境因地地而异、地下工工程埋深深不一）和施工工等人为为因素影影响大（施工方方法不同同、施工工水平各各异、施施工速度度有快慢慢、施工工组织良良莠不齐齐)等原因，在设计计过程中中，很难难用一个个简单的的地质模模型和力力学模型型来进行行描述，尽管事事先的调调查和试试验做得得极尽细细致，建建筑物的的实际受受力、变变形状态态和设计计阶段按按力学模模型所预预

3、计的总总不一致致，由此此导致无无法确认认所设计计的支护护结构与与施工流流程的安安全性和和经济性性。为确确保工程程的安全全可靠和和经济合合理，就就必须在在施工阶阶段实施施监测，及时收收集由于于隧道开开挖在围围岩和支支护结构构中产生生的位移移与应力力变化信信息（所所谓“监监测”），并根根据一定定标准判判断是否否需要修修改预先先设计的的支护结结构和施施工流程程，即所所谓的信信息反馈馈。统称称为“监监控量测测”。新建太中中银铁路路吕梁山山隧道加加大监控控量测工工作力度度的必要要性和重重要性吕梁山隧隧道为特特长铁路路隧道，根据围围岩情况况发生大大变形、掌子面面突出、大坍方方（尤其其可怕的的是滞后后的坍方

4、方堵洞情情况）甚甚至冒顶顶均有可可能，岩岩爆已经经在DK132+966附近段落落发生。而相应应于这些些地质灾灾害，我我们的监监控工作作较为滞滞后，而而且由此此导致的的严重影影响施工工决策的的问题已已经出现现，如因因监测工工作不到到位，造造成台车车进场决决策、衬衬砌工作作决策、以及其其它施工工组织决决策无以以寄托，以某管管段初支支为例，因没有有量测资资料或量量测工作作严重滞滞后且不不规范，导致在在支护参参数上毫毫无底数数，按设设计施工工恐不安安全，而而加大断断面，加加强支护护，施工工成本又又无端增增大，而而且即便便如此，也无法法做到心心中无数数。施工工监测工工作的重重要性和和必要性性而易见见，施

5、工工监测形形同虚设设问题的的解决刻刻不容缓缓。监测与信信息反馈馈主要目的的、原则则和工作作重点目的：修修改设计计和进行行施工管管理，保保证隧道道工程的的安全性性和经济济性。与与一般的的工程测测试相比比，隧道道工程中中的施工工监测具具有特殊殊的意义义。原则：求求是、及及时、服服务现场场和设计计。监控量测测的工作作重点1.量测计划划制定;2.测点埋设设与保护护；3.现场实录录（现场场一手资资料或称称原始资资料）；4.回归分析析；5.注重分析析与总结结，理论论与实践践结合；6.重在日常常管理,也即坚持持监测管管理规范范化、施施工监测测日常化化、数据据处理目目标化、预测结结果功用用化;7.为技术管管理

6、、工工序管理理、资源源配置与与施工组组织提具具指导性性意见；为隧道道施工、围岩加加固等提提出理论论上和经经验上的的建议;8.正确处理理施工与与监测的的关系,将监测纳纳入到施施工工序序管理当当中去。监测工作作的必要要知识准准备监控量测测工作涉涉及到诸诸多学科科的知识识，即：1.隧道基本本设计方方法、设设计流程程2.地质模型型、数学学力学模模型3.隧道设计计、施工工与监测测三者间间的关系系4.地质构造造学、工工程地质质与水文文工程地地质学知知识5.地下工程程岩体力力学知识识和土力力学知识识6.数据处理理方法（数学工工具）回归分析析方法7.判据、预预测、控控制（管管理级别别设置）8.反分析（一般用用

7、数值方方法，本本项目可可偿试实实施）9.规范条款规定定 隧道工程程理论设设计流程程隧道工程程的设计计流程涉涉及到到五个方方面的问问题即:围岩的初初始应力力状态,或称一次次应力状状态;开挖隧道道后围岩岩的二次次应力状状态和和位移移场;判断围岩岩二次应应力状态态和位移移场是否否符合稳稳定性条条件即围围岩稳定定性准则则，一般般写成： 式中的R1、R2是根据围围岩的物物理力学学特性所所确定的的某些特特定指标标。设置支护护结构后后围岩的的应力状状态，亦亦称围岩岩的三次次应力状状态和和位位移场，以及支支护结构构的内力力和和位移判断支护护结构安安全性，即安全全度准则则，一般般写成：式中的K1、K2是支护结结

