（岩土工程专业论文）隧道监控量测数据分析与管理系统的设计与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：工程监测一直都是隧道及地下工程的一个重要课题。作为新奥法的重 要组成部分，隧道施工监控量测在我国受到越来越多的重视，但由于量测技术和 数据处理分析手段还不完善，信息反馈不够及时，监测数据在验证事前设计和指 导事后施工方面还未发挥应有的作用。 随着计算机技术的飞速发展，利用数据库可快速及时地录入大量复杂数据并 以指定的形式保存，而计算机的数据处理能力在监测数据的分析与信息反馈上具 有优势，因此监测数据分析管理系统的开发逐渐成为现代工程监测技术的新趋势。 本文对国内外监测数据分析管理系统开发现状进行了调研，分析了监测数据 分析管理系统的需求，以隧道工程的施工监测项目为应用对象，运用数据库管理 和图形可视化技术，采用面向对象的关系数据模型，实现了监测数据的录入与存 储操作、多视图可视化查询、时态曲线与空间状态曲线图、回归分析、生成报表 等基本功能，并在此基础上增加了分析与预测专家库功能模块和位移反分析模块， 最终开发完成了隧道工程监控量测信息管理系统，并将该系统应用于工程实际。 关键词：隧道监测；数据分析；管理系统；数据库；报表；反分析 分类号：中图分类号：u 2 1 6 ；u d c ：6 2 5 m a b s t r a c t a b s t r a c t ：e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m si nt u n n e l a n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g a so n ei m p o r t a n tp a r to fn e wa u s t r i am e t h o d , m o n i t o r i n ga n ds u r v e y i n go f t u n n e l c o n s t r u c t i o na r ea t t a c h e dm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c ei no u rc o u n t r y h o w e v e r , b e c a u s es u r v e y i n gt e c h n o l o g ya n dd a t aa n a l y s i s m e t h o da r en o tb e t t e re n o u g ha n da tt h es a m et i m ei n f o r m a t i o nf e e d b a c ki sn o ti nt i m e , m o n i t o r i n gd a t aa r en o tb r o u g h ti n t op l a yi nt h ev a l i d a t i n gd e s i g na n dg u i d i n g a l o n gw i t hf a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , u t i l i z i n gd a t a b a s eal a r g e a m o u n to fc o m p l e xd a t ac a nb ei n p u t t e df a s ta n dd u l ya n db es t o r e di na p p o i n t e df o r m , f u r t h e rm o r ed a t aa n a l y s i sa b i l i t yo fc o m p u t e ri sa ta na d v a n t a g ei nt h ea s p e c t so f m o n i t o r i n g d a t aa n a l y s i sa n di n f o r m a t i o nf e e d b a c k , s ot h ed e v e l o p m e n to f a n a l y s i sa n d m a n a g e m e n ts y s t e mo fm o n i t o r i n gd a t ai st h en e wt r e n do fe n g i n e 丽n gm o n i t o r i n g t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts 也岫so fa n a l y s i sm a n a g e m e n ts y s t e mo f m o n i t o r i n gd a t a ,a n a l y z e s t h er e q u i r e m e n to fa n a l y s i s m a n a g e m e n ts y s t e mo f m o n i t o r i n gd a t a , t a k