（岩土工程专业论文）软土隧道施工的自动监测数据动态分析与安全状态评估方法的研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市用地日益紧张，越来 越多的城市开始修建地下隧道，上海等城市近年来修建了大量的地铁隧道和越 江隧道。面对大规模的隧道建设，如何保障隧道工程的施工安全成为建设者面 临的一个严峻问题尤其是在像上海这样的软土地区，如何确保软土隧道施工 安全显得尤为重要，具有非常重要的现实意义与指导作用。 本文结合上海长江隧道工程施工背景，研究了软土隧道工程施工的自动监 测方案，同时对自动监测数据进行动态分析研究，研究隧道工程施工监控报警 值的合理确定方法，从监测数据分析的角度进行报警值的研究。并对隧道安全 状态进行评估，对隧道工程施工过程中的安全状态进行安全等级划分。针对不 同的安全状态，分别给与相应的控制措施和建议，确保隧道工程建设的安全进 行。 根据上海长江隧道工程施工背景，本文研究了三种可行的隧道工程施工自 动监测方案，并进行了比较分析，为建设单位提供参考；解决了监测数据的长 距离传输问题，实现了隧道工程监测项目的自动化监测。根据软土隧道工程施 工特点，通过对监测数据的动态分析，确定了隧道工程施工各监测项目的报警 值，并且根据隧道工程的施工状况，将隧道工程施工划分为四个状态并进行分 级，其预警报警的等级分为四个等级。针对每个等级，分别给出相应的控制措 施和建议。 关键词：软土隧道，自动监测，安全状态，评估 a b s t r c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n du r b a n i z a t i o n , s h o r t a g eo fr e a l e s t a t e b e c a m ea nu r g e n tp r o b l e m m a n yc i t i e sb e g i nt oc o n s t r u c tu n d e r g r o u n dm a n e l c u r r e n f l yt h e r em u s h r o o m al o to fm e t r ol i n ea n dc r o s s i n gr i v e rr u n n e r f a c i n gu pt o t h es u r g i n go f t u u n e lc o n s t x u c t i o n h o wt og u a r a n t e ec o n s t r u c t i o no fs a f e t yb e c o m e sa s e r i o u sp r o b l e m , e s p e c i a l l yi ns o f tg r o u n d , w h i c hi sp r a c t i c a la n dd i r e c t i o n a lt ou s t h i sp a p e ri su n d e rt h eb a c k g r o u n do fc o n s t r u c t i o no fc h a n g j i a n gt u n n e l ，t h e s c h e m eo fa u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mi ss t u d i e d ；i nt h em e a n t i m e , d y n a m i c a n a l y s i si sp e r f o r m e dr e f e r r i n gt o f i e l dd a t ao b t a i n e df r o ma u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e m ；a n dt h e nt h r o u g ht h ef i e l dd a t ar e a s o n a b l em e t h o dt od e t e r m i n et h ec r i t i c a l v a l u ei sp r e s e n t e d ；a ns a f e t ya s s e s s n l e n ti sm a d et ot h et u n n e l t h es a f e t yr a t i n gi s d i v i d e di nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o na c c o r d i n gc o n t r o la d v i c ei sg i v e nr e f e r r i n gt o t h ed i f f e r e n ts a f e t ys t a t u s u n d e rt h eb a c k g r o u n do fc h a n g j i a n gt u n n e lt h r e ef e a s i b l em e t h