（岩土工程专业论文）隧道施工监控量测数据分析处理软件的开发及应用.pdf

摘要 隧道施工监控量测是现代隧道施工新技术的重要内容。如何处理、分析监测信息并 判断围岩和隧道支护结构的安全状态，对优化设计、保障施工安全有着重要作用。本文 以秦岭终南山公路隧道工程为依托，针对现阶段隧道施工监控量测中的数据处理及应用 方面存在的问题开展了研究。 ( 1 ) 通过对现有隧道监控量测管理系统的调查研究，采用v b 6 0 语言和e x c e l 数据库，开发了隧道监控量测数据分析处理软件。软件集数据输入、数据管理、数据应 用等功能于一体，实现了计算的前台可视化界面与监测信息存储的后台数据库的结合； 总结了几种常用的曲线回归类型，为隧道监测数据的应力、位移发展规律的预测提供了 有效的支持；并且可以根据曲线的发展趋势，结合根据实际经验制定的判断准则，及时 判别隧道围岩的稳定性及支护效果，尽早发现问题，确保施工安全。 ( 2 ) 对秦岭终南山公路隧道洞口段进行了现场监控量测，应用开发的监测数据软 件，对东、西线隧道洞口段施工监测数据进行了处理分析，并对围岩和支护结构的稳定 性进行了评价。 ( 3 ) 采用m i d a s g t s 分析软件，对隧道洞口段施工过程进行了模拟计算，并将 计算结果与现场监测数据的软件分析结果进行了对比验证。 通过工程中的实际应用可以看出，本软件能方便、快捷的对隧道监测数据进行处理、 分析，对围岩的稳定性进行综合评价，证明了软件规划和构架的合理性，具有较高的应 用价值。 关键词：隧道，监控量测，信息化设计，软件开发，数据处理 a b s t r a c t m o n i t o r i n gm e a s u r e m e mt ot h es c e n ei sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fn e w t e c h n o l o g yo f t u n n e lc o n s t r u c t i o n h o wt od e a lw i t h ，a n a l y s i so fm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o na n dd e t e r m i n et h e r o c ka n dt h et u n n e ls u p p o r ts t r u c t u r eo ft h es e c u r i t yt oo p t i m i z et h ed e s i g na n dp r o t e c tt h e s e c u r i t yh a sa ni m p o r t a n tr o l e t h i sa r t i c l et a k et h eq i n l i n gz h o n g n a n s h a nh i g h w a y t u n n e l p r o j e c t 嬲ab a c k i n g h a dt h ep r o b l e mi nv i e wo ft h ep r e s e n ts t a g er u n n e l c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n gi nd a t ap r o c e s s i n ga n dt h ea p p l i c a t i o na s p e c tt oc a r r y o u tt h er e s e a r c h ( 1 ) t h r o u g ht h et u n n e lm o n i t o rs y s t e m si n v e s t i g a t i o n ，u s e st h ev b 6 0l a n g u a g ea n d t h e e x c e ld a t a b a s et od e v e l o pe a s y t o u s eo ft h et u n n e lm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i sp r o c e s s i n g s o f t w a r e w i t ht h ec a p a b i l i t i e so fd a t ai n p u t ，m a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o n s ，h a si m p l e m e m e d t h ec a l c u l a t i o no ff u r o r ev i s u a l i z a t i o ni n t e r f a c ea n dm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns t o r e d i na c o m b i n a t i o no fb a c k e n dd a t a b a s e ；s