8、构材料料的物理理力学参参数隧道结构构体系的的计算模模型常用的计计算模型型目前，设设计隧道道结构体体系时，有两类类主要的的计算模模型1.传统的结结构力学学模型：以支护护结构作作承载主主体，围围岩对支支护结构构的变形形起约束束作用。这种模模型将支支护结构构和围岩岩分开来来考虑，支护结结构是承承载主体体，围岩岩作为荷荷载的来来源和支支护结构构的弹性性支承。亦称“荷载结结构模型型”2.现代岩体体力学模模型：将支护护结构与与围岩视视为一体体，作为为共同承承载的隧隧道结构构体系，故又称称为复合合整体模模型。与与传统力力学模型型相反，围岩是是承载主主体，支支护结构构只是用用来约束束和限制制围岩的的变形。计算

9、模型型中存在在的问题题（围岩岩力学参参数选取取方面和和支护材材料参数数受施工工方法、施工质质量、环环境条件件影响）以及模模型的选选取的合合理性问问题客观观上决定定了目前前的理论论计算和和分析（包括各各种设计计软件）只能作作为参考考而无法法作为设设计依据据；由此此导致以以围岩类类别或级级别为基基础的经经验类比比设计方方法为主主导设计计方法。支护需求求与支护护补给设计、施施工与监监测三者者关系（1）设计流程程包括了了开挖、支护、直到形形成稳定定的隧道道结构体体系所经经历的力力学过程程（含判判据）。这一流流程充分分表明施施工过程程（开挖挖、支护护）对隧隧道结构构体系终终极状态态的应力力和位移移影响极

10、极大。钻钻爆开挖挖与非爆爆破开挖挖方法（如机掘掘方法）所形成成的二次次应力场场，尤其其是位移移场极不不相同。前者大大，后者者小，在在前者需需要支护护的情况况下，而而后者就就不一定定需要。隧道设设计是基基于一定定的施工工方法上上的，而而不可能能孤立设设计。设计、施施工与监监测三者者关系（2）地下工程程中，监监测与信信息反馈馈以及反反演是随随着新奥奥法原理理的引入入而引入入的。这这种以施施工监测测、理论论分析、经验判判断相结结合，调调查、设设计、施施工相交交叉的设设计、施施工流程程是非常常符合隧隧道工程程特点的的。“监测与与反馈”也即所所谓的“信息化化设计”和“信信息化施施工”，这一过过程可归归纳

11、为：在初步步地质调调查和室室内岩石石力学试试验的基基础上，通过理理论分析析或工程程类比对对支护结结构和施施工决策策做出预预设计。然后，在施工工中对围围岩和支支护结构构的力学学状态的的变化进进行监测测，并将将所量测测到的能能反映隧隧道结构构体系力力学状态态的物理理量（如如洞壁某某测点位位移值、或某一一基线上上的净空空变化值值）加以以综合处处理。最最后根据据必要的的基准值值直接利利用经过过处理的的监测信信息来判判断隧道道结构体体系的可可靠性（如）也也可以通通过反演演技术，根据监监测信息息反推出出表征围围岩性态态及其地地质环境境的初始始参数，然后再再将它输输入模型型中重新新进行理理论分析析，并根根据

12、新的的计算结结果及时时调整和和确定支支护结构构的参数数和施工工决策。由引可可见，监监控量测测与信息息反馈技技术在设设计与施施工间搭搭起了桥桥梁，在在一定程程度上，处于核核心地位位。地质构造造学、工工程地质质与水文文工程地地质学知知识地质构造造学以及及工程地地质与水水文工程程地质学学知识主主要是用用来从地地学角度度完成监监控量测测必测项项目中的的掌子面面岩土体体观察（岩性、构造裂裂隙、地地下水发发育情况况、掌子子面稳定定性估判判）以及及对掌子子面前方方几十米米岩土体体及地下下水的预预计，从从而在修修正监测测计划，以保证证监测布布置的合合理性。另外，亦可根根据经验验，对同同类岩土土体地层层情况下下