e st h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n ge n g i n e e r i n go ft u n n e le n g i n e e r i n g a s a p p l i c a t i o no b j e c t s ， u t i l i z e sd a t a b a s em a n a g e m e n ta n df i g u r ev i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y , a d o p t so b j e c to r i e n t e dr e l a t i o nd a t am o d e l ，a c h i e v e st h ef u n c t i o no fi n p u t a n ds t o r a g eo fm o n i t o r i n gd a t a , v i s u a l i z a t i o nq u e r y , g r a p ho ft e n s ec u r v ea n ds p a c e c a r v e ，r e g r e s s i o na n a l y s i sa n db u i l d i n gr e p o r t b a s e do nt h e s ef u n c t i o nt h em o d u l eo f a n a l y s i sa n df o r e c a s t i n ge x p e r td a t a b a s ea n dt h em o d u l eo fd i s p l a c e m e n ta n t i - a n a l y s i s a lea d d e d a tl a s tt h em o n i t o r i n ga n ds u r v e y i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo f t u n n e le n g i n e e r i n gi sd e v e l o p e d ，f u r t h e r m o r et h es y s t e mi sa p p l i e da te n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：m o n i t o r i n g ；d a t aa n a l y z e ；m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ；d a t a b a s e ； v 北京交通大学硕士论文 c l a s s n o ：n l c ：u 2 16 ；u d c ：6 2 5 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期： 1秀逸 焱 孙 年 签01，糍辞， 作 ： 文 期 沧 匪 位 字 学 签 致谢 本论文的工作是在我的导师刘保国教授的悉心指导下完成的，刘老师以其严 谨的治学风格，丰富的科研经验，渊博的理论知识、专业知识、社会知识及其他 方面的言传身教，给予了我莫大的教诲和启迪，使我受益匪浅。在此衷心感谢两 年来刘老师对我的关心和指导。 在论文选题的可行性论证中，得到了乔春生教授、刘开云老师的指导与帮助， 在此表示衷心感谢。 感谢陈孟乔、刘清华、李春生、赵乐之、秦晓明、汪磊、王靖安、杨兆辉、 王建等同学在这两年中他们给我生活、学习上的帮助和关心，也给我留下了纯真 的友谊和美好的回忆。 永远感谢我的父母，他们在生活上、精神上给予我的支持和激励始终是我不 停前进的动力。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前我国的公路隧道基本上采用复合式衬砌型式，工程中越来越多地采用新 奥法进行施工。 新奥法【1 】是把围岩和支护结构作为一个统一的受力体系来考虑，围岩既是荷 载的来源，又是支护结构体系一部分，围岩和支护结构相互作用。新奥法施工的 基本思想是：充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷 射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通 过对围岩和支护结构的监控、量测来指导地下工程的设计与施工。 因此监控量测是新奥法施工的一个重要组成部分。现场量测可以把隧道开挖 后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的 依据，把施工监测所获得的信息加以处理，与工程类比法的经验相结合，建立一 些必要的判断准则，借以直接利用量测结果( 经处理) 及时地调整，确定支护参数 或进行施工决策。合理有效地应用现场量测技术，可以确保施工安全，确定支护 施作时机，提供修改的设计依据，判断隧道工程的最终稳定性1 2 1 。 1 2 课题的提出 在隧道现场监控量测过程中，必然会采集到大量的量测数据。