u m m a r i z e ss e v e r a lc o m m o n l yu s e dc u r v i l i n e a rr e g r e s s i o n t y p e ；a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc u r v e s ，c o m b i n e dw i t hj u d g m e n t c r i t e r i o nf o rt h e t i m e l yi d e n t i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ko fs t a b i l i t ya n ds u p p o r tt h ee f f e c to fe a r l yd e t e c t i o n o fp r o b l e mf o rac o r r e c td e c i s i o n m a k i n g ，e n s u r es a f e t y ( 2 ) h a sc a r r i e do nt h es c e n em o n i t o r i n gg a u g i n gt ot h ep o r t a lo n - s i t eo fq i n l i n g z h o n g n a n s h a nh i g h w a yt u n n e l ，t h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t e dm o n i t o r i n gd a t as o f t w a r e ，t o t h ee a s ta n dw e s tt u n n e le n t r a n c es e c t i o nc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ， a n dh a sc a r d e do nt h ea p p r a i s a lt ot h er o c ka n dt h es u p p o r ts t r u c t u r e ss t a b i l i t y ( 3 ) u s e st h em i d a s g t sa n a l y s i ss o f t w a r e ，h a sc a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o nt ot h e t u n n e le n t r a n c es e c t i o nc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h ec o m p u t e dr e s u l ta n dt h es c e n em o n i t o rd a t a s s o f t w a r ea n a l y s i sr e s u l th a sc a r r i e do nt h ec o n t r a s tc o n t i r m a t i o n t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g ，t h es y s t e mc a nm a k ei t e a s i e ra n d q u i c k e rt oc a r r yo u tt h ed a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，e v a l u a t et ot h es t a b i l i t y o fs u r r o u n d i n g r o c k ，h a sp r o v e nt h ep l a n n i n ga n d f r a m e w o r k sr a t i o n a l i t y , h a sah i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：t u n n e l ，m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ，i n f o r m a t i o nd e s i g n ， s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彻夕男生右2oq7 年易月3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) z 矽口厂年易月乡日 2 们甲年多月乡日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章前言 如果说1 9 世纪是桥梁发展的世纪，2 0 世纪是高层建筑发展的世纪，那么2 1 世纪 则是隧道( 或隧洞) 等地下工程开发的世纪。