（岩土工程专业论文）城市地铁隧道浅埋暗挖施工对上覆既有结构影响的研究.pdf

摘要 随蓿地铁隧道建没在城市的发展，经常需要在既有结构周围修建地铁，由 于受城市施工条件的限制，浅埋暗挖法已成为城市地卜工程施工的主要方法之 一，比如现在正在修建的北京地铁五号线穿越既有线等。在地铁建设过程中准 确的掌握周同土层友邻近地下既有结构的变形特点及规律，能够对施工带来意 想不到的效果，比如适用性、安企性、经济性等。 本文针对北京地铁h 号线崇文门车站下穿既有环线这一1 ：程实例，通过大 量的现场监测资料分析、运用数值模拟讨算等多种研究手段，对城f 盯地铁隧道 浅埋暗挖施工对上覆既有结构的影响进行r 全面而系统的分析研究，取得了一 系列的研究成果。本文重，_ 研究分析了既有线远程监测结果，得出管棚施工及 中洞四导洞的丌挖是造成既有结构沉降的主要部分，管棚与既何结构之间土体 的存在是引起既有结构沉降的重要原因，在这一部分土体进行注浆有效地消减 了新线施工对既有结构造成的影响。本文还采用数值模拟计算，埘施t 方案进 行了优化，得出在本1 程中柱洞法要优于巾洞法，进而对柱洞法的具体施工步 序进行了优化，得到柱洞法中洞四导洞的最佳开挖顺序。这些都及时应用到了 施工过程中，对施工过程起到了一定的引导作用。最后，总结全文，提出了对 类似近距离隧道穿越既有结构的工程具有一定的借鉴价值。 【关键词】浅埋暗挖法既有结构管棚柱洞法结构沉降 a b s t r a c t w i t h 山ed e v e l o p m e n to fm e t r ot u n n e lc o n s t r u c t i o ni nc i t i e s ，s u b w a yt u n n e l sa r e o f t e nr e q u i r e dt ob eb u i l ta r o u n dt h ee x i s t e ds t r u c t u r e s h a l l o we x c a v a t i o nt e c h n i q u e h a sb e e no n eo ft h em a i nm e t h o d so fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni nc i t i e s ， s u c ha st h ec r o s s i n ge x i s t e d1 i n eo fb e i j i n gm e t r on o ，5l i n e w h i c hi si nc o n s t r u c t i o n n o w t h ee x a c t 刚pf o rd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u l e so ft h ea m b i e n ts o l i 1 a v e ra n da d i a c e n tu n d e r g r o u n de x i s t e ds t r u c t o r et h r o u g hm e t r oc o n s t r u c t i o nc o u r s e c a nb r i n gb e a ta l le r i e c t st oc o n s t r u c t i o n s u c ha sa p p l i c a b i l i t y ，s e c u r i t y , e c o n o m i c a l e f f i c i e n c ya n ds o o n a c c o r d i n gt ot h i so n ep r a c t i c a lp r o j e c t 也a tb e i j i n gm e t r on o 5l i b ec r o s s e s u n d e rt h ee x i s t e dl i n e ，t h i sp a p e rh a sm a d ea no v e r a l la n ds y s t e m i ca n a l y t i c a ls t u d y o ni n f l u e n c eo fu r b a nm e t r ot u n n e lc o n s t r u c t i o nb ys h a l l o we x c a v a t i o nu p o nt h e o v e r l y i n ge x i s t e ds t r u c t u r et h r o u g ha n a l y z i n gam a s so fs i t em o n i t o r i n gd a t aa n d a d o p t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m p u t i n g ，a n dt h e nas e r i e so fr e s e a r c hr e s u l t sa r e o b t a i n e d t h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gr e s u l to ft h ee x i s t e dl i n eh a sb e e ns t u d i e d a n da n a l y z e de m p h a t i c a l l yi