o d sa l es t u d i e d a n dc o m p a r e d t h ep r o b l e mo ff i e l dd a t af o rl o n gd i s t a n c ec o n v e yi ss o l v e da n d a u t o m a t i cf i e l dd a t ag a t h e r i n gi sa c h i e v e d r e f e r r i n gt op a r t i c u l a rc o n s t r u c t i o ni ns o f t g r o u n da n dc o n s t r u c t i o ns t a t u s ，t h e r ea r ef o u rr a t i n ga n dt h ec r i t i c a lv a l u ea r ed i v i d e d t of o u ri t e m r e f e r r i n gt oe a c hr a t i n g , a c c o r d i n gc o n s t r u c t i o na d v i c ea r ep r e s e n t d k e yw o r d s ：s o f tg r o u n dt u n n e l ，a u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，s a f e t ys t a t u s ，a s s e s s m a n t 申请同济大学工学硕士学位论文 软土隧道施工的自动监测数据动态 分析与安全状态评估方法的研究 ( 新世纪优秀人才支持计划资助n c e t - 0 5 - 0 3 8 6 ) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 土木工程学院 土木工程 岩土工程 胡承军 刘国彬教授 二oo 七年三月 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g i iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d y n a m i ca n a l y s i s o na u t o m a t i cd a t a a n d s a f e t yr a t i n ga s s e s s m e n t o n t u n n e lc o n s t r u c t i o nl ns o f tg r o u n d ( s u p p o r t e db yt h ep r o g r a m f o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si n u n i v e r s i t yn c e t - 0 5 - 0 3 8 6 ) s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f c i v i le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：c i v i le n g i n e e r i n g m a j o r ： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：c h e n g j u n h u s u p e r v i s o r ：p r o f g u o b i n l i u m a r c h ，2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：荡舟承喀 硐年7 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：吲两c 够 纠年；月“e l 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 近年来，随着我国经济约快速发展和城市化进程的加快，城市用地目益紧 张，地面交通难以适应发展的要求上海作为一个超大规模的国际性大都市， 其城市的发展也将依赖于交通状况的进一步改善这就使得大力发展城市轨道 交通系统建设很有必要，尤其是城市地下轨道交通建设而盾构法是软土地层 中修建隧道的一种先进的施工方法，其技术运用也日趋成熟，能适用于各种复 杂的地质条件。 1 8 1 8 年英国的布鲁诺( m i b 卜- d c l ) 在蛀虫钻孔的提示下，最早提出了用 盾构法建设隧道的方法。1 8 2 5 年，他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高 6 8 m 、宽1 1 4 m 的矩形盾构修建了世界上第一条盾构法隧道，如图1 1 所示。由 于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道旌工中两次被淹，后来在伦敦 地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，才于1 8 4 3 年完成了全长4 5 8 m 的第一条盾构法隧道。