在山岭地区，隧道可以克服地形、地貌的 限制，降低路面高程，缩短行车里程，减少对植被的破坏，抵御恶劣的自然气候影响； 在拥挤的城市地区，隧道可减少交通占地，缓解交通阻塞；在水域地区，隧道可以在水 底甚至水中跨越江河湖海，快速连接两岸交通。随着城市扩张，人口爆炸，地下空间己 被视为一种可开发的重要资源，科学家们预计，在二十一世纪末，全球将有三分之一的 人口生活在地下空间。隧道已成为人流、水源及能源等运输的重要方式，成为缓解城市 拥挤和环境敏感地区建筑问题的有效手段。可以预见，在不久的将来，人类将会在保留 青山绿水的同时，也会借助地下空间更充分地享受现代文明【l 】。 近几十年来，随着我国经济的发展和科技水平的提高，各种用途的隧道工程建设得 到了突飞猛进的发展，主要表现在隧道长度的不断增加和埋置深度的不断增大。据资料 显示，目前我国的隧道规模和数量已经位居世界第一位【2 j 。 在隧道工程建设中，隧道结构的稳定性是一个至关重要的问题，而它又与许多因素 有关，如岩体的结构与构造，岩体材料的物理、水理及力学特性，地层应力场的变化， 水文地质状况，开挖与支护方式及时间等等。岩体经过亿万年的地质构造作用，其各种 因素呈现复杂多变的特征。在隧道施工建设中，无论事先勘测工作做得多么细，设计与 施工如何精心，地下开挖后的实际受力和变形与原设计也会有出入，甚至相差很大，这 就导致我们无法确保所设计的支护结构与施工流程的安全性和经济性。现代隧道修建技 术的重要理念之一就是“适时支护”；从洞室的支护变形和支护反力的关系曲线上可以 看到，过迟的支护会引起变形的不收敛，造成坍塌破坏；而过早的支护又会给支护带来 很大的形变围岩压力，造成支护的浪费甚至破坏。为了确保隧道工程的安全可靠和经济 合理，就必须在施工阶段进行监控量测，及时收集由于隧道开挖在围岩和支护结构中产 生的位移与应力变化等信息，并根据一定的判断标准来确定是否需要修改支护结构设计 和施工流程设计。与般的工程测试相比，隧道工程中的施工监控量测具有特殊的意义， d e m e t r i o u sc k o u t s o a t f s 等通过旧金山地铁建设项目的施工过程，说明了信息化施工中 监测的重要性1 3 】。正如米勒( l m t i l l e r ) 教授所说：“对岩土结构，特别是对隧道形态进 第一章前言 行的量测，已被证明其重要性犹如钢结构和混凝土结构所进行的静力计算一样 4 1 。” 现场监控量测是隧道施工中的重要组成部分，是监控围岩与结构稳定性的重要手 段，同时也是施工管理中不可缺少的重要环节。在施工过程中，对围岩受力和变形进行 跟踪量测，可积累必要的量测数据，加以系统分析，并及时反馈于施工中，为隧道在不 同地质条件下合理的选择开挖方法、支护方式、支护时间提供科学的依据：为变更设计、 修改支护参数和指导施工提供直接信息。 现场监控量测使得目前采用的设计方法有了很大的改变，将过去截然分开的施工和 设计两个阶段融为一体，构成一个完整的设计过程。它不仅仅包括施工前的设计，还包 括施工过程中的设计【5 1 ，即借助于现代计算机技术进行科学信息化设计。所谓信息化设 计，是指在通过工程类比法所作的初步设计完成以后，在工程实施过程中，根据现场量 测信息不断修正后所实际采用的设计【6 】。它的关键环节，是在确保精度的前提下对施工 数据的观测与分析，以及如何迅速地对测量数据进行处理并对施工管理进行反馈。 通过调研我们发现，尽管隧道施工监控量测技术从推广至今已有4 0 多年的历史， 但是，国内在地下工程现场监控量测方面与国外尚有较大的差距，一方面是因技术水平 低，另一方面是对监控量测工作的重要性认识不够：有人认为施工监测是一个技术含量 不高的工作，只需要会操作仪器、测读数据，然后进行简单的数据处理，出个报告就行 了；甚至有人认为施工监测可有可无，只要精心设计认真施工就行。事实上，施工监控 量测的门槛看似不高，但做好、做精却很难。施工监测是隧道施工技术的一个重要组成 部分，是设计和施工的联系纽带。从事施工监测工作需要掌握设计、施工、地质、测绘、 数据处理分析、概率统计、数据库、计算机软件应用及编程等相关学科的大量知测7 1 。 当前大多数监测单位比较重视仪器的开发、量测数据的采集，但却疏忽了量测数据 的处理和反馈。由于监控量测工作未得到很好的开展，缺乏实用、高效的监控量测数据 分析、处理技术，导致了量测数据难以发挥真正的作用。从目前国内隧道监控量测及数 据分析的现状来看，信息化管理水平仍然较低，监测数据的处理、应用主要是通过经验 的、感性的认识，确定支护参数或做出施工决策。在施工监测中，技术人员将量测数据 绘制成位移一时间曲线和位移一空间曲线，或者单纯根据值的大小比照以往的工程经验， 判断围岩与支护结构是否安全、经济。这种方法需要有丰富的工程经验才行，由于没有 牢固的理论依据，所以可靠度不高。我国在隧道监控量测信息管理方面存在的问题，主 要有以下几个方面： ( 1 ) 仪器监测和数据处理方式比较落后，现场监测数据的采集、处理等大多停留 2 长安大学硕士学位论文 在手工方式下，信息化程度较低；即便拥有先进的仪器，也常常因为缺乏相应的技术开 发能力而未能充分发挥其功能和效率。一个工程项目的量测数据多达上万个，如果依靠 人工方式处理，工作量相当大，数据利用能力较低，不能及时发挥反馈设计和指导施工 的作用。