nt h i sp a p e r , s ot h er e s u l tt h a tc o n s t r u c t i o no fp i p es h e d a n de x c a v a t i o no ff o u rg u i d i n gh o l eo fm i d d l eh o l ei st h em a i nc a u s eo ft h ee x i s t e d l i n es e t t l e m e n ti so b t a i n e d a n dt h ee x i s t e n c eo ft h es o l lb o d yb e t w e e nt h ep i p es h e d a n dt h ee x i s t e ds t r u c t u r ei st h ei m p o r t a n tc a u s eo ft h ee x i s t e ds t r u c t u r es e t t l e m e n t ， a n dt h e ng r o u t i n gi nt h i ss o l lb o d yc a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo fc o n s t r u c t i o no ft h e n e wl i n eo nt h ee x i s t e do n ea v a i l a b l y , t h e s er e s u l t sa r ea l s oo b t a i n e d t h i sp a p e r a l s o m a k e sa no p t i m i z a t i o nf o rc o n s t r u c t i o np r o j e c t sb yn u m e t i c a ls i m u l a t i o n ，l t i s o b t a i n e dt h a td r i v i n gp i l ei nt u n n e li sb e t t e rt | 1 a nm i d d l eh o l ea d v a n c et u n n e l i n gi n t h i sp r o j e c t ，a n dt h e nm a k e sa no p t i m i z a t i o nf o rs p e c i f i cc o n s t r u c t i o np r o c e s s e so f d r i v i n gp i l ei nt u n n e l 。s ot h eb e s te x c a v a t i o no r d e ro ff o u rg u i d i n gh o l eo fm i d d l e h o l eo fd r i v i n gp i l ei nt u n n e l a 1 1t h e s eh a v eb e e na p p l i e dt oc o n s t r u c t i o nc o u r s e ， w h i c hh a sc e r t a i ng u i d a b l ee f f e c t a tl a s t ，s u m m a r i z i n gt h ew h o l ep a p e r ，t os i m i l a r 甜o j e c tt h a tc l o s e d s p a c e dt u n n e lc r o s s e s t h ee x i s t e ds o u c t u r et 1 1 e r el sc e r t a i l lu s ef o r r e f e r e n c e k e y w o r d s ：s h a l l o we x c a v a t i o nt e c h n i q u e ；e x i s t e ds t r u c t u r e ；p i p es h e d ；d r i v i n gp i l e i nt u n n e l ；s t r u c t u r es e t t l e m e n t 北京交通人学硕 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 进行本课题研究的意义 人类在地球上出现以来，已有3 0 0 万年以上的历史。在这段漫长的时期内， 地下空间作为人类防御自然和外敌侵袭的防御设施，而被利用。随着科学技术 的发展和人类文明的进步，这种利用，也从自然洞穴的利用向着人工洞窀方向 发展。到现在，人ii 向城市集中，使城市人口密集、城市功能恶化，许多大城 市存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题。为了保持城市功能及交通所需的空 i 到，人们也丌始求助于地下空间，把对地下空间的开发利用作为解决城市人口、 环境、资源危机的重要措施，实现城市可持续发展的重要途径。2 l 世纪将成为 人类开发利用地下空间的世纪，城市地下工程将有很大发展。 地下工程之一的城市地铁工程在1 8 6 3 年英国伦敦建成世界第条地铁后 迅速发展。城市地铁不仅具有安全i i 】靠、准时方便和舒适等特点而且它少占用 土地，基本不破坏地面景观；将部分街面交通转移到地下，能够快速大量输送 乘客，极大地缓解城市交通拥挤问题：而且很多地铁不仅超到交通运输的作用， 在战争时期还起到了防空掩蔽所的作用。