手工管理监测 数据，容易造成数据的混乱和丢失。生成各种变化曲线并分析围岩和支护结构的 变化情况很不方便，隧道施工中的时间效应和空间效应难以进行，对围岩稳定性 的判断缺乏科学的依据。 计算机技术飞速向前发展，使数据库技术已经比较成熟，利用数据库可以存 储和处理大量的数据，并且可以进行数据分析、及时反馈信息。数据库系统的出 北京交通大学硕士论文 现，使人们可以为施工监测建立相应的数据管理系统，进而通过监测数据管理系 统对工程监测进行有效的管理，在施工过程中充分利用监测数据来掌握围岩和支 护结构的动态信息，随时了解工程稳定状况及确定新的岩石力学参数和支护结构 参数，并将这些信息及时反馈于设计和施工决策。监测数据管理系统的开发已经 成为监测技术发展的一种新趋势和方向【”。 隧道监控量测数据分析与管理系统能完整而准确地记录原始的量测数据，方 便施工过程中的信息反馈；同时，在处理数据完成后以报表和图形的方式打印输 出监测数据，清晰明了地显示围岩状态；并整合设计规范，根据数据处理结果， 提出可行的施工指导；需要的时候，还可以对隧道的物理、力学参数进行位移反 分析。这将极大提高施工和监控量测的效率，更好地完成施工过程中的设计优化 左盘 。口o 1 3 国内外现状及存在的问题 目前，我国的公路隧道越来越多地采用新奥法进行施工，同时，随着计算机 技术的不断发展，新奥法施工现场监测数据的自动化管理的研究也成为了一种新 的发展方向【4 】。 重庆交通科研设计院结合公路隧道现场监控量测的特点，围岩和支护结构稳 定分析对数据管理和应力、位移变形时间空间曲线的要求，采用m i c r o s o f t 公司的 a c c e s s2 0 0 0 和v i s u a lb a s i c6 0 开发了具有友好用户界面的功能强大的公路隧道监 控量测数据管理系统。该系统能按地表沉降、周边位移、拱顶下沉、锚杆内力、 接触压力、衬砌应力、钢支撑内力、围岩内部位移等量测项目方便地输入现场监 控量测采集到的数据，实现从量测频率值到应力值的自动转换，向数据库中添加 新的量测数据，按要求的项目查询数据，对输入失误的数据进行修改和删除，并 能生成应力、位移变形随时间、空间变化( 指与掌子面距离) 而形成的时间效应、 空间效应曲线，从而判断量测数据是否收敛。该系统在指导隧道施工、确定支护 参数方面能发挥很好的作用，从而确保隧道施工的安全，并加快工程进度嘲。 2 第一章绪论 但同时该系统也有其不足的地方。首先该系统对不同的监测方法的适应性不 强。比如拱顶下沉的监测可以使用水准仪测量，也可以使用全站仪测量，而不同 的测量方法的数据输入是不同的；而衬砌应力等项目也有仪器能自动完成频率值 到应力值的转换，只需直接读出应力值即可，而该系统的数据输入表格格式过于 固定，缺少可变化性。其次，该对监测数据的处理不够科学。由于现场量测所得 的原始数据具有一定的离散性，它包含着偶然误差的影响，如果不经过数学处理 是难以利用的，通常的处理方法是通过回归分析来拟合监测数据。再次，报表是 隧道旅工监控量测数据最直观的表现形式，该系统无法生成报表，其应用性能大 为降低。最后，该系统缺少对监测数据有效的分析反馈和后处理方式。通常，监 测数据可以通过位移反分析来反演隧道开挖过程中岩体的物理、力学参数，如果 监测数据分析与管理系统中加上位移反分析功能模块，无论对于设计方还是施工 方，都能提供十分有效的指导手段。 1 4 研究的主要内容及方法 本课题研究的主要内容分为六个方面。 1 隧道施工监控量测项目及方法研究 在对系统的设计与开发之前，需要对隧道的施工监测进行全面的了解与研究， 包括监测目的、监测要求、监测项目以及监测方法等。 隧道施工监控量测项目及方法通过查阅资料文献、资料或规范等了解，或者 去旌工现场考察 2 隧道施工监控量测数据处理研究 该监测系统的数据分析过程设计要求对监测数据的处理有全面清晰的认识。 监控量测数据的处理包含数据采集、实测资料的整理方法、资料的分析与反馈， 以及监测数据的回归分析处理。 隧道施工监控量测数据处理利用理论分析与计算进行研究，为系统的设计提 供数据结构基础。 3 北京交通大学硕士论文 3 系统总体规划与设计 对于软件系统来讲，为了保证软件产品的质量，并使开发工作能顺利进行， 我们必须为编程制定一个周密的计划，这项工作就称为总体设计【6 】。 系统总体规划与设计采用模块法设计方法进行设计。 4 系统数据库设计 为了存放施工监测过程中采集的数据，需要使用数据库。系统数据库开发设 计的任务是在d b m s 的支持下，按照监测系统的要求，为监测系统设计一个结构 合理，使用方便、效率较高的数据库及其应用系统。 系统数据库设计采用规范设计法中的新奥尔良方法啊。 5 系统后台主体设计 系统后台主体设计是软件系统运行的主体部分。主要进行数据的分析处理、 事件的响应，以及输入输出管理等等所有的计算机指令。 系统后台主体设计以j a v a 程序设计语言为基础，采用面向对象的程序设计方 法【8 1 。 6 系统界面设计 一个友好的系统界面是优秀的软件系统所必须具备的。对于系统界面的设计， 应该满足方便，高效，提供足够的信息量等特点。界面的人性化是设计的重点。 系统界面设计采用面向对象程序设计方法中的m v c 模式来进行设计【9 】。 