而且如此多数据的管理工作量很大，新输入数据后又要进行重新整理，重复工 作量大，还很容易造成数据的混乱和丢失。 ( 2 ) 量测数据一般都是通过人工方式在e x c e l 表中进行计算、绘图、回归，不仅 要进行繁琐的公式编辑，而且在图表绘制过程中步骤较多，自动化程度低，极易产生错 误；各种变化曲线手工生成速度慢，对隧道施工中的时空效应无法快速分析，故其结果 很难及时服务于实际工程进度，降低了工作效率和管理水平。 ( 3 ) 缺乏完善的监测数据分析预测软件。采用传统的分析方法，要依靠丰富的工 程经验，由于专业性很强，并且数据分析实时性差，无法做到及时预报、及时反馈，不 能满足信息化施工的要求。 ( 4 ) 监测滞后于施工。围岩变形的预测难度大，缺乏有效的围岩预警判别机制和 分析软件，没有充分发挥计算机智能化辅助决策的作用，信息化设计的效益并未充分体 现出来。 有鉴于此，本文以世界规模第一、长度第二的秦岭终南山公路隧道为依托工程，开 展隧道施工监控量测技术的研究，在监测数据的处理和分析方面进行新的探索，开发实 用、高效的隧道监控量测数据分析处理软件，合理、快速、简捷地处理和应用量测数据， 指导施工、优化设计，无疑在理论研究和工程应用上都具有十分重要的意义。 1 2 隧道监测数据信息化管理系统的研究现状 施工监控量测是现代隧道施工技术中一个极其重要的组成部分，在一些重大工程或 关键性工程中，以及环境条件恶劣、施工难度大的工程建设中发挥了重要作用。但是我 国隧道施工监测技术与西欧、日本等隧道施工监测技术先进的国家之间仍有一定的差 距。一方面，对隧道施工监测器材、方法研究投入较少，对隧道施工监测管理不严；另 一方面，由于我国公路隧道建设起步较晚，在早期的发展过程中科研攻关的重点主要集 中在隧道结构设计、受力分析和施工方法上，忽视了监控量测技术的研究。 量测数据的处理和应用，是发挥隧道监控量测作用的关键一步，也是技术含量较高 的一步。不进行数据处理或者不具备数据处理、利用能力，是当前隧道施工量测中存在 的主要问题【8 】。如何对量测到的大量数据进行自动化管理，并能够及时、快速的处理和 第一章前言 分析，是数据库在监测领域应用中的一个发展方向【2 】。由于隧道结构计算分析的复杂性， 对隧道位移、应力量测数据的分析大部分都停留在感性、经验的层面上，只有在少数科 研项目、重点工程中才会深入开展量测数据分析，其分析结果的合理性也有待于在实践 中检验。 随着隧道建设的发展，隧道工程施工监控量测手段的硬件和软件发展迅速，监控量 测的范围不断扩大，监控量测自动化系统、信息处理和分析系统、安全预报、预警系统 也在不断推出和完善【7 1 ，目前国内一些科研、设计单位和大学也纷纷开发出各种隧道监 控量测信息管理系统。 1 2 1 隧道监测数据处理系统的研究现状 重庆交通科研设计院根据公路隧道监控量测的特点，在2 0 0 0 年左右开发了公路隧 道围岩与支护结构量测数据管理系统 9 1 ，该系统采用m i c r o s o f t 公司的a e e e s s2 0 0 0 和 v i s u a lb a s i c6 0 进行联合开发，通过应用数据库理论，建立了隧道现场监控量测数据管 理系统，能够生成围岩和支护结构的应变、应力在隧道开挖过程中的时间一空间分布曲 线以及围岩内部位移和锚杆轴力沿围岩深度方向上的分布曲线，可以判断围岩内部塑性 区的范围，由此判断围岩与支护结构的稳定状况，为隧道施工提供科学依据。该系统实 现了量测数据的自动转换和数据管理功能，但该系统晃面并不友好，运行也不稳定，分 析预测功能较弱，仅是一个数据处理系统。其生成的典型图如图1 1 所示。 f 椭直 t r 膏- 一 f = = = = = = = = = = = = ：= = = _ 一- h 一 t i i _ 1 日日憎 上古n ，- 一 l t h 嚣弭” ，- 一 j i - jl t 自 k 一 唪面r 1 语i 广1 l ：o l l t 一l 图1 1 公路隧道围岩与支护结构量测数据管理系统应用界面 成都理工学院工程地质研究所开发了铁路隧道施工工程地质及围岩量测数据处理 系统，此系统采用f o x b a s e 、t u r b oc 进行编程，可应用于铁道、公路隧道，水工隧洞， 矿山巷道，地下厂房、商场等洞室，海底隧道等工程的新奥法施工中的围岩数据处理。 应用该系统，用户只需将量测的原始数据( 如收敛变形、岩体内部位移、锚杆应力、压 力、应变、渗透压力等项目) 按照屏幕菜单提示输入计算机，经处理后就可打印成报表， 4 长安大学硕士学位论文 并按要求绘制成各种曲线，图形具有放大、缩小、移动等功能。根据这些处理结果反馈 的信息，施工技术人员能及时调整支护参数，从而作到快速、安全、经济地完成施工任 务【1 0 】。 重庆交通大学的常彬彬以石龙山隧道施工监控量测数据为实例，利用o r i g i n 软件实 现了对量测数据的绘图、非线性拟合等处理，获得可靠的参数及直观的图形。o r i g i n 最 突出的优点是使用简单，它采用直观、图形化、面向对象的窗口菜单和工具操作，全面 支持鼠标右键操作、支持拖放式绘图等，甚至在完成一项任务时不需要用户编写任何代 码，它带给用户的是最直观、简单的数据分析和绘图环境。