因此，许多城市都很重视地铁的建设。 伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科都已经形成了四通八达的地铁线网，并已向 深层发展。我圈自1 9 6 5 年开始在北京修建地铁，至今已有北京、天滓、 二海、 广州等城市地铁线路投入了运营。另外，我国香港和台北也有地铁线路投入运 营。这些地铁线路的开通缓解了交通拥挤状况，这些城市以及深圳、重庆、沈 阳、青岛、武汉、南京、杭州等城市正在积极兴建或计划修建地铁。我国人口 众多，很多大中城市均存在严重的交通拥挤问题，要根本解决这个难题，其中 第l 页 北京交通大学碗l 学位论文 箱一帝绪沦 一个重要方面必须将地面人流最大限度引入地下。随着经济的发展，更多的城 市将要修建地铁，因而地铁建设在我国将是一项长期的任务“1 。 但是大量的地下铁道隧道工程建设实践表明，施工过程会给周围的建筑 物、地下构筑物或地下管网带来不同程度的影响。隧道施工会使周围的地层和 地面产生变形，严重者会造成建筑物不均匀沉降、开裂，甚至倒塌，造成人员 伤亡：对于近旁的地下铁道隧道等会造成变形过大，列车出轨等严重事故。因 此，隧道施工要与城市中有历史意义和经济、社会意义的设施协调起来。隧道 施工引起的地表移动与变形，尤其是在地面建筑设旄密集的城市中进行隧道施 工，一直是人们十分关心的课题。地下开挖势必引起地表沉降和变形，地表沉 降到定程度时，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。为减少由 于隧道施工而引起的地表沉降和变形所造成的对地面建筑物及地下设旋的损害 以及对周围环境的不良影响，必须对地表移动与变形进行正确预计。 近几年，采用浅埋暗挖法修建的地下工程已越来越多，特别是在城市地下 工程的条件下，它的优越性阿益明显。可以毫不夸张地说，浅埋暗挖法与明挖 法、盾构法一样，已成为城市地下工程施工的主要方法之一。城市浅埋地下：e 程，以往多是采用传统的明挖法施：i ：。明挖法简单易行，也较经济，但会给附 近居民带来很多的不方便，同时也会不同程度地影响地面交通的正常运行和商 业活动的难常开展，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心区，尤其严重。1 。同 时，明挖法还要拆迁和维修大量的地f 管网和地面建筑物，其经济损失也是很 大的。 浅埋暗挖施工技术是在新奥法( n a t m ) 的基础上发展起来的一种适合城 市浅埋地下工程施工的新的掩工技术，己广泛应用于世界各国的地铁隧道建设。 在我国，浅埋暗挖施工技术首次应用在北京地铁复兴门折返线工程，之后陆续 在全国各主要大城市，如广州地铁一号线、深圳地铁、郑州电力管线、徐州的地 第2 页 北京交通大学硕卜学位论文 第一章绪论 下通道等普遍使用。这项技术之所以发展很快，主要是因为我国地下空问的开 发和利用历史不长，而“新奥法”的设计施工原理颇具新意，适于我图地f i e 程特点，其占地少、拆迁少、扰民少、影响交通少、污染环境少等特点，极其 适合在城市，尤其是在城市中心区、旧城改造、繁华地带、交通拥挤地段进行各 类地下工程建漫”1 。目前，各地区结合自身的特点，利用“新奥法”原理进行 设计、施工均有所发展，有所创造，通过不断总结，有所共识，并经过实践检 验，形成了目前大家公认的所谓“浅埋暗挖”法原则。 由丁t 城市浅埋隧道，其上面的覆盖层多为松散的新第四纪，开挖过程中造 成的地层变形较大。如果在地铁的建设过程中不能对周围地层的特性做出精确 的预测，不能够获得浅埋暗挖隧道周围土体的变形特征，那么复杂的地铁建设 工程将可能对其周围的地f 桩、地下连续墙、地下管道、以及周围地表的已有 建筑造成巨大破坏。由此，人们提出了地铁隧道浅埋暗挖施工产生的城市环境 土工问题，这主要是指土体受施工扰动引起周围地层移动和地层沉降( 隆起) 对周围建( 构) 筑物和地下管线的二t 工环境损伤。特别是现在地铁隧道建设在 城市的发展，经常需要在既有结构周围修建地铁，比如现在正在修建的北京地 铁五号线穿越既有线等。因此，在地铁建设过程中准确的估计周围土层及邻近 地下既有结构的变形是非常重要的而且有着很大的实际意义。本课题将就此主 要讨论研究由浅埋暗挖施工引起上覆既有结构的变形特点等方面的问题。 1 2 目前国内外的研究成果及现状 隧道施工对邻近地下结构产生的影响，实际上是隧道施工引起的地层位移 问题。 在隧道施工引起的地表移动和变形中，地表沉降的大小和分布是最受关注 的。对于隧道施： 引起的地表沉降问题的研究，起源于对煤矿等矿山巷道上方 第3 硪 北京交通夫学礁l j 学位论殳第一章绪论 地表沉降现象的分析。对于这种现象，首先对地表沉降槽的形状进行观察，将 沉降槽的曲线形态以数学形式加以表现，逐步对地表沉降分布、最大沉降量等 进行理论和经验上的推断。根据煤矿地区巷道开挖地表下沉的实测结果，m a r t o s ( 1 9 5 8 ) 提出隧道开挖引起的地表沉降槽可由误差函数近似表示”3 。1 9 6 9 年， 在当时大量隧道开挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上，p e c k 系统地提m 了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法”3 ，即p e c k 公式。此后， p e c k 本人及其他不少学者和工程技术人员作了大量工作，使之成为目前应用最 为广泛的预计隧道施工地表沉降的方法。