13、，给予予大变形形、岩爆爆、坍塌塌及坍塌塌部位等等经验性性判断。岩体力学学知识和和土力学学知识（1）1.对于浅埋埋隧道，如土质质隧道，对于地地表监测测点的布布置范围围的确定定依据土土力学公公式：2.对于黄土土隧道，了解黄黄土的壁壁立性（直立性性）特点点，以及及在下穿穿高速公公路情况况下，不不稳定或或危险范范围。3.隧底底鼓鼓的可能能性计算算其中，D为开挖影影响范围围B为隧道开开挖高度度h为隧道开开挖高度度为围岩内内摩擦角角岩体力学学知识和和土力学学知识（2）对于岩土土质隧道道不同开开挖断面面围岩内内的二次次应力分分布特点点（见下下图）岩体力学学知识和和土力学学知识（2）continued岩体力学

14、学知识和和土力学学知识（2）continued岩体力学学知识和和土力学学知识（3）用于对监监测数据据回归处处理后的的分析，分析变变形或位位移的原原因，并并在一定定程度上上反证或或旁证监监测数据据或处理理结果的的可靠性性。这种种方法对对于明显显的错误误有效。岩体力学学知识和和土力学学知识，有助于于规范对相关施施工监测测要求的的理解：如铁路隧道道喷锚构构筑法技技术规范范（TB10108-2002J159-2002）第6.2.7条款规定定”当地质条条件复杂杂,下沉量大大或偏压压明显时时,除量测拱拱顶下沉沉外,尚应量测测拱腰下下沉及基基底隆起起量.”那么,为何在下下沉量大大时或偏偏压明显显时,需量测拱

15、拱腰及基基底隆起起量呢?如果大家家没有些些许岩土土力学知知识对这这句话是是难以理理解的,如果理解解不了,又谈何规规范监测测呢?不知道为为何监测测,为何监测测这些项项目或增增加某些些监测点点的意义义的话,那么,我们工作作的兴趣趣和工作作的主动动性又从从何而来来呢?相关规规范条条款回顾顾相关规范范1.客运专线线铁路隧隧道工程程施工技技术指南南（TZ214-2005）2.铁路隧道道喷锚构构筑法技技术规范范（TB10108-2002J159/2002）3.铁路隧道道施工技技术规范范（）4.规范条款主要要内容监控量测测计划与与内容监控量测测作业监控量测测资料的的整理与与反馈规范已明确规规定了监监测人员员

16、的工作作内容，工作要要求，工工作思路路和工作作方法。关键在在于学习习、领会会与执行行！ 数据处理理方法（数学工工具）回归分析析方法及及其步骤骤量测数据据处理（信息加加工）的的目的是是：判断断实测值值的可靠靠性，找找出所测测数据之之间的相相互关系系，判定定围岩和和支护系系统的稳稳定状态态。下面面仅说一一下“找找所测数数据间的的相互关关系”的的数学处处理方法法，至于于目的的的第一方方面，就就目前的的状况，我们难难以达到到。回归分析析方法是是一种数数学工具具,属概率统统计学范范畴。实实际工作作中，常常使用的的回归分分析主要要有：一一元线性性回归分分析、多多元线性性回归分分析、一一元非线线性回归归分析

17、、多元非非线性回回归分析析等。注注意所谓谓一元或或多元是是针对自自变量来来讲的。时态曲线线回归分析析位移时间间经验公公式回归分析析步骤：在以时间间为横坐坐标、位位移为纵纵坐标的的坐标系系中，标标出由量量测值确确定的各各对应的的实测点点，即得得所谓的的散点图图；根据实测测点描绘绘出光滑滑的实验验曲线。一般不不可能通通过所有有的实测测点，但但应注意意使曲线线尽量接接近所有有实测点点，并使使实测点点分布在在实验曲曲线的两两边；根据所描描绘的试试验曲线线形状选选择回归归函数。回归分析析方法可可选择的的函数：一般情情况下有有双曲函函数、指指数函数数和对数数函数等等予以拟拟合，但但根据上上述回归归分析步步

