隧道施工监控量测方案.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除第19章 监控量测与信息化施工19.1 施工工况动态分析施工工况动态分析，其主要目的，是在施工之前了解车站明挖深基坑与暗挖隧道施工过程中所可能产生地层变位和应力的影响，明确这种影响的大小量级和范围，明确危险可能发生的部位、方式及应采取的施工对策，同时为现场监控量测提供管理基准和依据。19.1.1 东单站明挖基坑围护结构内力及位移计算1、工程概况东单站所处地形基本平坦，现地表为沥青混凝土路面，自上而下分布有人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层。地下水主要为上层滞水、潜水和承压水。车站主体、风道底板结构位于潜水层范围内，潜水对底板结构施工有一定影响。车站两端采用明挖法施工，围护结构采用钻孔桩。2、计算模型及计算参数根据上述地质条件及施工情况，共分4步计算模拟施工开挖，计算模型如图19-1所示。基坑开挖范围内共有4层地层，各地层计算参数如表19-1所示。 图19-1 计算模型 各土层计算参数 表19-1 土层号厚度(m)重度(kN/m3)粘聚力(kPa)内摩擦角(度)锚固体与土摩阻力(kPa)13.019.022.012.040.0211.020.041.019.040.036.020.50.040.040.04620.031.022.040.03、基坑围护桩内力及变形计算结果分析（1）第一步施工第一步施工只开挖第一层土，计算得到了土压力、桩的弯矩、剪力和位移，结果如图19-2所示。图中蓝线(或蓝色数字)表示采用弹性法计算的结果，红线(或红色数字)表示采用经典法计算的结果。图19-2 第一步开挖后的计算结果（2）第二步施工第二步施工施做第一道横撑同时开挖下一层土，计算得到了土压力、桩的弯矩、剪力和位移结，果如图19-3所示。图中表示的意义与上同。图19-3 第二步施工后的计算结果（3）第三步施工第三步施工施做第二道横撑，同时开挖下一层土，计算得到了土压力、桩的弯矩、剪力和位移，结果如图19-4所示。图中表示的意义与上同。图19-4 第二步施工后的计算结果（4）第四步施工第四步施工施做第三道横撑，同时开挖下一层土，计算得到了土压力、桩的弯矩、剪力和位移结，果如图19-5所示。并绘出了剪力和弯矩的包络图图19-6所示。图中表示的意义与上同。图19-5 第二步施工后的计算结果图19-6 桩的内力包络图（5）第五步施工向上依次修筑各层楼板、拆支撑的施工步序进行，施工步序见图19-7。经分析计算，支护桩的最大内力和最大变型出现在基坑的回筑阶段，即修筑底板后，拆除底板以上、中楼板以下的临时支撑时。包络图深度（m） 深度（m） 深度（m）水平位移（mm） 弯矩（kN*m） 剪力（Km）Max：15 -477.7564.8 -384.9311.7采用同济大学的启明星软件进行计算，桩的最大内力和最大变型如图所示。图19-7第五步施工桩的内力包络图（6）计算要点围护桩体总的变形趋势为向基坑内移动，桩体最大水平变位发生在基坑的回筑阶段，即修筑底板后，拆除地板以上中板以下的临时支撑时。施工第三阶段围护桩结构的顶部，数值为9mm，小于其安全控制值（安全控制值0.2H ，H为基坑开挖深度），基坑围护结构体系满足施工要求。围护结构背后地表沉降的最大影响范围约为1520m（约1H左右），地表的最大沉降约为25mm，基本在控制值范围内，地表沉降曲线呈典型的正态分布，距基坑边04m范围，为沉降主要区段，这部分沉降占总沉降量的7080% ，距基坑边4m20m，为次沉降分布区段，这一区段沉降很小，地铁东单站邻近地下管线、地面建筑等构筑物基本分布在这一区段内甚至离基坑更远，因而基坑施工对这些构筑物的影响很小。