地下工程监控量测及新支护技术发展

地下工程监控量测及

新支护技术发展现状

徐干成

空军工程设计研究局

4/8/20251提纲

本讲主要内容第一部分地下工程监控技术的发展第二部分地下工程新材料技术的发展4/8/20252提纲第一部分

地下工程监控技术的发展

4/8/20253提纲

一.引论1.地下工程（或地下空间）的定义*介质力学的角度——凡是处于千变万化的地质体之中，其结构本身与地层（围岩）紧密接触和相互传递作用的工程建筑物。*典型实例——交通隧道、地下铁道、水电输水隧洞、城市地下商场与车库、军用洞室、大型建筑物的地下室（深基坑）等等。4/8/20254提纲2.地下工程的受力特点

（1）地下工程是在自然状态下的岩土地质体内开挖的，地质环境对支护结构设计有着决定性意义；（2）地下工程周围的地质体不仅对支护结构产生荷载，同时它本身又是承载体；（3）作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时机的影响；（4）地下工程支护结构安全与否，既要考虑支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳；（5）地下工程支护结构设计的关键在于充分发挥围岩自承力。

4/8/20255提纲

3.地下工程施工的复杂力学过程

*开挖

*地质体原始地应力体系被打破

*形成二次地应力发生变形

*初期支护

*抑制地层的变形

*变形收敛

*后期支护

*形成三次地应力并达到力学平衡4/8/20256提纲4/8/20257提纲

3.地面工程与地下工程的基本区别

*作用体系——

地面工程：一般只与地基相互作用，

是空间自由状态的作用体系。

地下工程：与周围地层密切相关，

是二者共同作用体系。

*外荷——

地面工程：已知的，明确的。

地下工程：由于地质体和围岩的千

变万化性，迄今仍是有待解决的不

确定性问题。4/8/20258提纲地下工程支护结构的设计无论在设计原理还是计算参数的选用上都比地面工程复杂，仿效地面结构，按假设荷载和岩块试件的力学参数作为计算依据，不可能获得精确的计算结果。目前，还没有一种很合理的地下支护结构的计算和设计方法。一般地，地下支护结构的设计都是采用以经验为基础的工程类比设计方法，再辅助以量测为手段的现场监控设计和计算为依据的理论分析法。如新奥法就是典型的代表。4.地下工程支护结构的设计方法4/8/20259提纲新奥法是应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计和施工的方法和原则。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，英文为NewAustrianTunnellingMethod(NATM)。法国称为收敛约束法，有些国家称为动态观测设计施工法。5.新奥法的基本要点4/8/202510提纲新奥法的基本要点可归纳如下：

(1)开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大的断面开挖，以减少对围岩的扰动；(2)隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；(3)根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛；(4)在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定；(5)二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，4/8/202511提纲因而提高了支护体系的安全度，并不增加衬砌厚度；(6)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；

(7)通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工顺序、进行设计变更及日常的施工管理。(1)施工前预设计阶段施工前预设计是在认真研究测定资料基础上进行的，在这一阶段，一般很难完全详细地掌握实际的工程地质和水文地质资料，常常会有一定幅度的变动，故需要在施工中进行地质调查和现场监控量测，确认和修正预设计。6.新奥法隧道设计程序

(2)信息反馈修改设计阶段

(3)新奥法设计流程4/8/202512提纲

新奥法

设计流程

4/8/202513提纲7.信息化数据的理论计算处理

——反分析技术（测试计算探索外荷）

*地下工程现场位移测试值的获取

*初步分析得到一般规律

*假定几种外荷的组成形式和分配值

*应用正常计算方法（如FEM法）计算

*以计算位移值与测试位移值最近的1-2

组外荷为选定值

*经分析得到最理想的结果和特性曲线

4/8/202514提纲8.信息化技术的法规性文件*GB50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范*ＴB10003-2005铁路隧道设计规范*GB50021-94岩土工程勘察规范*TB2035-88铁路隧道现场监控量测技术条件*TB10108-2001铁路隧道喷锚构筑法技术规范*CECS22:90土层锚杆设计与施工规范4/8/202515提纲国标中关于

信息化设计和

施工的规定4/8/202516提纲4/8/202517提纲4/8/202518提纲二.地下工程信息化施工实例4/8/202519提纲1.下坑铁路单线隧道施工

*特点——软弱破碎围岩，覆盖层5-20m，全隧道采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网支护，突破了隧道设计规范必须至少采用一层模筑混凝土衬砌的规定。*信息反馈状况——特征曲线的三阶段：急剧变形阶段、缓慢增长阶段、基本稳定阶段。经800天长期监测,证明喷锚网支护的可行性和安全性。4/8/202520提纲4/8/202521提纲.2.北京地铁永安里车站施工

*特点——采用中桩支护体系的盖挖逆作法施工，三跨刚架式三层立体结构，跨度20.3m。该方法为国内首次采用。*信息反馈状况——施工全过程监测数据为：中桩最大下沉4㎜，边桩最大下沉小于19㎜，侧向位移6-8㎜，均小于安全允许值，证明工程安全可靠。

4/8/202522提纲4/8/202523提纲.3.北京月潭公园天外天地下商场施工

*特点——为5连拱曲墙式结构，总跨度25.8m，覆盖层3.5m，复合式衬砌。*信息反馈状况——施工全过程地表下沉值一般为1-2㎜，只在5号洞地表由于大量浇水造成23㎜下沉，均小于安全允许值。4/8/202524提纲4/8/202525提纲.4.深圳深南大道大跨度立交隧道施工