o r i g i n 的数据分析包括曲线 拟合、排序、调整、计算、统计、频谱变换等各种数学分析功能，而基于模板的绘图可 以做出几十种二维和三维图形。o r i g i n 在隧道监控中的应用，使得量测数据的处理又多 了一种行之有效的方法【l l 】。 翁汉民在1 9 9 2 年采用汉字b a s e l l i 语言开发了新奥法量测和施工的计算机管理系统 【1 2 】，该系统管理的量测项目为地质和支护状态观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测，用 b a s i c 语言编制了位移回归预测程序，用边界元法反分析程序反推出岩体的初始参数 ( e ) 、初始地位力场和洞室开挖后的应变场。 张志刚、饵磊基于v i s u a b a s i c6 0 研制了隧道信息化设计与施工监测系统，通过计算 机编程实现了监测信息录入、数据转换、图形绘制、结果分析等过程，同时将信息反馈 于优化设计方案之中，即可采取各种实时的支护补强措施，同时也指出隧道工程建设必 将朝着信息化设计与施工的方向发展【1 3 1 。 1 2 2 隧道自动监测系统的研究现状 对于埋设了大量仪器的重大工程监测，对所有的测点实行人工测读要花费很大的时 间和精力，同时也不能实时了解工程的安全状况，因此需要对重要部位采用自动化监测 系统，满足监测系统的“无人值班，少人值守”要求，并能及时处理突发性事件。这也 是监测向自动化、信息化方向的发展趋势【刁。 在岩土安全监测领域，国外从2 0 世纪6 0 年代开始从事观测自动化研发，7 0 年代 进入实用阶段。8 0 年代中后期，随着微电子和计算机技术的发展，各国又发展了分布 式监控数据采集系统，即在现场设置多台小型化测量控制装置，分别对仪器进行自动监 测，并通过数据总线传送到后方控制中心的计算机。如意大利i s m e s ( 结构与模型试 验研究所) 研制的微机辅助监测系统( m a m s ) ，g p d a ( s g e n e r a lp u r p o s ed a t aa c q u i s i t i o n 第一章前言 s u b s y s t e m ) 可实现数据自动采集、校验、存储和传输，并具有快速在线判断和报警功 能。美国g e o m a t i o n 公司的2 30 0 系统和r o c k t e s t 公司的s e n s l o gd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m 系统。自动化系统能胜任多测点密测次的观测，提供在时间和空间上的连续信 息，实现数据采集、记录、自检、打印、传输及分析报警等实时安全监控，因此受到各 国高度重视，是岩土工程监测的发展方向。 近年来奥地利i l f 与t u n e ic o n s l t 公司合作开发的三维隧道影像扫描仪( 简称 d i b i t 系统) ，为可携带式隧道影像记录器，曾有效应用于德国、奥地利境内施工的高 速铁路隧道。采用三维隧道影像仪除可全面并精确地记录隧道开挖面地质与支护施作结 果的影像与几何资料，改善目前传统工法中有关监测或记录方法的缺点外，并可提供隧 道开挖高精度资料与建立施工质量资料库，有助于提升国内施工质量控制与工程管理效 率【1 4 1 。 我国的安全监测自动化系统的研制工作起步于2 0 世纪7 0 年代中期，中科院成都 分院研制了第一台差动电阻式应变计自动化检测装置应用于龚咀水电厂。经过“七五攻 关”和三十多年的努力，已经涌现出一批具有相当水平的自动监控系统：如南京自动化 研究院研制的d a m s - - 4 智能型分布式数据采集系统【7 j 。 王浩、葛修润等研制了一套基于g s l 的“隧道施工期间信息管理系统”，系统应用电 子全站仪进行洞室围岩表面三维收敛变形的非接触监测和数据处理，实现了数据的自动 采集和测量资料实时传输，实时分析处理，检索及成果可视化输出【l5 1 。 长安大学吕康成开发了隧道围岩激光位移实时监测系统( 图1 2 ) ，该系统利用激光 技术、单片机技术、光电技术和计算机技术等，实现了隧道位移的自动、实时、高精度 监控量测。系统的应用软件界面友好、操作简便，集实时监测、数据管理、数据应用等 功能于一体，除此之外，程序还实现了隧道位移的灰色预测，具有较高的应用价值【8 】。 在浙江杭( 州) 金( 华) 衢( 州) 高速公路上的樊村二号隧道试用中，监测精度为0 5 m m 。 6 长安大学硕士学位论文 图1 2 隧道位移实时监测系统组成 同济大学刘国彬研发了“隧道远程监控管理系统”，该系统采用自动和人工的方式 采集施工信息，通过辅助决策系统对采集到的监测数据进行整理、分析，进而通过图表、 曲线等方式给出数据的分析结果，根据这些结果来分析工程是否处于安全状态，以及其 发展的趋势。隧道远程监控系统主要是为上海地铁盾构法隧道建设而开发的，针对性强， 具有自动预警报警功能，目前己在上海地铁建设管理中使用【l 引。但是该软件系统只是实 现了部分数据的自动采集、传输，而对于岩土和隧道结构本身的变形数据仍采用传统的 人工监测方法。 