4 第二章隧道施工监测 第二章隧道施工监测 监控量测是新奥法施工中一个重要的组成部分。隧道开挖后，在应力重分布 和应力释放的过程中，围岩表现出各种状态，如位移、性质变化等，所以在施工 中建立严密的监控量测是保证安全的主要手段，同时也是调整支护参数的信息来 源。进行施工监控量测的目的可归纳为下述五点【1 0 1 ： 1 为设计和修正支护结构形式和参数提供依据 进行连拱隧道工程设计时必须依靠工程地质调查和试验来提供必要的依据和 信息，但由于岩体地质情况千差万别，使得工程地质调查和试验取得的数据很难 正确反映岩体的真实性。所以再施工过程中通过围岩与支护的变形与应力测试数 据，可对原设计予以修正，或者为重新计算和设计提供依据。 2 正确选择开挖方法和支护施作时间 通过分析量测数据，可以确定符合连拱隧道施工要求和地质条件的施工方法 和支护结构的施工措旅，以充分利用围岩自承能力，然后通过量测分析，再确定 适宜的二次支护时间；在侧压力较大的底层中，利用量测数据，可以确定最佳的 仰拱施作时间。 3 为隧道施工和长期使用提供安全信息 通过对连拱隧道围岩稳定性与支护可靠性的量测监控和分析评定，可以发现 施工中隐藏的不安全因素和隧道有可能失稳的区段或局部薄弱的位置，从而及时 采取相应的加固或其他措施。 4 是研究隧道结构受力特征和完善设计理论的重要途径 通过施工现场量测，人们才能深入系统地研究连拱隧道支护结构的力学机制， 才可能认识不同条件，不同类型岩体的变形破坏机理。 5 优化设计，指导施工 将量测结果用于优化设计，使设计达到优质安全，经济合理，另外还可以将 5 北京交通大学硕士论文 现场监测结果与理论预测值相比较，用反分析法导出更为接近实际的公式，用于 指导其他工程的施工。 因此，进行旌工量测，能判断应力分布状态和应力释放结果。通过对量测的 数据经整理和分析得到的信息及时反馈到设计和施工中，以达到进一步优化设计 和施工方案，安全、经济、快速施工的目的。 2 1 监测项目及方法 根据我国公路隧道设计规范i n 及公路隧道施工技术规范【1 2 1 ，隧道的 监控量测内容分为必测项目和选测项目。必测项目是必须进行的常规测量，是判 断围岩稳定状态、支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测，是新奥法量测 的重点项目。该项目主要包括洞内观察、拱顶沉降量测、周边收敛量测等项目， 这类量测方法简单、可靠性高、费用少，但对修改设计、指导施工所起的作用却 非常大。由于隧道围岩开挖断面大，地质条件复杂，遇到的不良地质灾害多，为 了防止洞内发生塌方，防止洞口边、仰坡失稳，确保合同工期和施工安全，使隧 道投资更加经济合理，同时加强规范中的选测项目，在洞内外进行全方位，全过 程监控量测，对于了解和掌握隧道施工过程中，围岩变位和支护体系受力的普遍 规律和特点，积累经验用于同类工程设计和施工，都是一种重要的途径，也是作 为科研的重要手段。 进行现场监控量测的隧道可按表2 1 选择量测项目和相应的其他内容。 表2 1 监控量测项目与目的 序号量测项目测试目的 及时了解围岩岩性的变化情况、节理裂隙的发育情况、隧 1 洞内外宏观观测 道内淋水情况及喷射混凝土裂缝。 2拱项下沉判断围岩的稳定性，确定二次衬砌的施做时间。 3 浅埋段地表下沉了解隧道开挖的影响范围，及时掌握隧道整体的稳定情况。 掌握隧道的变形大小及发展趋势，判断围岩稳定性，确 4 水平收敛 定二次衬砌的施做时间。 6 第二章隧道施工监测 表2 1 监控量测项目与目的( 续) 序号 量测项目 测试目的 5 锚杆内力了解锚杆的工作状态和支护效果。 6锚杆拉拔试验 判断锚杆的锚固效果是否能够满足规范要求。 7 喷层混凝土应力量测喷射混凝土内应力，了解初期支护的受力状态。 8二次衬砌应力 量测二次衬砌内应力，了解支护衬砌内的受力状态。 了解作用于初期支护结构上的围岩压力大小，判断初期 9 国岩与喷层压力 支护参数的合理性。 喷层与二次衬砌压了解作用于二次衬砌结构上的变形压力大小，判断二次 1 0 力衬砌结构参数的合理性。 量测钢支撑内应力，推断作用在钢支撑上的压力大小， 1 1 钢支撑应力 判断钢支撑尺寸、间距及设置钢支撑的必要性。 2 1 1洞内外宏观观测 隧道开挖工作面爆破后立即进行的工程地质状况的观察和记录，以及初期支 护完成后进行的喷层表面观察和记录，对于判断围岩稳定性和预测开挖面前方的 地质条件、直接判断围岩、隧道的稳定性和支护参数的检验均是不可缺少的。因 此，将这两项观察定为隧道施工中各类围岩都应采用的第一项必测项目。其具体 目的在于及时了解和掌握隧道开挖掌子面的岩型特征、成分、颜色、构造结构、 节理产状、裂隙发育程度、地下水状况等，以便对围岩类别及时做出合理判断。 同时还可以对岩体进行取样，通过室内试验，获取相关物理力学参数：如容重y 、 抗压( 剪) 轧强度、弹性模量e 、泊松比u 、粘结力c 、内摩擦角等。 隧道掌子面的工程地质状况的观察和记录简称地质素描，观察记录时应详细 准确，如实反映情况。