宋战平贵阳讲课之信息化施工

提要一、监控设计的概念和原理二、隧道现场监测的必要性三、隧道监测的设计四、仪器安装埋设与观测五、监测数据的整理分析六、最新监测进展七、监测的频率、变量管理值及报警八、反馈设计和指导九、千岛湖支线监控量测介绍目前一页\总数五十三页\编于二十二点一、监控设计的概念和原理

通过现场监测获得围岩介质力学的动态特性和支护结构工作状态的有关参数或数据(信息),对这些数据进行数学力学上的处理和分析,来预报(当前和未来)围岩及支护结构体系的稳定性及工作状态,进一步选择和修正支护及开挖设计参数,指导施工,确保隧道施工及运营的安全与可靠。目前二页\总数五十三页\编于二十二点二、隧道现场监测的必要性1.地质构造的复杂、介质材料的不确定掌握围岩及支护结构力学性态的变化和规律2.各种力的作用(施工)和自然作用影响掌握施工方法方式进展及外界作用力对隧道结构及其围岩力学性态的影响3.对工程诊断的需要:

为理论解析、数值分析提供计算数据验证设计参数施工方法技术的评估改进目前三页\总数五十三页\编于二十二点

对稳定性判断；验证运营安全状况及时发现险情采取相应补救措施；4.未来预测的需要:对未来的性态进行预测,防患于未然5.法律的需要:确定事故责任原因6.研究需要二、隧道现场监测的必要性目前四页\总数五十三页\编于二十二点三、隧道监测的设计1.了解隧道工程条件与概况:形式,类型,功能,尺寸,地层条件,周围环境,服务年限等2.明确监测目的:各阶段的安全评估需要,施工稳定性需要,验证设计,新技术新方法或新材料的研究性需要3.监测内容(监测项目或监测变量)

分前期原位观测、施工期监测和运营期监测三部分目前五页\总数五十三页\编于二十二点1).前期原位观测:围岩多点位移2).施工期监测必测项目:掌子面附近的地层特性及支护状况观测收敛位移拱顶下沉锚杆轴力及拉拔力选测项目:掌子面前方的地质探测地表下沉及分层沉降(覆盖层小于40m)目前六页\总数五十三页\编于二十二点

隧道内围岩多点位移围岩压力及两层支护之间的压力钢支撑内力及外力 支护结构应力及应变支护结构表面裂缝量测围岩弹性波松动圈测试爆破监测渗压和渗流及温度测试3).运营期观测:变形、应力、支护应力和应变、裂缝等目前七页\总数五十三页\编于二十二点4.仪器选择:可靠性(在特殊环境下元件与测试仪器的可行性与可靠性),仪器量程,精度等5.监测断面布置的原则

1).在综合考虑经济和技术条件下优化布置测试断面和测试内容

2).地层构造、围岩特性和工程形状尺寸变化部位

3).断面关键部位和关键施工阶段的情况

目前八页\总数五十三页\编于二十二点4).在少数点或断面安装较全面的测试项目,即最重要的断面进行最详细的观测,其他断面进行一种或几种不同内容的观测

5).在少量测试元件情况下,不要在大区域内均匀分散布置,应集中布置获取尽可能多的详细资料以分析

6).不宜限制埋设的元件数量和观测频率,应留有随机布置的数量和余地,适当调整和优化目前九页\总数五十三页\编于二十二点四、仪器安装埋设与观测1.接触压力是通过埋设压力盒来测试的2.衬砌内力通过埋设钢筋应力计或混凝土应力计测试3.沉降和收敛变形观测点(隧道的三维变形观测)4.围岩深层位移或沉降通过埋设多点位移计观测5.爆破震动监测是通过布设的震动传感器量测震动时的震速目前十页\总数五十三页\编于二十二点五、最新监测进展

1）、传感器的发展：由大向小、精度高、抗各种因素高（水、磁、振动等）、耐久性强、光纤传感器（比喻为神经）的应用

2）、由监测设备发展到自动监测仪器：数据自动采集仪、全站仪、电子水平尺、自动沉降仪、自动测斜仪等，以及超前地质雷达及TSP的应用；

3）、监测模式发生变化：手动发展到自动采集、电话传真到网络实时传送文字和图像多媒体等、实时（RealTime）监测、远程（远距离）遥控监测目前十一页\总数五十三页\编于二十二点六、监测数据的处理、分析和预测一）、数据的取舍1、数据的统计分析1）平均值（表示变量分布的集中位置）算术平均值、几何平均值及加权平均值2）标准差或方差（表示变量的分散程度）3）变异系数（表示变量的相对偏差程度）目前十二页\总数五十三页\编于二十二点2、异常数据舍弃的数学方法

1）3方法根据误差理论，误差绝对值大于3的概率为0.3%，即300次才出现一次，应将该值剔除。试验中采用偏差代替误差，计算偏差的标准差

2）Chauvennet方法认为误差分布遵循正态分布，当误差出现的概率小于1/2n时，剔除该数据。

3）Grubbs方法以t分布为基础，按照置信率为95%和测量次数n求得临界值，依此判断某个测试数据的是否需剔除。目前十三页\总数五十三页\编于二十二点3、异常数据舍弃的工程方法