基坑第三步施工阶段，桩体变形曲线呈近似梯形分布，桩底位移10mm，桩顶位移20mm，说明桩体在强度和刚度足够的情况下，由于入土深度原因，桩底稍有走动，底板应及时施做。随着基坑的开挖，桩后土体塑性区不断下移，最大塑性区出现在基坑深度1012m处，即基坑的下层支撑施作处。因此，及时施作下层支撑对控制围护结构变形有重要意义。19.1.2 基坑围护结构稳定性、底部抗隆起计算明挖支护型式为多支点桩结构，采用同济大学“启明星”软件进行内力变型及稳定计算、北京大学“SAP84”软件进行内力校核。即采用弹性支点杆系有限元法计算，被动土压力按弹性地基梁考虑，其水平抗力系数分别采用m法（启明星软件）、K法（SAP84软件）。1、整体稳定性验算（见图19-8）安全系数K=1.77,圆心O(6.2,0)整体稳定性验算计算结果为K=2.861.3，满足基坑底抗隆起要求。图19-8 整体稳定性验算计算结果为K=1.771.4，满足整体稳定性要求。墙体抗隆起验算2、底部抗隆起稳定性计算（见图19-9）图19-9 整体基坑稳定性计算19.1.3 东单站暗挖隧道施工动态分析1、沉降分析暗挖车站施工采用中洞-交叉中隔壁法暗挖施工技术。整个断面分为12个小断面，首先施做中洞，分六步采用CRD法施工，中洞初期支护施作完后，施做中洞衬砌，中洞衬砌为条形基础，钢管混凝土柱、天梁、拱形顶部结构，中洞衬砌完成后，开挖两边侧洞，两边侧洞各分三层，由上至下施作，最后分段拆除中洞临时支护，施作侧洞衬砌，期钢格栅喷混凝土支护组成临时支撑体系，并多次与车站永久梁柱结构进行受力体系转换，中间过程复杂，地层扰动频繁。暗挖车站施工模拟计算各主要施工步骤的地层变形及地层破坏接近度色谱图示于图19-10图19-30。计算中把施工过程简化成28步，开挖方式与设计建议的方式相同，即中洞法。此车站埋深较浅，所以开挖对地表的影响较大，从计算结果来看，只要严格按照规定的施工方法进行施工，可以保证地表沉降能控制在允许的范围内。2、分部施工动态计算每一洞室开挖与初支各算一步图19-10 计算模型图19-11 位移等值线图（4步）图19-12 位移分布图（4步）图19-13 位移等值线图（8步）图19-14 位移分布图（8步）图19-15 位移等值线图（12步）图19-16 位移分布图（12步）图19-17 位移等值线图（14步）图19-18 位移分布图（14步）图19-19 位移等值线图（16步）图19-20 位移分布图（16步）图19-21 位移等值线图（20步）图19-22 位移分布图（20步）图19-23 位移等直线图（24步）图19-24 位移分布图（24步）图19-25 位移等值线图（26步）图19-26 位移分布图（26步） 图10-27 竖向位移等值线图（28步）图19-28竖向位移分布图（28步）图19-29 变形状态图（28步）图19-30 地表累计沉降曲线 3、以上分析结果，有意义的几点归纳如下：（1）东单站暗挖段开挖施工，在周围地层中产生的最大地表沉降量约为28mm，基本在安全范围内。地层中最大沉降量可达40mm左右。沉降槽范围达结构宽度的1.31.5倍。在其范围内有影响的管线主要是地下厅上方两条东西向900污水管（埋深约1.5m），管线的变形取决于管线相对于地层的刚度和沉降槽与管线的相对方位，经验表明管线沉降为地层沉降的1/21倍，即地下厅开挖引起900污水管沉降约2035mm，这一沉降值在安全范围内，不会引起管线的破坏，同时在实际施工时，可加强对管线上方地表沉降的观测。（2）在导坑开挖第12步后即中洞初支的形成，地表沉降20mm，约占总沉降的71%,因此控制中洞初支的施工沉降是控制地层沉降的关键，同时从地层变位曲线图上可以看出，中导坑施工后虽然地层变位较大，但曲线较缓，对管线的保护是有利的。