p e c k 认为，在不排水情况下，隧道) t 挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他假定地层损失在整个 隧道长度 二均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降分布的预计公式： fx2 s ( x ) = s m a = , , e x p 【一矿j ( j - 1 ) s = 老= 去 m z ， 式中s ( x ) 距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值： v t 施工引起的隧道单位长度地层损失； s 一隧道中心线处于地表最大沉降量； i 地表沉降槽宽度系数。 0 s f x ，一一上t 弯点l 圈1 一l 隧道上方地表横向沉降楷 公式( 1 - 1 ) 和( 1 2 ) 中，需要确定v i 和i 两个参数。这些参数与隧道丌 第4 页 北京交通大学硕1 ：学位论文 第一章绪论 挖深度、断面尺寸、地层条件和旌工条件密切相关p e c k 、c o r d i n g 、c l o u g h 、 s c h i m i d t 等许多学者对参数的取值进行了大量研究“，给出了许多经验取值。 英国是世界上最早修建地f 铁道的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降 1 0 q 题研究较多”7 “。它们的工作大部分是由英国t r r l ( t r a n s p o r ta n dr o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 所进行的。or e i l l y ，n e w 等针对不同的地层，研究了采 用不同施工方法所引起的地表沉降问题。在大量实测资料的基础上，提出了实 际沉降槽宽度、地层损失和地表沉降的预计公式”。“。根据单孔隧道地表沉降结 果，按照叠加原理，得出了丌挖双孔隧道引起的地表沉降计算公式。a t t e w e l l 等还通过假定横向地表沉降为一j 下态分稚形式，纵向分布为二：次抛物线形态， 得出了隧道施工引起的三维地表运动公式”1 。k i m u r a 和k a i r 等还通过离心模型 试验对伦敦几种地层中隧道施工所产生的地表沉降预计参数进行了探讨“。按 照体积不变的假定，可以得到地表水平位移的计算公式。土体固结引起的地表 沉降问题的研究也进行了许多，并且进行了长期的实测“。这些预计公式经过 大量的实测结果的验证，在地表移动和变形预计中获得了广泛应用，取得了较 好的效果。 欧洲其他许多困家和美国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表 沉降问题进行了许多研究，积累了丰富的实测资料，他们大都采用p e c k 公式或 者基于英国学者所提出的以经验公式为主的方法进行预计。 同本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，尤其足在软土地层中进 行隧道建设，因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注，许多学者对 此课题进行过深入研究“。f u j i t a 提出了盾构隧道地表沉降预计方法；半谷根 据实测资料，给出了地表最大沉降量的预计方法。在软土地层条件下，软土的 固结沉降占有相当大的比重。藤田进行了软土地层中不同盾构施工方法对地层 的影响方面的研究，森氏、岛田等亦提出过实用的计算公式。 第5 _ 贞 北京交通大学顺i + 学位论文 第章绪论 在国内，同济大学结合现场实测和理论研究，提出p e c k 修正公式。北京交 通大学张弥“23 等开发出了预计隧道施工后的地表沉降的专家系统。 海隧道股 份有限公司等单位开发了施工技术专家系统“，可以对隧道施工后的地表沉降 进行预估。波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 为研究采煤岩层与地表移动 问题提出了随机介质理论，经过我国学者刘宝琛、廖国华、阳军生等的发展， 随机介质理论已逐步完善，也可用束对隧道施工后的地表沉降进行预估。但是， 上述诸方法都没有或不能很好的反映隧道的实际施工过程，由于隧道结构及其 周围岩土介质的高度非线性，地下工程的开挖问题具有非线性的路径相关性， 即随着施工进程的变化，结构的形状电在不断发生变化，与此同时作用在结构 上的外荷载也随之改变，从力学意义上来看，结构响应量是与加( 卸) 载途径 有关的。在隧道施工中，采用不同的施工工法、不同的开挖步骤、不同的支护 参数将会引起程度不同的地表变形。也就是说只有考虑施工过程和路径才能准 确反映隧道施工过程中围岩和结构的应变、应力状态，迸而才能准确的预计地 表的移动与变形，因此上述方法的使用范围和发展前景是非常有限的。实际上， 在地层中进行复杂隧道结构的开挖是非常复杂的三维时空问题，随着数值计算 方法的发展和计算机软硬件的高速发展，复杂定解条件问题的处理才、成为可能， 也使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能。目前国内外学者对于地下隧道 工程的施工已基本形成了这样的观点，即实际施= ：中都采用分步分块丌挖和支 护，这种分步分块的不同组合及支护的施作时机，对洞室最终的稳定状况有非 常重大的影响，存在某一种特定的施工步骤，按照这种施工步骤能够达到最佳 的终结状况，合理地选择这种施工步骤，就可以使施工最经济、有效“。