1 - 2 3 隧道监测信息管理、预测体系的研究现状 重庆交通科研设计院的李星平、蒋树屏开发的隧道施工监控量测智能型信息管理与 分析系统，系统总体功能结构主要有五大模块组成：量测数据管理、围岩分级、围岩预 警、图形可视化及有限元正反分析。其中量测数据管理模块在整个软件中处于中心位置， 可实现量测数据的输入、修改、查询等功能；图形可视化模块提供了基本图形类库，其 他模块都直接或间接以此为基础，并图形化显示数据；有限元分析模块包括有限元正分 析模块和有限元非确定性位移反分析模块，非确定性反分析模块采用了考虑松动圈的卡 尔曼滤波与有限元耦合反分析理论，从数据库管理系统中读取周边收敛和拱顶下沉等数 据用于反演分析，得出初始地应力和弹性模量；围岩分级模块根据初始地应力和围岩信 息判断围岩级别；预警模块会自动根据量测值的大小自动决定是否进行报警，最后对围 岩稳定性进行评价【2 1 。 同济大学开发的监测数据库管理系统，以同济曙光软件作为开发平台，由主程序、 图形开发平台和专业应用模块三大部分组成。主程序负责搜集和管理应用程序；图形开 7 第一 前言 一l 一j 长安大学硕士学位论文 变大小的整编数据结构、软件容错、设置多个初值日期和更换传感器所带来的数据结构 设计问题、单文档和多窗口的系统界面、与o f f i c e 组件的集成等) ，实现了多表多条件 的交叉查询，在监测软件中嵌入动态图形绘制和编辑模块。针对地下工程监测的数据流 程，提出了7 + 1 种属性对象来描述测点之间、测点与所属的建筑物之间的从属( 层次) 关系【7 1 。 林志、李元海针对当前隧道施工安全监测管理中存在的低效问题，开发了公路隧道 施工安全监测可视化信息系统。它是通过建立监测信息管理系统，将施工监测的数据库 管理功能与g s l 图形功能有机结合，创建的一个新型的图形信息平台来统一集成监测、 周围环境以及与施工安全等诸多相关信息，实现了监测信息的可视化，其系统由图文数 据管理、日常服务功能以及预测预警功能组成，实现监测信息的快速计算、分析和反馈 1 1 9 o 周文波开发了“盾构隧道信息化施工智能管理系统”，系统能够实时远程获取施工 信息，系统包括采集监视系统和施工分析系统。实现了盾构运行参数的自动获取，远程 传输实时数据，并完成数据查询、报表制作、图形绘制，并通过人工神经网络、模糊控 制等人工智能等方法对现场数据和施工情况进行自动分析，从而提出施工参数的控制方 案。“盾构隧道信息化施工智能管理系统”实现了监测数据的自动分析和预测，但是仅 有盾构运行参数可由传感器自动收集传输，而工程测量数据、工程记录则依靠手工实现 1 2 0 o 林志、胡向东针对广州地铁二号线赤岗鹭江区间盾构隧道工程，对盾构隧道工程数 据进行合理的分类，开发了“盾构隧道施工多媒体监控与仿真系统 ，实现了工程信息 数据库、施工监控与施工参数自动采集、地面沉降预测、盾构施工参数控制和地表沉降 三维可视化显示等功能，通过多种数据查询器对工程信息实行集中维护和查询，进行地层 及相关构筑物和管线沉降的预测、报警，并根据监测数据对盾构施工参数进行控制。该 系统可以作为盾构信息化旌工管理的一个有力工具【2 1 1 。 日本佐腾工业公司开发了可由计算机帮助制定盾构施工计划的“盾构专家系统”，并 己开始实际使用。此系统是以集中专家的知识精髓的知识库与该公司的施工实绩( 总数 达3 6 5 件) 的数据库为基础，应用人工智能，依据地基条件提供用于选择最合适的盾构 施工方法与盾构机规格的极详细的判断资料2 2 1 。 综上所述，我国在隧道工程监测数据的分析处理方法的研究方面已取得了大量的成 果，有效地支撑了隧道工程的建设。但是，工程监控量测技术毕竟还处于发展阶段，在 9 第一章前言 监测管理软件的开发和工程应用方面，还存在诸多问题，在商业软件领域，特别是监测 自动化方面，落后于国外很多。就目前监测管理软件的发展和应用状况来看，主要存在 以下几个问题有待改进： ( 1 ) 上述监测系统中，从软件开发的角度看，有些软件的编程语言比较落后，如 采用的f o x b a s e 、b a s e i i i 语言等，并且语言本身的扩充性、兼容性和数据访问能力低； ( 2 ) 上述很多管理系统都是针对当时工程需要开发的，有一定的局限性，商业化 程序低，并没有被广大工程技术人员所接受： ( 3 ) 已有的软件适合现场施工人员使用的很少，大部分是为了科研开发的，并且 功能不够全面、集成性较差，导致数据处理及分析实时性差、方法落后，自动化、信息 化程度低，根据监测信息及时反馈指导施工的水平差； ( 4 ) 有些软件系统界面并不很友好，运行也不稳定，仅是一个数据处理系统，而 分析预测功能较弱： ( 5 ) 部分软件功能虽然很强大，实现了多种需求，但是操作起来十分复杂、繁琐， 对软件使用者的专业程度要求很高，而且对监测信息的完整度需求很高，致使推广应用 缓慢。 开发新型隧道监控量测数据分析处理软件的主要目的，旨在直接服务于现场信息化 施工，应用于大部分监测项目，利用数据库更好的管理监测数据，及时准确地进行数据 处理和分析，只有快速分析、快速决策，才能满足隧道施工控制的需要。