需要描述的内容有： 1 隧道掌子面的位置( 里程) 、形状、尺寸和编号； 2 岩性特征：岩石的颜色、成分、结构、构造； 3 地层时代归属及产状 7 北京交通大学硕士论文 4 节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性、断面状 态特征，充实物的类型等； s 断层的性质、产状、破碎带宽度、特征； 6 地下水的类型、出露位置、水量、水压、化学成分及对喷锚支护的影响； 7 施工开挖方法、支护参数及循环时间； 8 开挖掌子面的稳定状态，顶板有无剥落现象； 9 喷层开裂、起鼓、剥落情况的描述。 2 1 2 拱顶下沉监测 隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱 顶下沉速度。拱顶下沉量测也属于位移量测，对于埋深较浅、固结程度低的地层， 水平成层的场合，这项量测比收敛量测更为重要，其量测数据是判断支护效果， 指导施工工序，保证施工质量和安全的最直接的基本资料。 监控量测方法如下： 图2 - 1 拱顶下沉测试方法示意图 标准高程点 隧道开挖后在拱顶固定一带倒三角环的测桩，埋设要求与水平收敛测桩相同。 测试时将精密水准仪安放在标准高程点和拱顶测点之间，铟钢尺底端抵在标准高 程点上，并调整铟钢尺上的气泡，使其居中，以保证铟钢尺处于垂直状态。把端 部带有挂钩的钢卷尺倒挂在拱顶测桩上，使其自然下垂。然后通过水准仪后视铟 钢尺记下读数为h 1 ，再前视钢卷尺( 注意钢卷尺在每次测试时均要保持相同的张 紧力) 记下读数为h 2 ，若标准高程点的高程为h 0 ，则本次测试拱项测点的高程 8 第二章隧道施工监测 为h o + h 1 + h 2 ，两次不同测试的拱顶高程差即为两次间隔时间内的拱顶下沉。 2 1 3 水平收敛监测 水平收敛是必测项目，也是隧道工程监测中最基本的监测项目之一。在预设 点的断面隧道开挖爆破以后，应尽可能早地沿着隧道周边的拱顶、拱腰和边墙部 位分别埋设测桩。测桩埋设深度3 0 c m ，钻孔直径4 2 m m ，用快速硬化水泥或早 水平 水平 ( a ) 全断面开挖时 ( b ) 上下台阶开挖时 图2 2 水平收敛、拱顶下沉测点布置示意图 9 北京交通大学硕士论文 强锚固剂固定，测桩需设保护罩。测桩埋设位置见图2 2 ，当采用全断面开挖时， 每个断面布置一条水平测线，采用正台阶法开挖时，每个断面布置两条水平测线。 2 1 4 锚杆内力量测 根据科研和生产的需要，锚杆轴向力的测定属于选测项目。首先在隧道内选 择拟测岩层，再结合隧道开挖等情况，选择好钻孔位置，以便钻孔施工。 测定锚杆轴力有两个目的。首先可以了解锚杆受力状况及轴力的大小：隧道 开挖后随着围岩发生变形而使锚杆开始受力，在围岩变形稳定前锚杆的轴力是不 断增加的，量测锚杆轴力的大小是为了弄清锚杆受力的分布规律，为分析锚杆的 作用机理提供实测数据；其次可以判断围岩变形的发展趋势：通过此项量测，可 以概略判断围岩内强度下降区的界限，从而为锚杆参数设计提供一定依据。 图2 3 测力锚杆布置图图2 - 4 锚杆布置示意图 锚杆内力是通过埋设在钻孔中的测力锚杆进行测量的。每根测力锚杆由四根 钢筋计和五节钢筋串联后组成，其直径应与支护中采用的锚杆直径相同。为了保 证监测质量，钻孔直径应为6 0 m m ，小于此值将难于保证测力锚杆的锚固质量和 信号电缆的安全。每根测力锚杆有四根信号电缆从钻孔口引出。如图2 3 所示， 孔外的信号电缆应埋设在喷射混凝土内，最后在隧道侧墙脚处引出，并用布袋或 第二章隧道施工监测 木箱将其保护好，以免损坏。如图2 - 4 所示，每个断面上布设5 根测力锚杆，沿 隧道围岩周边分别在拱顶、拱腰及拱脚打5 个钻孔，视围岩类别不同，、v 、 、i i 类围岩中孔深分别为2 5 m 、3 0 m 和4 0 m ，孔径6 0 m m ，每个钻孔内安装 一根测力锚杆( 同普通钢筋锚杆安装方法相同，但注意插入时应小心不要碰断信 号电缆) 。安装完毕后用频率计测定并记录下每个钢筋计的读数作为初值。 2 1 5围岩与喷层间压力 围岩与喷层间压力的监测目的是为了了解隧道开挖后围岩压力沿洞室周边分 布规律，围岩应力重分布的时间效应与空间效应，判断围岩的稳定性，以及围岩 压力与初期支护间的相互作用关系。同时由于喷射混凝土支护后限制了围岩的变 形，所以，喷射混凝土将会受到来自于围岩的变形压力作用。为了准确掌握作用 在喷层上的围岩压力大小和分布，以便确定喷层厚度是否能够满足围岩稳定的要 求，有必要对围岩压力进行量测。 围岩压力量测将通过事先埋设在喷层与洞壁围岩之间的压力传感器来完成 图2 5围岩压力测点布置示意图图2 - 6 压力盒固定方式示意图 1 l 北京交通大学硕士论文 ( 见图2 5 ) 。目前压力传感器大都采用土压力盒，如丹东前阳工程测试仪器厂生 产的x y j 2 型钢弦式压力传感器和频率计进行围岩压力量测，其中频率计是二次 仪表，用来读数。这种传感器具有抗干扰能力强、受环境影响小、不受信号电缆 长度影响等特点，因此，在国内外工程界得到了广泛应用。 在每一监测断面上，沿隧道周边拱顶、拱腰及边墙埋设5 个压力传感器，如 图2 5 所示，将x y j - 2 型钢弦式压力传感器埋设在围岩与喷射混凝土之间。 压力盒固定方法：打4 个0 2 2 、深l o c m 的钻孔，将1 2 、长1 6 c m 的钢筋用 速凝水泥固定在钻孔内，然后将压力盒用细铁丝固定在已打设的钢筋上，要求压 力盒平面与隧道壁面( 切线方向) 平行布置，具体尺寸及安设方法见图2 6 。