1 8 6 5 年巴尔劳( b w b a r l o w ) 首次采 用圆形盾构，并用铸铁管片作为初次隧道衬砌1 8 6 9 年，他用圆形盾构在泰晤 士河底下建成了外径为2 2 1 m 的隧道。在盾构穿越饱和含水地层时，施加压缩 空气以防止涌水的“气压法”最先是在1 8 3 0 年由劳德口切兰斯( l o r dc o c h r a n c e ) 发明的。1 8 7 4 年，在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中建造内径 为3 1 2 m 的隧道时，格雷塞德( j a m sh e n r y g r e a t h e a d ) ( 1 8 4 4 一1 8 9 6 ) 综合了以往 所有盾构法施工和气压法的技术特点，较为完整的提出了气压盾构法的施工工 艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构法 的发展起了重大的推动作用。随后盾构法在美、英、德、苏联、法国等国家迅 速推广，在1 9 5 9 年之后盾构技术在日本得到了突飞猛进的发展。随着科学技术 的发展，盾构技术也不断被改进和完善，目前盾构法已经成为全世界范围最常 用的隧道施工方法之一 由于具有施工速度快，对周围环境影响小等特点，盾构法隧道从二十世纪 起已经被广泛的应用到各个范围，包括公路隧道、地下铁道、上下水道以及其 第一章绪论 他市政公用设施管道等。各国也开发了各种新型的衬砌，防水技术，以及相应 的工艺和配套设备5 0 年代以前，世界主要使用手工挖掘、闭胸、敞胸或者网 格式盾构。6 0 年代以来，土压平衡盾构、泥水平衡盾构问世。8 0 年代开始，日 本、德国着手研制高精度全自动高精度全自动化盾构机经过上百年的发展， 盾构机械从最早的手掘式盾构，逐步发展成挤压式网格盾构、开胸切削盾构、 局部气压盾构，全气压盾构、泥水加压式盾构和土压平衡式盾构同时，各种 异型断面的隧道也层出不穷，由原先单一的圆形断面逐渐发展到包括矩形、椭 圆型、马蹄型、复连型、多变形等异型断面 图1 1 世界第一条矩形盾构法隧道 国外许多著名的越江、跨海的工程也采用盾构方法施工，包括世界三大跨 海隧道，即英吉利海峡隧道、日本东京湾横跨道路隧道和丹麦斯多贝尔特隧道， 此外还有美国的弗吉利亚州的切萨匹克湾隧道、德国汉堡易北河隧道、荷兰的 “绿色心脏”隧道和w e s t e r s c h e l d e 等大型隧道 我国在盾构法隧道方面起步比较晚在第一个五年计划期间，东北阜新煤 矿用直径2 6 m 盾构及小型混凝预制块修建疏水巷道。1 9 5 7 年在北京下水道工 程中用过直径为2 0 m 及2 6 m 的盾构。上海在1 9 6 3 年开始在第四纪软弱含水地 层中进行0 4 2 m 手掘式盾构隧道工程试验，随后又在1 9 6 4 年采用改进后的网格 式盾构在覆土约1 2 m 的饱和含水淤泥粘土层中进行试验。在前两次试验的基础 上，上海采用直径l o m 的盾构建成了第一条黄浦江越江道路隧道打浦路公 2 第一章绪论 路隧道1 9 7 0 年以来，上海又用盾构法在长江及海边建成了数条摊水和引水隧 道，以及市区街道下水隧道。北京、江苏、浙江等省市也用了不同类型的盾构 修建了各种不同用途的隧道。目前北京上海广州深圳等地的地铁隧道建设也大 都采用盾构法施工 在越江通道方面，我国已经建设了( 或正在建设) 数条大型隧道，见表1 1 表1 - 1 国内在建和已建的部分大型盾构法隧道工程 工程名称建成时间隧道直径( m 盾构隧道长度( m ) 。西气东输”城陵矶长江穿越隧道 删t 42 9 42 0 1 2 重庆主城排水工程隧道 2 0 0 4 76 3 2 09 0 8 2 上海打浦路隧道 1 9 6 51 0 21 3 2 4 延安东路隧道南( 北) 线 1 9 9 81 1 32 2 0 7 复兴东路越江隧道 2 0 0 3 1 0“2 21 2 7 5 大连路越江隧道 2 0 0 3 91 1 2 21 2 7 5 翔段路越江隧道 2 0 ( 5 1 21 1 5 81 2 4 2 武汉长江隧道 在建中 1 1 3 72 5 5 0 南京长江隧道在建中 1 4 8 92 8 9 5 上中路越江隧道南北线在建中 1 4 8 7 2 8 0 2 a 上海长江隧道工程在建中 1 5 28 9 5 0 此外，仅上海市就正在研究五条新的越江隧道，包括军工路隧道、长江西 路隧道、新建路隧道、人民路隧道和龙耀路隧道。伴随这些长距离、大直径隧 道的开工建设，我国已经迸入了盾构隧道大规模建设时期。面对大规模的隧道 建设，如何保障隧道工程的施工安全成为建设者面临的一个严峻问题。尤其是 在像上海这样的软土地区，修建大直径的隧道，如何确保软土隧道施工安全显 得尤为重要，具有非常重要的现实意义与指导作用，并显得非常必要和紧迫， 在工程实践中将会创造巨大的社会效益和经济效益。本文基于上海长江隧道工 程施工为工程背景，通过施工监测获取隧道施工信息，继而对监测数据进行动 态分析，而且制定软土隧道施工的安全状态指标。