铁道 部第十六工程局进行过北京地铁复八线王府井至东单区问施工技术和施工效应 的研究，其他学者也进行了一些地铁施工引起的地表沉降研究，但总的来说研 究得还是巧i 多，且多数为物理模拟，即主要为相似模型实验研究。 第6 页 北京交通大学硕卜学位论文 第一章绪论 在地下隧道施工中利用数值模拟进行规划分析，足近年来随着计算机软硬 件技术的发展而新兴起来的。1 9 9 5 年左右，朱维中等对某水电站地下洞群进行 了施工顺序优化，得出许多有意义的结果。如采用不同的开挖分块组合和不同 的开挖顺序，得到的围岩塑性区大小分布有很大的彳i 同，从而会对豳岩的稳定 性产生不同的影响，其中有两种不同的施工工艺方法得到的塑性区面积甚至相 差l o 倍“。随着这方面研究的进行，越来越多的学者认识到施工途径对施工效 应的巨大影响，并且提出了岩体动态施工力学的新方向。但限于当时计算机软 硬件设施，以前在这方面进行的研究，大多没有考虑实际施工支护等的影响。 本文拟在城市地铁隧道施工方面进行不同施工途径的数值模拟，且考虑实际旋 ：支护对地表沉降的影响，结合大量现场监测数据得出施工对卜覆既有结构的 变形特点及规律。 针对上述实际问题，人们为了去研究和分析其本质和机理，以验证理论和 解决工程实际问题，目前常常使用以f 几种研究手段“： ( 1 ) 理论分析法 从已有的结论出发，经过复杂的理论推导、证明，得出新的结论。鉴于地 下工程应力场与沙流场作用的复杂性，这种方法使用十分有限，即便是得出结 论，也由于结论中含有许多未知参数不能确定而不具有实用价值。 ( 2 ) 数值分析法 计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。因为隧道施工引起的地：菱 沉降影响因素很多，任何简单实用的计算方法都无法反映众多因素的综合影响。 而借助于计算机，可以较全面地考虑影响地表沉降的各主要因素，较为准确地 预计隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。常用的预 计地表沉降的数值计算方法主要有有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、 边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 和刚性有限元法( r f e m ) 等。其中实 第7 页 北京交通人学硕l 学位论义 第章绪论 际运用最为广泛的还是有限单元法( f e m ) 。 采用有限单元法( f e m ) 预计隧道施工弓l 起的地表沉降时，将沉降视为力 学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形，而n 可以得到地层内部的应力、 变形状况。根据隧道施工的地层条件及隧道施工的实际情况，可以掩地层假定 为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类璎的介质。弹性有限元方法般适用予 地层和施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限元法对隧道开挖施 工引起的地表沉降进行了估算，并取得了较为满意的效果。由于在隧道施工过 程中，周围的土体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算值 偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法 不仅能够考虑隧道施工引起的地层损失，而且可以考虑士体的失水固结、土体 本身的压缩性等，并且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以考虑 各种断面形式，因而获得了广泛的应用。目前已经开发出了各种成熟的二维及 三维线性与非线性有限元程序，能够考虑不同类型土的本构关系和各种施：r 因 素，比如2 d o 、3 d o 、a n s y s 有限元程序等。 ( 3 ) 模型试验法 模型试验如果按尺寸比例来分又可分为足尺模型和缩尺模型两种情况。足 尺模型试验或现场原位试验，采用l ：l 比例，这种方法最能体现原型的实际情 况，结果也是真实可靠的。但是出于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一样， 对f 比较大的土工构筑物来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、 财力，有时得不偿失，这种方法仅应用于较少的工程实践中：缩尺模型特别是 小比尺模型目前是人们常常采用的一种方法。即将原型的几何尺寸按照一定比 例( 通常1 5 0 1 2 0 0 ) 缩小后进行研究。小比尺模型又可分为小比尺常规模型 和小比尺离心模型，小比尺常规模型由于不能补偿几何尺寸的缩小带来的白重 损失，同时也不能解决隧道施工中地下水渗流场与地层应力场相互作用问题， 第8 蒙 北京交通大学硕i 学位论文 第一章绪论 因此刁i 能反映原型的真实情况。离心模型试验( c e n t r i f u g em d e lt e s t ) 是将十工 模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受重力加速度n 倍的离心加速度作用 n 为模型率) ，增加模型的容重，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。 