因此，如何合 理、快速、简捷地处理和应用监控量测数据，及时的判别隧道围岩的稳定性及支护效果， 不仅能够提升现有隧道信息化施工的技术水平，确保工程施工的安全与高效，而且对指 导施工、优化设计具有重大意义，也是提高隧道监控量测技术的重要力量。 此外，监测单位本身不仅要重视仪器埋设、数据采集、收集资料和提交各类监测报 告，更要重视数据分析和反馈，还要对监测成果结合施工、地质情况进行充分深入的理 论分析，使得监测工作能够真正发挥优化设计和及时反馈指导施工的作用。 1 3 主要研究内容 鉴于我国大型隧道工程的相继修建，对隧道施工监控量测的要求越来越高，因此迅 速提高我国施工监控量测技术及其数据处理、应用技术迫在眉睫。但是，施工监控量测 是一个庞大的科学范畴，涉及到测量、数学、计算机、光电技术、通信技术等许多领域， 其技术的提高需要依靠全国乃至全球许多领域的专家学者共同努力。实践表明，只有在 l o 长安大学硕士学位论文 工程建设中不断对监控量测中存在的问题进行研究和解决，才能适应我国公路隧道的建 设和发展。本文以秦岭终南山公路隧道工程建设为依托，针对现阶段隧道施工监控量测 的后期数据处理、应用方面存在的问题开展了技术研究，开发了隧道监控量测数据分析 处理软件；并应用开发的隧道监控量测数据分析处理软件，对东西线隧道洞口段施工监 测数据进行了处理分析；通过对隧道洞口段的有限元仿真模拟计算，对现场监测数据进 行了对比验证。主要研究内容如下： ( 1 ) 对隧道施工监测系统的开发和应用情况进行调查研究，分析其使用需求，在 综合比较现有监测系统的基础上，采用v b 6 0 语言和e x c e l 数据库，开发了隧道监控 量测数据分析处理软件，可以对监测数据进行处理、分析，对围岩和支护结构的安全性 进行评价、预测，提高地下工程的信息化施工技术水平。 ( 2 ) 对秦岭终南山公路隧道洞口段进行了施工现场监控量测，应用隧道监控量测 数据分析处理软件对现场监测数据进行处理及分析，并对围岩变形和支护结构受力状态 进行分析、预测，做到及早发现问题，并及时反馈给施工、设计和业主单位，以供正确 决策指导施工。 ( 3 ) 结合秦岭终南山公路隧道施工监测项目，选择隧道进口浅埋v 级围岩试验段， 采用m i d a s g t s 分析软件，对开挖步骤、支护受力进行有限元模拟计算，从理论上评 价隧道围岩的稳定性和支护效果，将理论计算结果同软件的现场监测数据分析结果进行 对比分析。 第二章 秦岭终南山公路隧道洞口段监控量测方案 第二章秦岭终南山公路隧道洞口段监控量测方案 2 1 依托工程概况 2 1 1 项目概述 秦岭终南山公路隧道是西安安康高速公路上控制性重点工程。该隧道位于陕西省 长安与柞水两县之间的秦岭山区，穿越秦岭山脉，隧道设计为两座单向双车道隧道，全 长1 8 0 2 k m ，是目前为止世界规模第一，长度第二的山岭公路隧道。其南北走向是包 头西安柞水重庆和银川西安漫川关武汉两条西部大通道的共用段，属于国家规划 的“五纵七横 中的一纵，也是陕西省规划的“米 字型公路网主骨架西康高速公路 中的重要组成部分1 2 引。隧道最大埋深为1 6 4 0 m ，净宽2 xl o 5 m ，净高5 o m 。两主洞中 心相距3 0 m ，间距约2 5 0 m 设人行横洞，7 5 0 m 设车行横洞及紧急停车带。隧道内路面 设计为水泥混凝土路面，隧道衬砌设计为复合式衬砌。 本项目建设单位为陕西秦岭终南山公路隧道有限责任公司，由中国铁道第一勘察 设计院设计，由中铁一局、中铁五局、中铁十二局和中铁十八局施工。隧道于2 0 0 2 年3 月开工建设，2 0 0 7 年1 月建成通车。 2 1 2 地质条件 1 工程地质条件【2 4 】 ( 1 ) 地形地貌 隧道穿越的秦岭主峰牛背梁高程为2 8 0 2 m ，岭脊大致东西向展开，各垭口西高东低， 地形上有北坡陡南坡缓，北低南高的特点。北坡沟谷高程西低东高，石砭峪干流长约 3 5 k m ，为本区最长之沟峪，纵坡较其他沟峪平缓，地形开阔，支流发育。南坡有太峪 河、老林河、龙潭沟等支流呈树枝状分布，汇入乾佑河。 ( 2 ) 地层岩性 北秦岭地区的岩体是经历了多期变质作用、岩浆活动和混合岩化作用的复杂岩体的 组合。主隧道通过的地层大部分为混合岩类，岩性较好，少部分为大理岩带。路线行经 的片岩带和含绿色矿物质的混合花岗岩带，岩体较破碎，工程性质较差。 ( 3 ) 断裂构造 隧道洞身横穿秦岭东西向构造带，该带经历了多期构造运动，地质构造复杂并有多 条断层穿越。通过的区域大断层有6 、f z 、f 3 、f 4 、f 5 ，其中f i 秦岭北坡山前区域性断层， 1 2 长安大学硕士学位论文 宽约1 0 0 - - 5 0 0 m ；最小峪街区域性断层，宽约7 0 - - 2 0 0 m ；f 3 南四岔至西翠华断层，宽 约5 0 - 7 0 m ；f 4 大板岔至板庙子断层，宽约2 0 0 m 左右；f 5 龙窝沟至莫西坪断层，宽约 3 0 - - - l o o m ；地区性断层1 5 条，次一级的小断层4 1 条。破碎带从东向西逐渐由宽变窄， 均为富水带或强富水带。 2 水文地质 秦岭山脉为我国南北气候的分界线，秦岭南北气候差异明显，但区域都属于大陆性 季风气候区，四季分明。秦岭终南山公路隧道隧址处于秦岭腹地，具有明显的山区气候 特征，冬季寒冷，夏季凉爽。