通过综合分析，从而对隧道 施工进行安全状态评估，最后根据安全程度而采用合适的安全保障措施，确保 隧道施工安全。 3 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 对于类似上海地区的软粘土，由于盾构推进时周围土体应力状态的重分布， 必然使周围地层形成正值的超孔隙水压力区，超孔隙水压力将会在隧道旌工后 的一段时间内消散复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地层位移。 而在软土地层的盾构法隧道工程中，由于盾构穿越地层的地质条件千变万化， 岩土介质的物理力学性质也异常复杂，而工程地质勘察总是局部的和有限的， 因而对地质条件和岩土介质的物理力学性质的认识总存在诸多不确定性和不完 善性。为保证盾构隧道工程安全经济顺利的进行，并在施工过程中积极改进施 工工艺和工艺参数，需对盾构推进的全过程进行监测。对于隧道工程施工安全 状态的评判，主要包括两个方面的内容一方面，通过施工现场采集监测数据， 加以整理、分析；另外一方面，通过分析计算，事先确定隧道施工安全警戒值。 最后通过综合比较分析现场实测数据与安全警戒值，实现对隧道安全状态的判 断。国内外主要开展了以下几个方面的研究。 1 2 1 自动监测系统 在工程信息的自动监测方面，国内外在岩土工程领域虽然有一些自动监测 系统，但大多是关于桥梁、大坝、边坡安全的监铡，在隧道工程的应用实例还 比较少。 y m f u 【l 】通过对桥梁的自动监测，提出了反馈分析的方法。 姚文俊、蔡宽祭2 】通过在明珠线i i 期南浦大桥站进行的自动监测项目，论述 在上海基坑工程中进行自动监测的可行性以及监测方法其采用的自动监测仪 器为徕卡t c a l 8 0 0 全站仪，其设备以及软件均为法国s o l d a t a 公司的产品 吴新魏、涂国凌【3 1 ，介绍了江西洪门大坝的自动化监钡i ，其自动化监测系统 包括渗流监测自动化系统、滑坡体全站仪变形自动监测系统以及大气激光准直 系统应用于土坝变形。 符欲梅等 4 1 通过研制桥梁远程状态自动监测技术，通过编制自动监测软件系 统，实现了应变、挠度、振动3 种类型共1 8 只传感器的远程监控以及数据管理。 周萍掣5 】设计了一套基于现场总线技术的网络化数据采集和处理系统，实现 了基坑开挖过程中的实时轴力自动监控，和测值报警功能 岳秀平，郑金淼【6 】基于l e i t c a 自动全站仪开发了盾构姿态自动监测系统 4 第一章绪论 采用跟踪式全自动全站仪，在计算机的遥控下完成盾构实时姿态跟踪测量，具 有快速，精确的特点 侯剑锋【7 】建立了信息化施工管理系统，实现了对地铁基坑的自动安全监测。 他指出自动监测系统在基坑工程中进行应用是可行而且必要的 从大坝及桥梁的自动监测系统可以发现，其技术与在隧道中采用的自动监 测系统比较类似，但由于其监测的项目和要求并不完全相同，因此可以起到借 鉴作用，并不完全适用。 1 2 2 隧道工程的信息化施工系统 在岩土工程领域，近年来一直都比较注重信息化施工。在岩土工程中，实 行信息化施工是十分必要的。刘建航院士曾经提出了在岩土工程领域进行施工 的十六字方针，即“理论导向，量测定量。经验判断，快速反馈”，其中强调了 现场监测以及信息快速反馈的重要性。 d e m e t r i o u sc k o u t s o f l a s 等【8 】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。 x u e y u a nh o u 9 指出，信息化施工是岩土工程的发展方向。 郑宜枫【1 0 】通过对基坑旃工数据可视化分析方法以及虚拟现实( q 技术的研 究，提出了基坑旌工过程可视化监控的理论和方法，并在润扬大桥工程中建立 了可视化分析的立体数据模型，实现了对施工过程中每一工况下的参数变化和 土体位移变化的可视化分析。同时提出了地下虚拟施工的概念。 赵显富【l i 】研制了变形监测成果数据库管理系统，实现了监须j 戒果动态管理 动态报表、动态绘图等功能。 在隧道工程领域，目前国内外出现了许多信息化旋工方法，国内许多学者 相继开发了相应的隧道施工信息化监控系统 孙钧【1 2 】通过对盾构施工方面遇到的问题的总结，进行了盾构工程施工网络 多媒体监控管理系统的研究，完成了盾构工程施工网络多媒体视频监控与计算 技术管理系统大型专用软件包，实现了图形数据对象的分布处理技术、人工神 经网络预测和模糊逻辑控制等人工智能软件科学方法的采用、盾构施工过程中 的三维动态可视化仿真模拟技术，以及工程数据、决策库的设计、研制与建立。 并在上海、南京的盾构推进过程中应用。 5 第一章绪论 廖少明、侯学渊【1 3 】通过对隧道施工过程中监测数据的信息化、施工参数的 信息化，提出了在盾构推进过程中，通过监测数据来控制盾构旋工参数，从而 达到盾构施工参数最优控制的目的的方法，并在上海地铁一、二号线中应用， 精度达到8 0 以上在其中将控制论的方法引入岩土工程，发展了工程信息化 的内涵，弥补了传统意义上岩土工程反分析法的缺陷 王浩，葛修润等【1 4 】研制了一套基于g i $ 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。 