喷 射混凝土支护完成后应尽快读取压力传感器的初始读数，以后根据压力传感器的 频率变化即可计算所受压力的大小。 2 1 6 喷射混凝土与二次衬砌间应力 与围岩压力相似，二次衬砌支护完成后，由于限制了初期支护的变形，也会 受到来自于初期支护的压力。这种压力的测量原理和方法与围岩压力的量测完全 图2 7 二衬压力测点布置示意图图2 - 8 钢支撑应力测点布置示意图 第二章隧道施工监测 相同。即将x y j 2 型钢弦式压力传感器埋设在喷射混凝土与二次衬砌之间，但应 注意压力传感器应在挂防水板之前进行安设( 见图2 7 ) 。混凝土达到初凝强度后 开始测取读数。每个断面埋设5 个压力传感器，埋设位置与围岩压力传感器相同。 2 1 7 钢支撑应力 钢支撑包括型钢拱架和格栅拱架两种，是初期支护的主要类型之一。钢支撑 应力测量就是为了了解和掌握钢支撑的受力状态，以便判断初期支护参数是否合 理。钢支撑应力测量是通过焊接在支架上的钢筋应力计来实现的。如图2 8 所示， 钢支撑应力量测时，应将钢筋计焊接在钢拱架外侧( 围岩一侧) 或内侧( 隧道一 侧) ，焊接要求如图2 - 9 所示，有条件时，在同一位置点，内、外侧各焊接一个钢 筋计；若是格栅拱架，则最好将格栅拱架上某一根主钢筋相应位置截断，将钢筋 计焊接上。钢支撑安装完以后即可测取读数，量测断面的测点布置位置与喷射混 凝土轴向应力测点布置位置相同。量测采用频率计进行。 钢筋计 钢麓生圭箜塑堕三一a 蚴的钢筋 r 、 6 0 。w 刖 彩吨厂一 图2 - 9 钢拱架应力测量传感器的绑焊方法 2 1 8 喷射混凝土应力量测 喷射混凝土在新奥法重起着举足轻重的作用，它与围岩共同组成主要承载结 构，是新奥法修筑隧道的承载主体。进行此项内容量测的目的是了解喷层的变形 北京交通大学硕士论文 特性以及喷层的应力状态；掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定 状况。还可提高对喷射混凝土作用机理的认识。 喷射混凝土内部应力测量将采用事先埋设在混凝土内部的应力传感器来完 成，应力传感器也是钢弦式，因此，与钢弦式压力传感器具有类似的优点，而且 二次仪表也是频率计。为了比较全面地了解支护结构内的应力分布状态，沿隧道 周边拱顶、拱腰及边墙在喷射混凝土内分别埋设5 个混凝土应力传感器。由于支 护结构的径向应力很小，最大主应力作用于切线方向，所以，应力传感器应平行 于洞壁的切线方向。围岩初喷以后，在初喷面上固定应力传感器，然后再进行复 喷，将传感器全部覆盖并使传感器居中，如图2 1 0 。复喷混凝土达到初凝强度时 开始测取读数。 图2 1 0 喷射混凝土应力测量方法 图2 1 1 二次衬砌应力测量方法 2 1 9 二次衬砌应力量测 目前隧道施工多采用现浇混凝土或钢筋混凝土作为二次衬砌支护结构。而二 次衬砌的施作，受时间因素影响很大，直接关系到衬砌结构的安全，过早施作会 使二次衬砌承受较大的围岩压力，过晚又不利于初期支护的稳定。支护质量的优 1 4 第二章隧道施工监测 劣，往往体现隧道外观的好坏。因此隧道二次衬砌质量的好坏，对隧道的长期稳 定性，使用功能的正常发挥以及外观美均有很大影响，为了监视隧道长期稳定性， 需要对二次衬砌进行内力量测。归纳而言，二次衬砌内力量测的目的在于： 1 了解二次衬砌的受力条件。 2 判断支护结构长期使用的可靠性及安全程度。 3 检验二次衬砌设计的合理性，积累资料为检验类比提供依据。 二次衬砌应力量测与喷射混凝土切向应力量测基本相同，设在同一个断面上。 混凝土应力传感器埋设在二次衬砌混凝土内，一个断面布置5 个测点，断面布置 形式与围岩压力量测相同，断面上测点位置的布置与喷射混凝土切向应力量测的 测点位置相同。如图2 - 1 l 。 2 1 1o 浅埋段地表下沉量测 位于软弱破碎的级围岩中的隧道，如果其覆盖层厚度较小时，在隧道 施工过程中，围岩的应力、位移等变化在很大程度上反映到地表沉降上，这种现 象对属于大跨度结构的隧道尤其敏感。所以通过对不同施工过程中的地表沉降的 叠加效果影响量测，测出扰动范围、最大沉降量和地表倾斜程度，据此判断围岩 的稳定性和采取相应的施工决策。量测目的在于了解以下内容： 1 地表下沉范围、量值； 2 地表及地中下沉随工作面推进的规律； 3 地表及地中下沉稳定的时间。 对于上覆地层厚度不足隧道直径两倍的地段视为浅埋段，一般处于隧道的进 出口位置。根据需要，对浅埋段地表沉降需要进行观测，断面垂直于隧道轴向布 置，每隔1 0 - - 2 0 m 布置一个断面，每断面在地表设7 个测点，分别在隧道拱项正 上方，隧道两侧拱脚正上方，及其外侧每隔7 8 m 一个点，直到拱脚与水平方向 4 5 度夹角的地层滑动线与地表交点，在最外侧测点以外至少5 m 设两个不动点作 为参照基点，通过精密水准仪量测不同时刻测点的高程即可得到测点在不同时间 北京交通大学硕士论文 段内的下沉值。如图2 1 2 所示。 图2 1 2 地表沉降测点布置示意图 选测项目全断面测点布置示意图分别如图2 1 3 。 