（3）导坑为单拱扁平形式，因而在导坑各步开挖过程中，导坑的四个脚应力较为集中，地层塑性范围相对较大。施工中应加强对该部位的支护。（4）导坑中洞开挖完时，由于群洞效应的影响，导坑下台阶侧壁地层有可能发生塑性破坏，引起地层坍塌，施工中可采取临时支挡解决。（5）导坑施做衬砌形成封闭结构后，地层变形和塑性范围得到有效控制，应加快施工进度，尽早施做暗挖车站的衬砌。19.1.4 崇文门站东单站区间隧道施工动态分析1、崇文门站东单站区间隧道施工大部地段采用台阶法施工，少部分采用CRD法施工，现以具有代表性的标准断面台阶法施工进行分析：（见图19-31图19-42）图19-31 计算模型图19-32 位移等值线图（第1步）图19-33 位移分布图（第1步）图19-34 位移等值线图（第3步）图19-35 位移分布图（第3步）图19-36 位移等值线图（第4步）图19-37 位移分布图（第4步）图19-38 位移等值线图（第6步）图19-39 位移分布图（第6步）图19-40 竖向位移等值线图（第7步）图19-41 竖向位移分布图（第7步）图19-42 地表累计沉降曲线2、以上分析结果，有意义的几点归纳如下：（1）崇文门东单站暗挖暗挖施工，大部分处于民房下，计算时考虑大管棚小导管超前支护因素，在周围地层中产生的最大地表沉降量约为14mm，基本在安全范围内。在其范围内有影响的主要是地面民房，这些民房对沉降极敏感，其警戒值为15mm，因此对过民房段区间需要采取加强措施，如施作大管棚、小导管超前注降、跟踪注浆等技术措施，并加强监控量测。（2）从沉降曲线中可以看出，开挖第一步、第三步、第四步（即初期支护形成）时沉降最大，导坑开挖第三步后，地表沉降10mm，约占总沉降的71%,因此施工时要把初期支护的形成及沉降控制放在施工的首要地位。导坑一、三步施工是控制地层沉降的关键，同时从地层变位曲线图上可以看出，导坑一、三步施工后虽然地层变位较大，但曲线较缓，对管线的保护是有利的。19.2 监测目的将监控量测作为一道工序纳入到施工组织设计中去。其主要目的为：1、了解明挖围护结构、暗挖隧道支护结构和周围地层的变形情况，为施工日常管理提供信息，保证施工安全。2、修改工程设计3、保证施工影响范围内建筑物、地下管线的正常使用，为合理确定保护措施提供依据。4、验证支护结构设计，为支护结构设计和施工方案的修订提供反馈信息。5、积累资料，以提高地下工程的设计和施工水平。19.3 监控量测设计19.3.1 原则1、安全性原则可靠2、多层次系统监测3、重点监测4、方便实用5、经济合理19.2.2 监测项目监控量测的项目主要根据工程的重要性及难易程度、监测目的、工程地质和水文地质、结构形式、施工方法、经济情况、工程周边环境等综合而定，力求在满足需要的前提下，少而精。本工程的监测项目除考虑上述因素外，主要根据设计的要求而定，具体监测项目见表19-2。19.3.3 监测测点布置 监 测 项 目 汇 总 表 表19-2序号监测项目监测仪器监测频率监测目的1地表沉降WILD-N3精密水准仪，铟钢尺初期：12次/天，后期：12次/3天掌握隧道及基坑开挖对地表及周边环境的影响程度和范围2建筑物沉降与倾斜3地下管线沉降4既有一线地铁轨道变形WILD-N3精密水准仪，铟钢尺，应变片，频率接收仪隧道开挖至上方时：1次/2小时开挖临近或通过后：1次/2天掌握隧道开挖对既有一线地铁轨道的影响程度5拱顶沉降苏光DSZ-1水准仪，钢挂尺初期：12次/天，后期：12次/3天了解隧道施工过程中支护结构变位情况及规律6结构收敛坑道收敛计7围岩压力压力盒，频率接收仪初期：1次/3天，后期：1次/7天了解隧道施工过程中围岩压力、接触应力及结构自身应力大小及分布情况8初支与二衬间压力9初支钢筋内力钢筋计，应变计、频率接收仪10二衬钢筋内力11混凝土应变12土体水平位移测斜管，SINCO测斜仪初期：1次/3天，后期：1次/7天掌握基坑施工时围护桩外两侧土体移动情况及规律。