周希圣、孙钧【h l 。通过对盾构施工过程中的多媒体监控与三维仿真系统作 了介绍，指出了在盾构施工过程中对盾构施工参数进行实时监控具有重要意义。 并提出了专家仿真系统的研制方法 周文波，胡裂1 6 】根据上海地区软土隧道施工经验，研制了“盾构法隧道施 工智能化辅助决策系统”，该系统具有盾构施工数据整理、浏览、查询、输出等 功能，能模拟专家思路，对施工数据进行分析，预测地面沉降情况，并由此提 出相应的治理措施。但是该软件系统，没有对数据自动监测的展开研究，也未 实现自动预警报警功能。 同济大学刘国彬【h 研发的“隧道远程监控管理系统”是“地铁工程远程监 控管理系统”的一个重要组成部分。系统采用自动和人工的方式采集旌工信息。 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，通过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，具有了自动预警报警功能，目前已在上海地铁建设管理中广泛 使用。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 胡向东，张庆贺【1 9 】使用b d e ( b o d a n d d a t a b a s e e n g i n e ) 数据库引擎驱动， 实现了盾构推进中监测数据的图形可视化查询与输出，可以作为盾构信息化施 工管理的一个有力工具。 李元海、朱合华【i 9 1 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 i s 图形功能有机结合，实现了监测信息的可视化，其系统包括了数据 库管理系统、图形可视化系统以及分析预测系统组成。通过对监测数据的管理， 6 第一章绪论 提高了监测工作效率和信息反馈的速度。 周文波【2 0 】开发了“盾构隧道信息化施工智能管理系统”，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。 张志刚、佴磊 2 q 基v i s u a l b a c i c 6 o 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 同时将信息反馈予优化设计方案之中，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。 日本佐腾工业公司l 翻开发了计算机支援制定盾构施工计划的“盾构专家系 统”并已开始供实际施工使用。此系统是以集中专家的知识精髓的知识库与该 公司的旌工实绩( 总数达3 6 5 件) 的数据库位基础，应用人工智能，依据地基 条件提供用于选择最合适的盾构旋工方法与盾构机规格的极详细的判断资料。 1 2 3 报警值确定与安全状态评估 在隧道工程报警值确定的砑究方面，国内外学者也傲了不少的工作。 a l e x a n d e r 等】对结构构件的容许变形作了总结。 s k c m p t o n , m a cd o n a l d 2 4 1 、b j c a m 姐【2 习均对结构的容许变形进行了分析并给 出了限定值。 王文通【2 6 j 以深圳地铁区间隧道等工程施工监测情况为基础，论述了地铁工 程中量测设计内容、项目选择、理论原理及关键监测项目设计合理报警值的确 定。 自李妍 2 日分折归纳了隧道工程施工对地下管线和地面建筑物的影响，我出 了地表最大沉降值w 与地下管线和地面建筑物的变形及应变的关系，根据管线 和建筑物的安全要求来确定地表沉降报警值以地表最大允许沉降量乃：作为 控制目值，设计了一个用于制定隧道工程环境影响控制策略的动态优化模型。 宁佐利【2 8 】针对围岩变形控制标准不明确的现象，在搜集大量收敛位移量测 7 第一章绪论 数据的基础上，建立了收敛位移量测数据库，在收敛位移数据库的基础上，用 数理统计的方法研究隧道现场量测收敛位移量与围岩级别和时间的关系，建立 各级围岩稳定时间、稳定时刻位移量、最终收敛位移量等特征值安全判断准则 以及位移速率安全判断准则。通过计算稳定时间、稳定时刻位移量和最终位移 量等特征值，并判断围岩变形的安全性 在安全状态评估方面，国内外学者也做了一定的工作 杨蓓等1 2 9 针对化工行业特点，依据四个主要参数来进行安全度等级的划分， 四个产生分别是：s 一描述事故结果的成都；a - - 工作人员出现在危险区域的频 率：e 一故障得到保护的可能性；w 危险发生的可能性 公安部等颁布的信息安全等级保护管理办法( 试行) 中，为了加强信 息安全等级保护，规范信息安全等级保护管理，提高信息安全保障能力和水平， 采取信息安全等级保护。信息系统的安全保护等级根据信息和信息系统在国家 安全、经济建设、社会生活中的重要程度，信息和信息系统遭到破坏后对国家 安全、社会秩序、公共利益以及公民、法人和其他组织的合法权益的危害程度， 信息和信息系统应当达到的基本的安全保护水平等因素确定。信息系统的安全 保护等级分为五级：第一级为自主保护级，第二级为指导保护级，第三级为监 督保护级，第四级为强制保护级，第五级为专控保护级。 