它比通常在静力( 熏力加速度= l g ) 条件下的常规模型更接近于实际。这特 点导致了离心模型与常规模型本质的区别“7 “1 。 1 3 本文的主要研究内容与研究方法 关于隧道施工引起地表沉降问题的研究已经取得了大量的研究成果，随着 近几年浅埋暗挖法在地下工程中应用的越来越广泛，对其引起地层变形方面的 研究也越来越多。但是由于它兴起时间还不是很长，而经验在城市地铁】：程t 护 起的是举足轻重的作用，其理论和实践的结合还有待加强。特别是对于北京地 铁修建很多都是穿越既有构筑物的施工案例，像此类穿越既有构筑物引起既有 结构变形以及土体跟既有结构之间的关系等问题，有必要进行深层次的研究分 析。基于此，本文针对北京地铁矗号线崇文门车站下穿既有环线这一工程进行 了研究分析，主要包括以下内容： 1 对监测原理、监测方法、测点布置、以及仪器的选择等进行了系统的 研究分析，形成了一套对既有结构远程监测的体系，对类似工程具有借鉴意义； 2 通过现场监控与量测，研究实测结果，对隧道丌挖引起既有结构变形 特点及规律进行分析总结。针对浅埋暗挖法簏工的隧道，把施工的每项工序、 ：i ：艺、开挖面的加固状态引起既有结构变形特点及其原因分别进行了分析总结。 同时提出既有结构破坏的标准； 3 采用有限元计算软件，对浅埋暗挖施工方案以及旌： 方案的具体施1 ： 工序进行优化，得到最佳的施工方案及其具体的施工工序，对现场施工起了一 定的指导作用，具有经济性和实用性。 第9 页 北京交通大学硕l 学位隆义第二章隧道精榨量测原理及技术措施 第二章隧道监控量测原理及技术措施 2 1引言 在城市地铁施工过程中不可避免地要导致地铁沿线的地层扰动和士体损 失，使其影响范围内的地表及其下伏地质体产生较大的沉降变形，因此监测的 目的主要就是通过瞻测及时了解和掌握施工过程中地表隆陷情况及其规律性； 了解施工过程中因地表隆陷而引起的房屋及其它构筑物下沉及倾斜情况，并根 据前+ 步的观测结果，预测下一步地表沉降和对周围建筑及其它设施的影响； 研究地层特性、地下水条件、施工方法与地表沉降的关系，以作为改进设计的 依据：以及了解围岩与结构物的相互作用力等等以便及时调整施工参数，如确 定台阶长度、注浆参数等，控制地层扰动，减小变形，以确保地面建筑物及地 下管线等的安全，同时为以后类似工程积累经验和提供指导“”。 ( 1 ) 预测、预报施工安全和隧道结构稳定性。 ( 2 ) 控制地表建筑物和地下管线的沉降变形。 ( 3 ) 调整，1 ：挖及支护参数、修改施工设计。 ( 4 )为科研提供原始技术数据，检验科研技术成果。 ( 5 ) 优化设计与施工，为后续工程提供技术依据。 2 2 监控量测系统设计原则 在地下工程中进行量测，绝不是单纯地为了获取信息，而是把它作为施：e 管理的一个积极有效的手段，因此量测信息应能“： 北京交通人学硕i j 学位论文第二章隧道监挖量测原理及技术措施 ( 1 ) 确切地预报破坏和变形等未来的动态，对设计参数和施工流程加以监 控，以便及时掌握围岩动态而采取适当的措施( 如预估最终位移值、根据监挖 基准调整、修改开挖和支护的顺序和时机等) 。 ( 2 ) 满足作为设计变更的重要信息和各项要求，如提供设计、施工所需的 重要参数( 初始位移速度、作用荷载等) 。 施工监测是一项系统工程，监测工作的成败与选用监测方法的选取及测点 的布置直接相关。根据以往监测工作的经验，归纳以下五条原则。 ( 1 ) 、可靠性原则：可靠性原则是监测系统设计中所考虑的最重要的原则。 为了确保其可靠性，必须做到：第一，系统需要采用可靠的仪器。第二，应在 监测期间保护好测点。 ( 2 ) 、多层次监测原则：多层次监测原则的具体含义有四点： a 、在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目。 b 、在监测方法上以仪器监测为主，并辅以电测巡检的方法。 c 、在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪。 d 、考虑分别在地表、及临近建筑物与地下管线t - _ 布点以形成具有一定测 点覆盖率的监测网。 ( 3 ) 、重点监测关键区的原烈0 ：在具有不同地质条件和水文地质条件、周 围建筑物及地下管线段，其稳定的标准是不同的。稳定性差的地段应重点进行 监测，以保证建筑物及地下管线的安全。 ( 4 ) 、方便实用原则：为减少监测与施工之间的干扰，蠊测系统的安装和 测量应尽量做到方便实用。 ( 5 ) 、经济合理原则：系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的 先进性，以降低监测费用。 第n 页 北京交通大学颧i ：学位论文第二章隧道般挣量测原理及技术措施 2 3 监控量测项目及方法 2 3 1 监测项目的选择” 隧道1 ：程现场量测的内容，应考虑到量测仪器的选择。般应选择简单、 可靠、耐久、经济的量测仪器，并且要求被测物理量概念明确，量值显著，量 程较大；测试数据便于分析，易于分析，易j f 实现对设计、施工的反馈。“。 针对本论文对北京地铁五号线崇文门车站施工对上覆既有结构变形影响的 研究，选择的对既有结构的监测项目汇总如表2 1 。 表2 序 雌测项h瓶测仪器盼测频率l 瓶损8 目的 u 眦有线结构沉静力水准系施t 关键期：l 状2 0 分钟掌搬施1 。