18、骤可知知，不一一定仅限限于上述述这几种种 函数数，不应应教条、死板套套用。数据处理理方法（数学工工具）回归分析析方法（continued）据实践经经验，在在地下工工程施工工监测中中，涉及及到最多多的是一一元线性性回归分分析（一一般围岩岩的变形形等为非非线性变变化，但但通常情情况下，可通过过将非线线性方程程转化为为线性方方程来解解决，从从而由非非线性回回归转换换为线性性回归分分析。举举例：监监测中常常用到的的双曲线线回归方方程y=a+b/x在计算截截距a和回归系系数b时，可分分别设y=yx=1/x,这样,函数y=a+b/x便可转换换为y=a+bx,如此,双曲函数数变为线线性方程程,利用最小小二乘

19、法法,计算截距距a和回归系系数b,从而最终终得到回回归方程程）。ab的计算公公式如下下（注，这儿仅仅限于一一元线性性回归）：数据处理理方法（数学工工具）回归分析析方法（continued）数据处理理方法（数学工工具）回归分析析方法（continued）上式给出出的公式式，可用用来手工工并辅以以EXECEL电子表格格计算回回归方程程。建议监测测技术人人员，在在搞清楚楚回归计计算方法法的前提提下，尽尽量手工工计算，而不应应依赖所所谓的“软件”，只求求结果，不问过过程，知知其然而而不知其其所以然然，即便便是出了了错误,大家还不不知道错错在什么么地方,到底出了了错没有有，甚至至根本就就没这个个方面的的

20、概念或或知识储储备。这这也是目目前我们们监控量量测工作作多花样样多的症症结所在在。回归函数数精度与与线性相相关关系系判定回归精度度问题：至于精精度有无无标准问问题，目目前只能能说精度度越高越越好。回回归精度度是在得得出回归归函数后后得出的的，由此此，我们们可以利利用不同同回归结结果，对对比其精精度，尔尔后，择择取相对对高精度度的回归归函数，做为我我们的首首选函数数。回归精度度计算公公式：式式中xt和yt分别为时时间和累累积位移移实测值值，a为回归系系数b为截距。仅凭该式式判定回回归精度度问题值值得商榷榷。 回归函数数精度与与线性相相关关系系判定上式仅从从定性上上说明了了回归函函数的精精度程度度

21、，看起起来无偏偏估计S2越小，精精度越高高。但是是，经回回归得出出的回归归函数（亦称经经验公式式）是否否真的有有近似的的线性关关系？这这个问题题尚未判判定。在在检查过过程中我我们发现现，采用用何种回回归函数数拟合的的随意性性大到没没有任何何理由的的程度：从散点点图分布布图形上上看明显显是个双双曲函数数（或指指数函数数或对数数函数）图样，却采用用了线性性函数（y=ax+b）拟合。由此，也看出出对于回回归函数数拟合过过程中，缺少了了很重要要的一个个环节，即线性性相关关关系的判判定环节节。回归函数数精度与与线性相相关关系系判定线性相关关关系判判定（相相关性检检验）一一般程序序：先提出如如下假设设检验

22、问问题：假假设H0：b=0如果由一一组具体体的样本本（x1,y1）（x2,y2）（xn,yn）,否定了H0，也即判判定b0，(基于基本本假定)也即判定定x与y间有线性性相关关关系。那那么，什什么情形形下，否否定H0呢？数学学上可以以证明，在假设设H0成立时，公式提供的统统计量服服从自由由度1，n-2的F分布（而而且，b离开0越远，即即b的绝对值值越大，F总的说来来越大）1.计算U Q,从而根据据公式计计算F;2.对于给定定的检验验标准,查自由度度为1,n-2的F分布的临临界值表表,得临界值值:p (F)=3.比较(算得的)F值与(查得的)的大小,如F,则否定假假设”H0:b=0”,即认为x与y间具有线线性相关关关系;否则,假设H0是相容的的,即没有理理由认为为x与y间存在线线性相关关关系。回归函数数精度与与线性相相关关系系判定线性相关关关系判判定具体体计算步步骤F分布临界界值表F分布临界界值表F分布临界界值表信息反馈馈预测与控控制(continued)对应拟合合函数的的一阶导导数(位移速度度)和二阶导导数(位移加速速度)计算公式式注下式中中u:为变形值值;b为回归系系数;对于一元元线性回回归函数数a为