美国在“9 1 1 ”事件后制定并实施的国土安全全国性预警系统具有动态、直观 的特点，作为评价世界各大地区和各个国家安全程度的标尺可资借鉴美国国 土安全预警系统把危险等级分为五个等级，五种颜色危险程度的增加依次以绿 色、蓝色、黄色、橙色和红色为标识。 夏永旭p o 】针对我国目前的公路隧道既没有安全等级划分。也没有安全设施设 计标准，设计者只能根据经验和认识程度进行设计，运营安全隐患较多提出 了影响公路隧道安全等级的5 个因素和4 种关系。认为公路隧道安全等级的划 分必须同时考虑隧道长度和交通量，隧道长度是一个基础分界指标，交通量是 一个可变的动态指标。根据目前我国公路隧道建设的实际状况和技术水平，选 取隧道的特征长度分别为0 5 k m 、1 0 k i n 、3 0 k i n 、5 0 k i n 、1 0 o k r a ，隧道的断面 交通量按照高速公路的最低要求取为1 0 0 0 0 辆坩，将公路隧道安全等级从商到低 划分为i 、i i 、v 五个等级，并提出了进行公路隧道安全设施标准研究 的基本思路和方法。 由于工程环境的不同，隧道工程中的报警值以及安全状态评估与以上这些 8 第一章绪论 值并不会完全相同，但以上的报警值和安全等级划分方法可以作为借鉴。 从国内外大量文献的查询情况来看，几乎所有文献都肯定了信息化施工在 保证隧道工程安全施工的积极作用，都强调了施工监测对隧道工程建设有重要 意义然而很多的研究也表明，目前的信息化施工在隧道工程中的应用仍旧不 够完善：隧道工程施工缺少对自动监测的研究；对于盾构隧道工程的警戒值合 理确定和隧道安全状态的评估也都缺乏研究在隧道工程中，我们应当认识到： 1 ) 信息化施工在隧道工程中广泛的应用是发展的趋势。 2 ) 施工监测对保证隧道工程安全具有积极作用，在隧道施工过程中必须进 行施工监测、数据分析、安全状态评估。 3 ) 目前在盾构法隧道工程方面的自动监测研究有待加强，需要实现对大量 监测数据的自动采集和动态分析处理，提高效率。 4 ) 对隧道工程施工中报警值确定和安全状态评估的研究不够完善，这两个 方面的研究都急待加强。 1 3 本文研究思路 根据所查阅的参考文献，本文的研究思路为： 针对隧道工程施工的特点以上海长江隧道工程施工为背景，进行软土隧 道工程施工自动监测方案的研究，提供多种可行方案，并进行比较分析，为建 设单位提供参考。确定必要的监测项目，选择适合各监测项目的自动监测仪器。 为以后同类型软土隧道施工的自动监测提供参考作用。 通过自动监测系统可以获取施工时的各种旄工参数和隧道的变形，然后根 据工程的实时进展状况，对自动监测采集到的许许多多监测结果，进行施工全 过程的预测分析和动态反馈分析对隧道工程施工报警值的合理确定进行研究， 制定隧道工程施工预警报警标准通过结合隧道工程监测数据的动态分析和隧 道工程施工监测报警值，对隧道工程各阶段施工时的安全状态进行评估，对施 工安全等级进行分级，并在施工过程中提出相应的控制对策，以达到监控和指 导施工之目的，保证隧道施工安全顺利进行。 9 第一章绪论 1 4 本文研究内容 本文的研究以隧道工程的旄工监控及预警、报警系统以及风险管理系统 研究为背景，主要结合上海长江隧道工程，研究了软土隧道工程施工中的自 动监测系统，提供多种可行方案，并进行比较分析，为建设单位提供参考。确 定必要的监测项目，选择适合各监测项目的自动监测仪器，解决了监测数据的 长距离传输问题，实现了隧道工程监测项目的自动化监测 同时对自动监测数据进行动态分析研究，研究隧道工程施工监控报警值的 合理确定方法，从监测数据分析的角度进行报警值的研究。确定隧道工程施工 监控报警值，并对隧道安全状态进行评估，对隧道工程旌工过程中的安全状态 进行分级。针对不同的安全状态。分别给与相应的控制措施和建议，确保隧道 工程建设的安全进行。研究成果一上海长江隧道工程监控及预警、报警系统 目前正在上海长江隧道工程应用，效果良好。 1 0 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 岩土介质的不确定性，以及设计方法的不完善，造成了工程在设计时的不 精确，很难准确计算出工程中所产生的变形以及工程所造成的影响，因此在工 程旌工过程中必须通过监测仪器对工程进行监测，反映周围土体和结构变形情 况在软土地层的盾构法隧道工程中，由于盾构穿越地层的地质条件千变万化， 岩土介质的物理力学性质也异常复杂，而工程地质勘察总是局部的和有限的， 因此，与一般工程测试相比，隧道工程中的现场监测具有特殊重要的作用，正 如著名岩石力学专家缪勒以m u l l e r ) 指出。岩土工程，特别是在隧道工程中变形 量测的重要性尚未被很多人所认识。对岩土结构，特别是对隧道的形态进行的 量测已被证观，其重要性犹如对钢结构和混凝土结构所进行的静力计算一样”。 因此在隧道工程施工过程中，现场监测显得尤为重要在大型隧道工程中，为 了及时准确地获得大量工程信息，采用自动监测方法就体现出很大的优势。 2 1 工程概况 上海长江隧桥工程是沪崇苏高速公路的重要组成部分，又是我国沿海大通 道跨越长江口的越江通道之。工程起自浦东五好沟，接上海郊区环线，过长 江南港水域，经长兴岛再过长江北港水域，止于崇明岛陈家镇，暂接陈海公路， 全长2 5 5 公里。