*特点——4连拱直墙结构，总跨度45.4m，覆盖层厚仅2-4m。拱部采用湿喷混凝土一次成型技术，国内首次采用该项技术。*信息反馈状况——地表下沉一般均为10-20㎜，最大为30㎜，拱部最大跨度处钢筋应力为50-80Mpa，经长期监测，各项数据均达到安全可靠的目标。4/8/202526提纲深南大道立交隧道施工程序4/8/202527提纲深南大道立交隧道采用格栅钢架4/8/202528提纲北京前门地下通道采用盖挖法施工4/8/202529提纲三.现场测试仪器及元件概述4/8/202530提纲

1.现场监控量测技术中的基本问题

§监控量测技术中的若干基本概念和名词

-非电量的电测法-一次、二次仪表

-传感器-测试元件

-遥测-率定

-误差-精度

-灵敏度-稳定性

-重复性-非线性偏差

4/8/202531提纲§测试元件的基本原理-机械式原理-液压式原理-光弹式原理-光纤传感器原理-电阻式原理-振弦式原理-电感式原理§地下工程中常用的测试元件-钻孔式测试元件-相对位移式测试元件-结构顶部下沉式测试元件4/8/202532提纲2.常用测试仪表及新技术发展4/8/202533提纲§常用机械式测试元件

4/8/202534提纲§常用收敛计4/8/202535提纲§数显式收敛计4/8/202536提纲§钻孔式

位移计4/8/202537提纲§多点式钻孔位移计的安设4/8/202538提纲§普通测斜仪4/8/202539提纲§遥感式

测斜仪4/8/202540提纲§电阻式应变计（表面及埋入式）4/8/202541提纲§钢筋测力计（弦式及电阻式）4/8/202542提纲§弦式土压合4/8/202543提纲§弦式喷层压力计4/8/202544提纲§弦式渗压计4/8/202545提纲§锚杆预应力测力计4/8/202546提纲§锚索测力计4/8/202547提纲§磁感应分层沉降仪4/8/202548提纲§智能应变传感器4/8/202549提纲§激光挠度仪4/8/202550提纲§钢筋位置及保护层测试仪4/8/202551提纲§拔出式混凝土强度仪4/8/202552提纲§拔出式混凝土强度仪（国产）4/8/202553提纲§混凝土强度回弹仪4/8/202554提纲§激光测距仪4/8/202555提纲§数显式收敛计4/8/202556提纲§手持式应变仪4/8/202557提纲§钻孔状况测定仪4/8/202558提纲§多用途读数仪4/8/202559提纲§钻孔多点位移计4/8/202560提纲§多点位移计在隧道中的应用实例4/8/202561提纲§实测数据的通讯监控4/8/202562提纲§GPS监测系统4/8/202563提纲§遥感自动光学扫描仪4/8/202564提纲§遥感自动光学扫描仪（独眼巨人）4/8/202565提纲§遥感自动光学扫描仪现场（沉降扫描）4/8/202566提纲§沉降遥测4/8/202567提纲§地表倾斜遥测4/8/202568提纲§光纤传感器及其二次仪表4/8/202569提纲§光纤传感器原理4/8/202570提纲§隧道测试布置4/8/202571提纲§盾构隧道测试布置4/8/202572提纲§滑坡测试布置4/8/202573提纲§桩基检测

布置4/8/202574提纲

第二部分地下工程中新材料技术的发展4/8/202575提纲一.自钻式锚杆新技术4/8/202576提纲4/8/202577提纲不同直径的自钻式锚杆杆体4/8/202578提纲自钻式锚杆组成（未含附件）4/8/202579提纲各类钻头4/8/202580提纲各类钎尾4/8/202581提纲预加应力测定器4/8/202582提纲自钻式锚杆的不同用途4/8/202583提纲4/8/202584提纲在卵石中的效果4/8/202585提纲隧道中用风钻钻孔4/8/202586提纲隧道中用液压钻钻孔4/8/202587提纲隧道中自钻式锚杆效果4/8/202588提纲隧道中锚杆布置4/8/202589提纲新奥法隧道纵断面4/8/202590提纲4/8/202591提纲隧道中的应用实例4/8/202592提纲全断面施工的纵剖面4/8/202593提纲软弱破碎围岩中的超前支护4/8/202594提纲自钻式锚杆用于隧道洞口支护4/8/202595提纲自钻式锚杆用于地铁基坑支护4/8/202596提纲基坑施工中应用4/8/202597提纲基坑施工中应用4/8/202598提纲无黏结土层中极限荷载曲线4/8/202599提纲自钻式锚杆锚固力计算4/8/2025100提纲二.其他锚杆4/8/2025101提纲V型封闭式摩擦锚杆4/8/2025102提纲V型摩擦锚杆断面4/8/2025103提纲开缝及膨胀型锚杆4/8/2025104提纲回收式锚索4/8/2025105提纲三.隧道防水技术的发展4/8/2025106提纲

§隧道防水技术发展的过程

第一阶段防水混凝土

（混凝土配比、工艺、干硬性混凝土等）

第二阶段外贴式防水层

（油毡—聚酯卷材—橡胶卷材等等）4/8/2025107提纲第三阶段喷涂一般防水材料

（改性沥青—聚氨酯等喷涂材料）

第四阶段渗透型防水技术

4/8/2025108提纲§渗透型防水技术

1，XYPEX（赛派司）防水剂

2，U-Seal（优止水）防水剂

3，Excel渗透型防水剂4/8/2025109提纲§渗透型材料防水机理

混凝土切片的显微观察表明，经

渗透型材料处理的混凝土内部的微细缝隙均被渗透型材料的