隧道所在地区年平均降水量6 7 8 m m ，降水多集中在7 月 9 月。围岩地下水主要受大气降水及基岩裂隙水补给，无侵蚀性。 3 不良地质及地质灾害 ( 1 ) 岩爆 岩爆的发生主要受高地应力影响，该隧道地区实际的地应力包括地区的构造应力、 岩浆侵入的挤压应力及岩体的自重应力【2 5 】。 ( 2 ) 热害 根据探孔钻探测温资料显示，隧道区在恒温带以下，每1 0 0 0 米平均增温1 5 8 【2 6 1 。 断层带每1 0 0 0 米增温1 9 8 3 6 。因此在岭脊部位隧道埋深大于9 0 0 米左右地段，洞 身地温大于2 8 。 ( 3 ) 涌水 隧道地区地下水的循环深度在1 5 0 - - 3 0 0 米左右，隧道施工时有水，但出水点不多， 出水不大。 隧道纵断面见图2 1 。 2 5 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 图2 1 秦岭终南山公路隧道纵断面 2 1 3 工程施工的特点及难点 ( 1 ) 工程特点：隧道洞身长、岩爆频繁、地热耐2 5 】 ( 2 ) 工程难点：隧道施工断面多，运输车辆多、车流密度干扰严重、施工组织调 第二章秦岭终南山公路隧道洞口段监控量测方案 度难度大、施工通风困难。 2 2 现场监控量测的规划与实施 2 2 1 监控量测方案编制的依据 ( 1 ) 隧道工程地质勘察报告f 5 1 ： ( 2 ) 隧道施工图设计； ( 3 ) 中华人民共和国行业标准：公路隧道施工技术规范( j t j 0 4 2 9 4 ) ； ( 4 ) 中华人民共和国行业标准：公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 。 2 2 2 监控量测的内容与方法 1 监控量测的内容及频率 依据公路隧道施工技术规范( j t j 0 4 2 9 4 ) 的要求，并根据秦岭终南山公路隧道 的结构特点、施工方法，结合设计单位提供的隧道监测建议，拟订了本隧道的监测内容 及频率。其中包括：隧道内部观察、围岩内部位移、净空收敛变形、围岩压力、锚杆轴 力、喷射混凝土应力、钢架应力、钢筋应力、二次衬砌背后接触压力、二次衬砌混凝土 应力等方面的观察和测试，旨在采用国内较成熟的快速、准确、可靠的监测手段，对隧 道施工关键部位进行跟踪监测。各监测项目及频率如表2 1 所列。 表2 1 监控量测的内容及频率 序 项目名称 测读频率 号1 1 5 d 1 5 d 1 个月1 3 个月 3 个月 1 净空收敛1 2 次d1 次d1 2 次周1 2 次月 2围岩内部位移i 2 次d1 次dl 2 次，周l 2 次月 3 型钢钢架应力1 2 次d1 次d1 2 次周1 2 次月 4 围岩压力 1 2 次d1 次d1 - - 2 次周1 2 次月 5 喷射混凝土应力1 2 次d 1 次dl 2 次周1 2 次月 6锚杆轴力1 2 次d1 次d1 2 次周1 2 次月 7 接触压力1 2 次d1 次dl 2 次周1 2 次月 8 二次衬砌混凝土应力1 2 次d1 次d1 2 次周1 2 次月 在实际监测过程中，每个测点测取读数的频率应不少于规范要求，同时要满足工程 需要，实际测量频率根据前两次测量情况而定。当观测值相对稳定时，可适当降低观测 频率；当达到报警指标或观测值变化速率加快或出现危险事故征兆时，应加密观测频率。 对于采用分部开挖的地段，如正台阶开挖，上半断面开挖和下半断面开挖不在同一时间， 1 4 长安大学硕士学位论文 当量测断面工作状态发生改变时的前后一个星期之内或距离测点一倍洞跨以内按1 次 天的频率采集数据【5 1 。 2 监控量测的测试项目、元件和量程的选择 本次试验采用的监测项目、元件和量程如表2 2 所示。 表2 2 监控量测的项目、元件和量程 序号项目名称监测元件研发单位量程 l净空收敛s w j i v 收敛计中铁西南院 最小读数0 0 1 m m 2 7 】 2型钢钢架应力 j x h 3 型钢弦式表面应变计丹东虬龙 2 7 0 0 - 10 0 0 瞎 3 围岩压力j x y - 4 型钢弦式双膜压力盒丹东虬龙 0 0 3 m p a 4喷射混凝土应力c 2 5j x h 2 型埋入式应变计 丹东虬龙 最大应变量6 0 0 1 0 0 0 “s 5 围岩内部位移灌浆杆式多点位移计中铁西南院最小读数0 0 1 姗【2 8 】 6锚杆轴力 c d 钢弦式测力锚杆长安大学屈服强度3 4 0 m p a 7 接触压力j x y - 4 型钢弦式双膜压力盒丹东虬龙0 - 一0 2 m 【p a 8衬砌混凝土应力c 2 5j x h 2 型埋入式应变计丹东虬龙最大应变量6 0 0 1 0 0 0 肛 2 2 3 现场监控量测的规划 1 试验段的选定 为了探讨在洞口条件下的围岩变形、围岩压力和支护结构受力的状况，了解在初期 支护和二次衬砌作用下的围岩稳定状态和支护效果，监控量测小组通过查阅大量的设计 资料，根据设计文件中不同地质条件下的衬砌类型和秦岭终南山公路隧道的地质条件和 工程特点，并根据施工单位提供的情况对现场条件进行了深入细致的调查，确定了东线 隧道北口进洞段v 级围岩地段( k 6 4 + 7 9 8 - - k