期间既有线结 l 降监测统一般施t 状态：1 次2 小时构受形情况 既有线结构变静力水准系施t 关键期：1 次2 0 分钟掌握施t 期间既有线结 2 形缝沉降| l l 测统- 般施t 状态：l 救2 小时构缝沉降变形情况 虮冉线结构缝施丁关键期：1 次2 0 分钟掌握施工期间既有线结 3测缝计 胀缩瓶测般施工状态：1 次2 小时构缝水“t 变形情况 走行轨结构纵静= ；f j 水准系施1 一关键期：1 次2 0 分钟掌握施工期间既有线轨 4 向变形监测统一股施t 状态：1 次2 小时道结构纵向变形情况 走行轨结构左 施1 关键期：1 次2 0 分钟 掌握施工期问既有线轨 5右水、l t 变形| j 在粱武倾斜仪道结构左右水、r 变形情 测 一般施工状态：1 次2 小时 犹 走行轨水、f 距施f 关键期：1 次2 0 分钟掌握施1 ：期间既有线轨 6变位计 离变形 睫测一般施工状态：1 次2 小时道水甲距离变形情况 2 3 2 监测测点布设原则 监测范围为上方9 0 m ，根据理论计算及实际情况，本着突出重点，兼顾全 局，能够正确指导施工的原则，对监测布点本着以下原则进行，结构变形缝为 重要监测对象，该区域需重点监测，在变形缝两侧布置静力水准仪监测变形缝 两侧沉降变形，在变形缝两侧沿水平方向布置测缝计，监测变形缝张开度。轨 道结构变形为重要监测项目，该项加密测点布设。 第1 2 页 北京交通大学硕j ：学位论文 第二章隧道嗡控量测原理及技术措施 2 3 2 1 结构沉降监测 一、结构沉降监测 结构沉降监测采用静力水准仪，布设方案为：被穿区域宽度为2 4 米，以5 号线崇文门站穿越中心线为基准，在其上宽4 2 米的区域作为重点监测区域，在 两侧墙每隔9 米处设一沉陷测点；在其上宽4 2 米至1 0 7 米区域内两侧墙每隔 1 0 米处设。沉陷测点；在其上宽1 0 7 米两侧墙处为沉陷基点。因1 0 0 米宽的运 营地铁中有1 2 米的高差，在两侧墙各布设两条静力水准系统，采用。个转点， 在图3 1 的3 个结构缝处重点监测在结构缝的两侧各布设一个测点，按上述布 设原则每个监测段共设4 条静力水准系统计3 0 个测点。上、下行线共布设6 0 个测点，具体布置如图3 4 、3 5 。 结构沉降监测测点保护，在结构沉降测点上采用明显标识，提醒既有线内 管理人员注意保护，通信线路采用特殊连接与连通管路共同采用管路保护。监 测人员定期巡视，保证仪器正常运行。 二、结构缝变形监测 二号线区间沿纵向每1 8 m 设设有结构缝，对图示的3 个结构缝进行监测， 沉降观测采用静力水准系统，沉降缝之间的胀缩测缝计进行测量，在选定的3 个结构缝上的两侧沿缝水平方向布设1 只测缝计，选择施工影响范围内的3 个 结构缝进行监测，上、下行线共布设1 2 个测点。结构缝变形盟测测点保护如同 结构沉降监测。具体前i 置如图3 4 、3 5 。 2 3 2 2 轨道结构变形监测 一、走行轨结构纵向变形监测 本项观测为监测重点，因静力水准法的精度在上百米的沉陷量传递中精度 明显高于水平粱式倾斜仪，故轨道变形监测采用在深0 3 8 m 地铁排水沟中的却 设静力水准系统( 需将静力水准系统小型化) 的方法进行监测，。因1 0 0 米宽的 第1 3 页 北京交通大学硕l ：学位论文 蒋章隧道监拧量测原理发技术措施 运营地铁中有1 2 米的高差，为保证监测系统安全可靠，共布设1 0 条静力水 准系统，采用9 个转点，每个监测段共设9 条静力水准系统计3 0 个测点。卜、 下行线共布设6 0 个测点。具体布置如图3 4 、3 5 。 二、走行轨结构左右水平高低变化监测 采用梁式倾斜仪监测，布嚣方案为：1 0 0 m 范围内，从里程n k 2 1 6 + 2 2 至罩 程n k 2 1 7 + 2 2 ，测点问距依次为1 5 m ，1 5 m ，1 0 m ，5 m ，5 m ，5 m ，5 m ，1 0 m ，1 5 m ， 1 5 m 。上、下行轨共布设2 2 只。具体布置如图3 4 、3 5 。 三、走行轨水平距离的偏差监测 采用测距仪监测走行轨水平间距的相对变形，稚置方案为：测点间距依次 为1 5 m ，1 0 m ，5 m ，5 m ，5 m ，5 m ，1 0 m ，1 5 m ，1 5 m ，上、f 行轨共布设2 0 只。具 体布最如图3 4 、3 5 。 2 3 3 监测方法及仪器说明 一、静力水准仪原理 该方法及所选用的仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个 测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。 嘲2 - i 测量原理示意圈 如图2 - 1 所示，设共布设有n 个测点，1 号点为相对基准点，初始状态时 各测量安装高程相对与( 基准) 参考高程面v h 0 间的距离则为：y 0 1 、y 0 2 第1 4 页 北京交通大学颂l 掌位论文 第一章隧道监拧量测原理及技术措施 y 0 i y o n ( i 为测点代号i = o ，1 n ) ；各测点安装高程与液面间的距离则为h o l 、 h 0 2 、h o i h o n 则有： y 0 1 + h o l = y 0 2 + h 0 2 = y 0 i + h o i = y o n + h o n 。r 2 一1 ) 当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面v h 0 的 变化量为：ah j l 、ah j 2 a h j i a h j n ( j 为测次代号，j = l ，2 ，3 ) ；各 测点容器内液面相对于安装高程的距离为h j l 、h j 2 、h j i 、h j n 。