经过对桥梁和隧道多方比选，综合地质，水文、河势、通航等 建设条件，工程最终确定采用“南隧北桥”方案以隧道形式穿越南港水域，长 约8 9 5 公里，设计时速为每小时8 0 公里；以桥梁形式穿越北港水域，长约l o 2 9 公里，设计方案为技术成熟的斜拉桥桥型，设计时速为每小时1 0 0 公里上海 长江隧道位置如图2 - 1 所示。 上海长江隧道工程介绍如下：其濒临东海的长江口，本工程隧道采用盾构 法旄工，一次掘进完成，采用双圆平行盾构，盾构外径均为中1 5 2 m ；隧道外径 1 5 o m ，内径1 3 7 m 地质调查表明隧址的地质条件十分复杂，经过长期的河势 演变及人为因素的干扰，隧道需采用端头井间7 4 5 k m 一次盾构推进的技术，这 样大直径、长距离的推进是举世无双的，但带来的技术难度也同样是罕见的。 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 图2 - 1 上海长江隧道平面位置图 因此，对该隧道工程进行施工监测和预警报警是整个隧道工程安全施工的 必要保证手段同时，该工程的大直径，长距离等复杂特点，也对施工监测提 出了特别的要求，即所需监测数据量大、数据获取要及时并且要解决监测数据 远距离传输的问题等。 以上海长江隧道工程作为研究的背景，着重进行软土隧道工程施工的自动 监测方案研究，为上海长江隧道工程提供可参考的研究方案，并为以后类似的 软土隧道工程尤其是长大隧道工程施工起到借鉴参考作用。 1 2 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 2 2 隧道监测的意义与目的 在软土地层的盾构法隧道工程中，由于盾构穿越地层的地质条件千变万化， 岩土介质的物理力学性质也异常复杂，而工程地质勘察总是局部的和有限的， 因而对地质条件和岩土介质的物理力学性质的认识总存在诸多不确定性和不完 善性由于软土盾构隧道是在这样的前提条件下设计和施工的。所以设计和旅 工方案总存在着某些不足，需要在施工中进行监测和改进。为保证盾构隧道工 程安全经济顺利的进行，并在藏工过程中积极改进施工工艺和工艺参数，需对 盾构推进的全过程进行监控，并将监测结果及时反馈，以合理调整施工参数和 采取必要的技术措施，最大限度的减小地层移动，以确保工程安全并保护周围 环境 施工监测的主要目的【3 l l 是： ( 1 ) 认识各种因素对地表和土体变形等的影响，以便有针对性的改进施工 工艺和修改施工参数，减少地表和土体的变形。 ( 2 ) 预测下一步的地表和土体变形，根据变形发展趋势，决定是否需要采 取保护措施，并为确定经济合理的保护措施提供依据 ( 3 ) 检查施- r i j i 起的地面沉降和隧道沉降是否控制在允许的范围内。 ( 4 ) 建立预警机制，保证工程安全，避免结构和环境安全事故造成工程总 造价增加。 ( 5 ) 为研究岩土性质、地下水条件、施工方法与地表沉降和土体变形的关 系积累数据，为改进设计提供依据。 ( 6 ) 为研究地表沉降和土体变形的分析计算方法等积累资料 ( 7 ) 发生工程环境责任事故时候，为仲裁提供具有法律意义的数据。 2 3 隧道工程自动监测的优缺点 根据数据采集方式的差别，监测方法可以分为人工监测和自动监测。人工 监测方法是指数据通过人工采集、手工输入的方式获得，是相对于自动监测而 言的。而自动监损4 方法是计算机系统通过数据采集仪来控制传感器自动获取监 测数据，数据采集过程实现了自动化。 目前绝大部分工程中的施工信息都是通过人工实测和手工输入计算机的方 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 法进行收集的，其形式上比较落后，但是此方法比较灵活，采集信息的类型也 比较多，而且某些输入出错的判断可以在输入时即可以进行，在一定程度上保 证输入信息的正确性，另外由于人工采集的信息在数量上一般比自动采集少得 多，管理的查询均比较方便，且监测总费用相对较低，因此人工监测在一般的 工程中得到普遍应用。 但是其缺点也是显而易见的传统的监测方法技术由于过多的依赖人力， 导致工作效率低下，信息反馈速度慢，劳动强度大，难以及时反映监测对象的 变化，达到及时指导施工，保障施工安全的目的。 对于隧道工程，由于其施工安全的问题变得越来越重要，施工环境保护也 成为隧道工程成败的关键之一，对环境保护的要求也越来越高，如果只采取人 工监测的方法对工程建设中各种指标进行监测，不可避免的要动用大量的人力 和物力。而且测量结果的精度和测量的频率难以让工程管理人员放心，无法真 正做到万无一失。对于大规模隧道的建设，自动监测由其特殊的优势，无疑能 最最合适的方法。采用自动监测不但可以保证监测数据正确、及时，而且一旦 发现超出预警值范围的量测数据，系统立即报警，辅助工程技术人员做出正确 的决策，及时地采取相应的工程措施，整个反应时间不过几分钟，真正做到“未 雨绸缪，防患于未然” 在隧道工程中采用自动监测方法相对于传统人工监测方法来说具有很多的 优点： ( 1 ) 采集频率高。自动监测仪器其数据的采集频率目前已经可以达到分钟 级，即几分钟采集一次数据，甚至可以按照监测者要求，随时采集数据。这对 于一些极需特别关注的关键点的监测尤为重要。 ( 2 ) 消除了偶然误差人工监测的数据由于其采集频率低，在数据采集时， 往往具有不可避免的系统误差以及测量误差，造成数据可信性不高，影响决策 的制定而采用自动监测后，由于采集频率大大提高，因此其系统误差以及偶 然误差己经平均到每次测量中，误差量已经很小，可以忽略不计，精度大大提 高。 ( 3 ) 数据的实时性。采用自动数据采集后，其数据的采集传输均可以做到 自动完成，这样工程的数据就可以在第一时间内通过网络传送到管理者手中， 保证了数据的实时性。而人工数据采集除了数据采集需要时间外，数据处理、 传输也有一定的滞后，实时性比较差。 1 4 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 ( 4 ) 有利于运营后的隧道安全监测。隧道投入运营后很难再为人工监测提 供一定场地，否则就会影响交通。隧道工程竣工后，仍可以利用施工自动监测 系统对隧道进行运营安全监测。 然而由于其本身不同于人工监测方法的特点，数据自动监测方法也有一些 明显的缺点： ( 1 ) 仪器价格昂贵自动数据采集的仪器由于增加了自动的功能，大多依 赖进口，因此价格比传统的仪器要昂贵很多。 ( 2 ) 仪器所覆盖的范围有限人工数据采集时，由于其灵活性大，其量测 范围比较大，但是在进行自动数据采集时，在仪器数量一定的情况下，一次只 能监测某几个项目的某几个测点，无法涵盖所有测点，造成数据不全面。 ( 3 ) 数据量大，处理不方便。由于自动监测采集数据的连续性以及频率比 较高，因此其数据量也是很大的。但是随着数据库技术的发展，处理海量数据 在是技术上的也得到解决。 ( 4 ) 由于是全自动测量，在仪器受到干扰时，容易漏测数据。但是可以通 过加强管理，强调施工和运营中对监测仪器的保护，克服这个问题。 自动监测在长、大隧道施工监控中的优势是显而易见，而其缺陷也正在随 着计算机信息技术的不断发展，得以逐渐克服。自动监测在今后的隧道工程建 设中将会发挥更显著的作用。 2 4 建议采用的隧道监测方案 2 4 1 监测方案制定的原则 隧道监测的设计是整个工程设计中的一个重要组成部分，监测设计应从监 测目的、原则到监测资料的整理与应用等整个过程全面系统的考虑它从确定 目标开始，到进行操作和根据资料进行分析提出评价为止。其设计原则主要有 以下几点： ( 1 ) 隧道监测设计应在地质条件和工程性状预测的基础上进行，设计应以 施工期监测为重点，施工期监测又应以隧道变形和衬砌结构的工作状态监测为 重点。 ( 2 ) 观测项目和测点的布置应满足预测模型的要求，监测系统应能全面监 1 5 第二章隧道工程旆工自动监测方案的研究 控隧道工程的工作性状，对各种内外因素所引起的相互作用，都应统一考虑。 ( 3 ) 观测仪器布置要合理，注意时空关系，控制工程的关键部位。空间变 化过程中，应有选择的做到所监测的物理量沿一定方向或沿一定边界分布；时 问变化过程中，应傲到尽量早她开始观测读数，中间不问断 ( 4 ) 安全监测设计应和工程设计一样，纳入设计正常工作范围内，分阶段 进行设计，随工程开挖的推进，出现新问题时要及时补充或修改监测设计 ( 5 ) 隧道工程施工期监测和运行期监测应作为一个整体统一进行设计。 ( 6 ) 仪器监测点的布设都是典型的断面和有代表性的位置，应该采取仪器 监测为主，人工巡视调查与仪器监测相结合的方式，以弥补仪器覆盖面的不足。 ( 7 ) 测点布置的原则是在隧道结构危险部位测点应进行加密，如：隧道转 弯处、隧道最大埋深处、隧道曲率较大处。另外在盾构隧道推进的起始段由于 施工经验不足，所以测点应适当加密，根据监测结果来及时调整施工参数。 2 4 2 监测内容 盾构隧道监测的对象主要是土体介质、隧道结构和周围环境，监测部位包 括土体内、盾构隧道结构等。监测类型主要是地表和土体深层的沉降和水平位 移、盾构隧道结构内力、外力和变形等，具体见表2 1 。 表2 - 1 盾构隧道施工监测项目 序号 监测对象监测类型监测项目监测元件与仪器 ( 1 ) 隧道结构内部收敛巴塞特收敛系统 ( 2 ) 隧道洞富2 维樟蒋 全站仪 结构变形 ( 3 ) 管片接缝张开度测微计 ( 4 ) 隧道纵向变形全站仪 1 隧道结构 ( 5 ) 隧道管片内钢筋应力 钢筋应力传感器、频率仪、 结构内力 环向应变计 钢筋应力传感器、频率仪、 ( 6 ) 管片问螺栓锚固力 环向应变计 沉降( 7 ) 土体分层沉降 分层沉降仪、频率仪 2 地层 水平位移 ( 8 ) 土体深层水平位移 测斜仪 隧道工程施工监测可以采用现场人工监测以及自动监测两种方式，本节着 重研究自动监测方案。考虑到本工程的特点，我们分别研究三种自动监测方案， 以期给实际工程提供借鉴作用。 1 6 第二章隧道工程施工自动监测方案的研究 2 4 ，3 监测内容的具体实施( 方案a ) 监测仪器采用传感式自动监测仪器，通过数据采集仪负责读取传感器的数 据，数据采集仪负责与计算机通讯，实现数据采集。由于普通通讯电缆一次所 能传输的最远距离大约为3 千米，而本隧道施工采用端头井问7 4 5 k i n 一次推进 的方式，为解决远距离传输的问题，本方案建议采用设置中转站的方式来实现， 即每隔2 千米设置一个数据采集平台，在2 千米范围