c 压力盒 一钢筋计一应力计 图2 1 3 分离式隧道选测断面测点布置示意图 2 2 施工监测数据处理 原始的实测资料往往是水平测线的长度( 如水平收敛) 、测点的高程( 如拱顶 下沉、地表下沉) 、传感器的钢弦震动频率( 如围岩压力、二次衬砌压力、混凝土 内应力、钢拱架内力等) ，尚不够直观，须对原始数据进行预处理，推导出能直观 第二章隧道施工监测 地反映围岩动态和支护结构工作状态的力、应力和位移的物理量。 1 水平测线长转换为两点之间的相对位移 设在t n 时刻，收敛计尺子读数为k ，数显窗e l 读数为d n ，温度为t n ；在o l 时刻，收敛计尺子读数为k l ，数显窗口读数为d n + l ，温度为k l ，则在0 1 t n 时间间隔内两点之间的相对位移为： s 丑= ( l n + d n ) 一( l 讳生+ d 西1 ) + 征限h t 曩) k i 从t o 到t n 时间内的累积相对位移量为： s - - y , a 为收敛计钢尺的线膨胀系数，根据出厂规定取为1 2 x1 0 击。 2 测点的高程转化为拱顶下沉 设基准点的高程为h o ，在t n 时刻，水准仪后视铟钢尺的读数为h m l ，前视钢 卷尺的读数为h 啦，在o l 时刻，水准仪后视铟钢尺的读数为h n + l ，1 ，前视钢卷尺 的读数为h n + l , 2 ，则在o l - t n 时间间隔内该点的下沉量为 r i = ( 1 l o + 珏珥土+ 珏啦) 一( h o4 - h n + l ，l + h 曩+ 1 1 2 ) 从t o 到t n 时间内的累积下沉量为： 珏= h i 3 测点的高程转化为地表下沉 设基准点的高程为h o ，在t n 时刻，水准仪后视铟钢尺的读数为h n , 1 ，前视铟 钢尺的读数为h 啦，在o l 时刻，水准仪后视铟钢尺的读数为h n + l l ，1 前视铟钢尺 的读数为h n + 1 2 ，则在t n + l - t n 时i 司f n q 隔内该点的下沉量为 h n = ( n o + 珏l i - i 一珏啦) 一( h o + 珏时量，重一h n + t 二) 从t o 到k 时间内的累积下沉量为： 北京交通大学硕士论文 珏= l i i 4 钢弦式传感器的钢弦震动频率转换为应力或应变 每个传感器在出厂时均有一张率定表，表中给出了相应传感器的标定系数k ， 若实测传感器的频率值为f ，传感器的初始频率为f o ，则该传感器实际受到的应力 或应变为： p = 瓯f 2 一蟹) 以上实测数据经预处理后，以测点为中心汇总在一张或若干张( 视该点测试 数据的多少) 表格中，表格中需包含测点的编号或传感器号、断面里程、测试时 间、距掌子面距离等信息，根据该表格再进一步进行资料分析和反馈。 2 3 监测数据分析与反馈 监控量测的目的，就是为了科学指导施工，总结经验，不断提高，所以对观 察量测的资料必须回归、总结并及时反馈给设计、施工、监理等部门，以便对设 计参数、施工方法等进行及时调整，达到既安全又经济的目的。不同的监测项目 其分析与反馈的方法也不一样。 1 周边位移的分析与反馈应用 隧道围岩周边位移是围岩动态的显著表现，所以现场量测主要以围岩周边位 移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的标准。 一般而言【1 3 】，坑道开挖后，以围岩位移作为判断其稳定状态的标准，有赖于 对实际隧道工程设计与施工经验的积累和总结及对位移量测数据的处理分析。数 据分析的方法，可应用非线性回归方法。回归函数选取负指数函数： = a ( 1 一e 式中：a ，卜回归常数； 卜初读数后的时间( d ) ； l r 位移值( 1 砌) 。 】g 第二章隧道施工监测 隧道周边任意一点的实测相对位移值，或用回归分析推算的最终位移值，均 应小于表2 2 中所列数值。表2 2 所列数值是在统计和分析了国内许多隧道的量 测数据后得到的，我国公路隧道施工技术规范【1 2 】规定了可作为现场量测数据 分析与应用中的依据，同时可根据实测数据的分析进行修正。 位移速率也是判断围岩稳定性的标志之一。如我国锚杆喷射混凝土支护技 术规范提出洲以收敛速率小于0 1 5 m m d 或拱顶位移速率小于o 1 m m d 作为基 本稳定的主要判据。 因此，变形基本稳定应同时符合下列规定： 1 ) 各测试项目显示隧道围岩和支护变形速度有明显减缓趋势； 2 ) 水平收敛( 拱脚附近) 速度小于0 1 5 m m d 、拱顶下沉速度小于0 1 m m d ： 3 ) 施作二次衬砌前的总变形量已达预计总变形量的8 0 以上； 钔初期支护表面裂缝不再发展。 表2 2 隧道周边允许相对位移值 嘉絮 3 0 0 m 围岩类别 0 1 0 , 0 3 0o 2 0 o 5 00 4 0 - - - - 1 2 0 o 15 - - 0 5 00 4 0 1 2 0o 8 0 2 o o o 2 0 0 8 00 6 0 1 6 01 0 0 , - - - 3 0 0 注：相对位移值是指实测位移值与两测点距离之比，或拱顶下沉与隧道宽度之比； 脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值； i 、v 、类围岩可按工程类比初步选定允许值范围： 本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料积累作适当修正。 