由图可 得： ( y o + ah j l ) + h j l = ( y 0 2 + ah i 2 ) + h 2 = ( y o 。+ a h j i ) + h j i = ( y o n + h j 。) - - h j n 。e ( 2 - - 2 ) 贝山次测量i 点相对于基准点1 的相对沉陷量h i l h i l h j 。一h j l ( 2 - - 3 ) 由( 2 - - 2 ) 式可得： ah i l 一h j ，= ( y o i + h j i ) 一( y o l + h j l ) = - ( y o i y 0 1 ) + ( h j i - h j l ) 。( 2 - - 4 ) 由( 2 1 ) 式町得：( - - y o d = 一( h m + 5 0 1 ) ( 2 5 ) 将( 2 5 ) 式代入( 4 ) 得： h i l = ( 吣一h j l ) - - ( h o i i 1 0 1 ) 。0 0000000000 。00000 00000 。0 0000 ( 2 6 ) 即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高 程的距离h j i ( 含h j l 及首次的h o i ) ，则可求得该时刻各点相对于基准点1 的棚 对高程差。如把任意点g ( 1 ，2 i ，n ) 做为相对基准点，将f 测次做为参考测 次，则按( 2 6 ) 式同样可求出任意测点相对g 测点( 以f 测次为基准值) 的 相对高程差h i j ： h i g = ( h j j - - h i g ) 一( h o h f g ) ( 2 7 ) 第1 5 页 北京交通夫擎硕 学位论文 第一，章隧道监控璧溺原理投技术抬施 二、r j 型电容式静力水准仪 1 原理及结构 孔均布 径l 臼 _ ) 幽2 - - 2r j 型电容式静山水准仪 由图2 - - 2 所示，仪器出主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。当仪 器主体安装墩发生高程变化时，主体容体相对于位置产生液面变化，引起装有 中间极的浮子与固定在容器项的一组电容极板问的相对位置发生变化，通过测 量装置测出电容比的变化即可计算得测点的相对沉陷。 2 主要技术指标 ( 1 ) 测量范围： 2 5 r a m ；5 0 r a m ( 2 ) 最小分辨率：0 o l m m ( 3 ) 测点误差： o 5 f s ( 4 ) 使用环境条温度： 一2 0 - 7 0 。c 3 仪器的安装、调试 仪器的安装尺寸如图2 - 3 所示，按要求在测点预埋0 1 8 0 三个均布的m 8 4 0 ( 伸出长度) 螺杆。 第1 6 页 北京交通人学硕f ：学位论文 第二章隧道监控量测原理及技术措施 蕉 西： 众汗 烘驴 带一向可 o r ：韩睡丑： 圈2 3 仪器的曩装j 0 i r 豳 ( 1 ) 检查各测墩顶i 丽水平及高程是否符合设计要。 ( 2 ) 检查测墩予埋钢板及三根安装仪器螺杆是否符合设计要求。 ( 3 ) 予先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及塑料连通管。 ( 4 ) 将仪器主体安装在测墩钢板上，用水准器在主体项盖表面垂直交替 放置，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满足要求。 ( 5 ) 将仪器及连通管系统联接好，从未端仪器徐徐注入sg 溶液，排除 管中所有气泡。连通管需有槽架保护。 ( 6 ) 将浮子放于主体容器内。 ( 7 ) 将装有电容传感器的顶盖板装在主体容器上。 仪器及静力水准管路安装完毕后，用专用的3 芯屏蔽电缆与电容传感器焊 接，并进行绝缘处理。3 芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、 黄芯接激励( 桥压) 接线端口。当容器液位上- y l - 时，电容比测值应变小，否则 将白、黄芯接线位置互换。 结构沉降监测测点埋设示意图( 结构缝错动监测) 第1 7 贰 北京变通大学硕十学位论文第二章隧道峨控量测原理及技术措施 m 胀* * 铰赢谴壁 图2 - 4 地铁壁静力水准安装示意削 例25 地钬壁静力水准管路安装不意图 削2 6 地铁恭础静力水准安装不意髑 第1 8 页 北京变通大学硕十学位论文 第二誊隧道监控量测原理及技术措施 “” 岁71 酱2 7 地铁基础静力水准管路安装不意| j f 三、肼型电容式位移计 1 原理及结构( 走行轨水平距离的偏差及结构缝的胀缩监) 走行轨水平距离的偏差及结构缝的胀缩监测适应此位移测量的传感器种类 很多，有线电位计式、角电位计式、振弦式、差动变压器及电容感应式等，与 其它类型相比r w 型电容感应式变位计有结构简单，长期稳定性好，温度影响 小，测量精度高。 2 主要技术指标 ( 1 ) 测量范围： 1 0 m m ( 2 ) 最小分辨率：0 o m m ( 3 ) 测点误差： o 5 f s ( 4 ) 使用环境条温度： 2 0 7 0 3 仪器的安装、调试 走行轨水平距离的偏差及结构缝的胀缩监测如图2 8 、2 9 所示，在两轨 之问安装测距仪即可。 图2 8 地铁轨道问距监测 第1 9 页 北京交通大学硕卜学位论文 第二章隧道监控量测原理及技术措施 结构缝的胀缩监测，在缝的两测用膨胀螺丝固定测缝计的安装央具，将测 缝计固定在夹具