1）施工工况及周围环境扰动等因素分析

2）在时间上数据的变化规律

3）在空间上临近同一变量数据的变化

4）几个测试变量的对比分析

5）测试人员、仪器的因素分析综合之后可以判定是否舍弃，如仍不能明显决定，则加强测试频率，观测数据变化，并力求在最短时间内决定是否舍弃数据还是真实的性态反映。目前十四页\总数五十三页\编于二十二点二）、数据的分析模式“风”式整理与分析模型（因果关系）开挖导致的效果和因果关系“林”式整理与分析模型（空间关系）开挖引起的空间效应“河”式整理与分析模型（时间关系）开挖引起变量的过去、现在、将来等关系“山”

式整理与分析模型（周边、相关问题）开挖引起周边环境、相关因素目前十五页\总数五十三页\编于二十二点三）、数据分析的方式表格：汇总表格及关系表格图像:曲线、形态图、直方图、馅饼图、立体图函数方式：单变量：直线、双曲线、幂函数、指数函数、对数函数、S型（Logistic）函数、多项式函数；两个变量或以上变量时：非线性动态模式目前十六页\总数五十三页\编于二十二点四）、监测数据的预测

1、测点在时间轴上的变化及预测简单回归方法、经验方法、时间序列分析、非线性动态模式、神经网络、粘弹性或塑性分析

2、测点在空间上的变化及预测经验函数法、多项式、模糊随机、信息扩散理论

3、基于各种假设的解析解

4、有限元及边界元的数值分析

5、基于数据库和知识库的人工智能或专家系统等软科学方法目前十七页\总数五十三页\编于二十二点五）、监测数据的整理分析1.测试变量的转换2.测试数据的整理与分析

1).变形直线上升

u(t)=a+bt2).变形以其速率递增而上升,其速率是当前变形值的函数

u(t)=k+abt目前十八页\总数五十三页\编于二十二点3).变形按其速率递增到递减而变化,最后趋于稳定

u(t)=a+b/t4).变形以其速率递增趋势上升

u(t)=k+abt5).变形服从S形曲线,即Logistic曲线

1/u(t)=1/k+abt目前十九页\总数五十三页\编于二十二点七、监测的频率、变量管理值及报警1.测试的频率应根据测试物理量的累积值和速率值以及距离掌子面的距离共同考虑。2.测试变量的管理值及报警可参看隧道施工技术规范,但必须综合考虑施工进度、施工参数、外界因素和周围环境等。目前二十页\总数五十三页\编于二十二点八、反馈设计和指导施工1.预报围岩失稳的警报。2.根据测试数据和预报数据修正原始设计和调整支护及整个施工方案(喷层增厚、锚杆加密或加长、改变高强钢材锚杆、增加钢支撑、缩短开挖台阶长度和台阶数、提前锚喷支护或仰拱设置时间、掌子面加固或超前支护等)。3.利用测试及预报数据信息,反馈围岩及支护力学参数及模型,进一步优化设计。4.对围岩及支护结构稳定性作出定量的评价,验证理论计算及模型试验结果。目前二十一页\总数五十三页\编于二十二点洞内观察是在施工过程中，对掌子面、喷混凝土及锚杆等情况进行的日常观察。在狗子滩隧道施工中，由于支护措施得当，在喷混凝土和锚杆的观察中均未出现异常情况，而在对掌子面的观察中及时了解到出现溶洞的情况，并采取了相应的措施，详见论文表4-2。洞内观察九、必测项目目前二十二页\总数五十三页\编于二十二点目前二十三页\总数五十三页\编于二十二点目前二十四页\总数五十三页\编于二十二点目前二十五页\总数五十三页\编于二十二点（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变十、其他监测项目目前二十六页\总数五十三页\编于二十二点（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变目前二十七页\总数五十三页\编于二十二点（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变目前二十八页\总数五十三页\编于二十二点（二）二次衬砌钢筋应力、混凝土应变目前二十九页\总数五十三页\编于二十二点（二）二次衬砌钢筋应力、混凝土应变目前三十页\总数五十三页\编于二十二点（二）二次衬砌钢筋应力、混凝土应变目前三十一页\总数五十三页\编于二十二点（三）锚杆轴力目前三十二页\总数五十三页\编于二十二点（三）锚杆轴力目前三十三页\总数五十三页\编于二十二点（四）爆破振动目前三十四页\总数五十三页\编于二十二点（四）爆破振动目前三十五页\总数五十三页\编于二十二点（四）爆破振动目前三十六页\总数五十三页\编于二十二点（四）爆破振动目前三十七页\总数五十三页\编于二十二点IDTS3850-4爆破振动记录仪目前三十八页\总数五十三页\编于二十二点狮子岭隧道爆破时的最大振速。测爆破时噪音的最大值。目前三十九页\总数五十三页\编于二十二点目前四十页\总数五十三页\编于二十二点测爆破时最大的振动速度目前四十一页\总数五十三页\编于二十二点目前四十二页\总数五十三页\编于二十二点波形图以及合成图谱目前四十三页\总数五十三页\编于二十二点目前四十四页\总数五十三页\编于二十二点（五）建筑物沉降目前四十五页\总数五十三页\编于二十二点（五）建筑物沉降目前四十六页\总数五十三页\编于二十二点