2 围岩位移及松动区段分析与反馈 如果实测围岩的松动区段，超过了允许的最大松动区( 该允许松动区半径与 允许位移量测相对应) ，则表明围岩已出现松动破坏，此时必须加强支护或调整施 工措施，以控制围岩松动范围。例如：加强锚杆长度、加密或加大直径等，一般 要求锚杆长度大于松动层厚度，加固效果才能容易达到安全和质量要求。 北京交通大学硕士论文 3 锚杆轴力量测数据分析与反馈 锚杆轴向应力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据，可根据锚杆极限抗拉强度 与锚杆应力的比值k ( 安全系数) 做出判断。锚杆轴向应力越大，则安全系数k 越小。一般认为锚杆局部段的k 值稍小于1 是允许的，因为锚杆有一定的延伸性。 锚杆的局部段的k 值稍微小于1 的允许程度，应该是不超过锚杆的屈服强度。 若锚杆轴应力超过锚杆的屈服强度时，显然应首先考虑改用高强钢材加工的锚杆。 当然，增加锚杆数量或加粗直径也可以降低锚杆轴应力值，使k 1 。 4 围岩压力分析与反馈应用 由量测数据所得围岩压力分布曲线，可了解围岩压力的大小及分布状况。而 围岩压力大小与围岩位移量( 即变形) 及支护结构的刚度密切相关。 围岩压力大，则作用于初期支护结构的压力也大。分析有两种情况：一是围 岩压力很大并且变形量也很大，此时应加强支护，以限制围岩变形和控制围岩压 力的增长；另一种情况时围岩压力较大，但变形量并不很大，这表明支护时机和 支护的封底时间可能过早或支护尺寸及刚度太大，这时应作适当调整修正支 护设计参数。但是，当测得的围岩压力很小但其变形量却很大时，则围岩将会失 去稳定，此时应立即停止开挖，加强围岩支护和采取辅助施工措施进行加固处理。 5 喷层应力分析与反馈应用 喷射混凝土层应力是指其切向应力( 喷层的径向应力一般较小) 。喷层应力值 与围岩压力及位移量大小有密切关系。喷层应力大的原因是围岩压力和位移量大 及支护力度小。 在实际工程中，一般喷层不允许有明显的裂损、剥落、起鼓等现象。若喷层 应力太大，或出现明显裂损或剥落、起鼓等现象，则应作处理，一般是适当增加 初始喷层厚度。如果喷层厚度已较厚时，仍然出现明显裂损、起鼓等，则不一定 再增加喷层厚度，而应增强锚杆( 加长、加粗等) 、改变封底时间、调整施工措施， 选择二次支护衬砌的最佳时机等，并仍然要继续加强量测监控。 6 浅埋隧道地表下沉分析与反馈 第二章隧道施工监测 地表下沉监测对于地面有建筑物的浅埋隧道地段和城市地下工程尤为重要。 若量测结果表明地表沉降量较大，或出现增加的趋势，则应采取加强支护和调整 施工措施，可考虑适当加喷混凝土、增设锚杆、加挂钢筋网、加钢支撑、超前支 护、或缩短开挖循环进尺、提前封闭仰拱、升值预注浆加固围岩等。 另外，在浅埋偏压地段隧道可能发生横向地表位移加沉降，处理较为复杂， 应加强量测分析与治理浅埋偏压隧道工程的对策与量测的研究。 北京交通大学硕士论文 第三章系统总体规划与分析 系统总体规划是软件系统生命周期的第一阶段，是系统开发过程的第一步。 系统总体规划【1 5 1 的主要目标就是制定软件系统的长期发展方案，决定软件系 统在整个生命周期内的发展方向、规整和发展进程。这样做能为以后的系统分析 和设计打好基础。 系统分析的主要内容是需求分析。需求分析f 1 6 1 就是对处理的对象进行系统调 查，在完全弄清用户对新系统的确切要求后，用统一、规范的图表和书面语言表 达出来，它是系统开发工作中最重要的环节之一。 进行软件系统的总体规划与分析一般包括如下几个阶段：当前系统信息需求 的初步调查；软件系统需求分析；以及系统总体结构设计。 3 1 系统信息调查 在系统信息调查的阶段中，对隧道施工监测进行了全面的分析与了解，即从 隧道监测项目断面的划分、监测仪器的架设、监测数据的采集、监测数据的计算 与处理以及最终结论的得出等各个环节进行详细分析与归纳，其过程和结论详见 第二章。 3 2 系统需求分析 隧道监控量测管理系统的需求来自隧道施工工程中的监测方，主要内容是能 够在形象直观的可视化界面上处理隧道施工期间的所有必测项目和选测项目的原 始监测数据，储存原始监测数据并进行必要的计算，根据监测数据进行整理与分 析，完成预定的功能，如生成报表，预测隧道围岩变化趋势等。该系统的功能需 求可分为四部分。 1 信息输入需求 2 2 第三章系统总体规划与分析 信息输入是人机交互的前提条件，是良好的可视化环境的基本要求。信息输 入要求简洁明了，无重复输入操作等。针对该系统而言，信息输入可以分为两部 分： 1 ) 基本信息录入 基本信息包括工程名称，建设单位，隧道名称，承包单位，监理单位，监测 项目，监测单位等。 2 ) 监测数据录入 监测数据的录入分为两种情况。第一种是监测断面已经存在，此时数据录入 按如下步骤进行：选择隧道名称一选择监测项目一选择断面桩号一自动显示以前 已经录入的数据表一添加新测试的数据一预处理一保存，对所有隧道所有监测项 目进行重复；第二种是监测断面不存在，此时需先创建监测断面，针对不同的监 测项目，先录入不同的信息。如果水平收敛需录入上台阶或下台阶，而围岩压力、 钢支撑应力等需要录入传感器编号、传感器标定系数及初频。然后自动显示录入 数据表格式一添加新测试的数据一预处理一保存。 2 数据处理