13地下水位电测水位计初期：1次/天稳定后：1次/2天掌握基坑及暗挖隧道需降水段地下水位情况14围护桩水平位移测斜管、SINCO测斜仪初期：1次/3天，后期：1次/7天掌握基坑施工时围护结构水平位移情况15围护桩顶垂直位移WILD-N3精密水准仪，铟钢尺初期：12次/天，后期：12次/3天掌握基坑施工时围护结构垂直位移情况16支撑轴力轴力计、频率接收仪1次/2天掌握钢支撑受力情况注：可根据施工条件和沉降情况增加或减少观测次数，随时将监测信息报告给施工技术人员。1、监测测点布置的原则（1）崇东区间崇东区间主要进行地表沉降、建筑物沉降、管线沉降、拱顶沉降、结构收敛、围岩压力、初支应力及地下水位等8类项目的监测。测点布设原则见测点布置图19-43、19-44。（2）东单站单站主要进行地表沉降、建筑物沉降、管线沉降、既有一线地铁轨道变形、拱顶沉降、结构收敛、围岩压力、初支应力、二衬压力及应力、混凝土应变、围护桩水平及垂直位移、钢支撑轴力、地下水位及土体测斜等16类项目的监测。测点布设原则见测点布置图19-45、19-46、19-47。2、重点监测部位从整个标段的情况看，施工对既有地铁一线的影响是整个监测工作的重点之一。为不影响一线地铁的正常运营，现场监测拟采用远程监测与水准测量相结合的方法。在一线地铁受施工影响的轨道上同时埋设应变片（测点图中未示）和水准测点（不影响列车正常通过）。当隧道开挖至轨道上方时，利用远程监测系统每2小时对轨道监测一次；每天深夜（列车停运时）采用水准测量对轨道进行监测，两者结合来监测轨道的变位情况。3、测点布置图测点布置见图19-43图19-47。 19.3.4 区间过民房监测措施区间隧道下穿大量民房，由于年代久远，部分为明清时期修建，房屋现状不良，对地层的变形极其敏感，为保证地铁区间隧道施工时地面房屋的安全，在洞内采取加强措施的同时，依据以下原则对其进行重点监测：1、针对过民房地段的监测，组建特别监测小组，专门负责。2、对隧道上方及影响范围内的建（构）筑物现状（房屋基础，结构形式，修建年代，既有缺陷）进行调查，并记录备案。3、对隧道上方及影响范围内的建（构）筑物敏感性分级，并按级别进行编号记录；4、根据建筑物的不同级别布置相应数量的测点及设定相应的监测频率；5、在进入到民房段施工之前，有计划有目的地积累施工监测资料，并进行分析，以获取该地区在隧道施工时的地层变化的规律，对后继施工超前预测，并据此采取相应措施。6、当施工到这些重点监测对象时，并加大监测频率，详细记录观测数据；7、及时反馈监测信息，并根据量测结果指导现场施工，确保施工采取的措施得当，保证建筑（构）物的稳定。19.3.5 监测网建立监控量测系统首先建立水平位移和垂直位移监测控制网。水平位移监测网利用地面平面控制点做主控点，与监测网点组成平面监控网，其形式依据结构布设成轴线形；其垂直位移监控网利用北京市局部高程控制网做为一级控制点，与地表沉降等观测点组成地表高程位移监控网，同时将主控点高程通过竖井引测至地下，并在竖井壁上埋设水准基点（并定期复测），与结构监测点组成地下高程控制网。主控点埋设坚固、稳定，监控点可埋设在原状土层中，并加设保护装置。19.3.6 监测方法及监测频率1、监测方法（1）沉降监测采用精密水准仪和铟钢尺按二级水准测量进行，包括地表沉降、地下管线、周边建筑物沉降、轨道沉降及基坑围护桩顶垂直位移。在基坑及暗挖隧道开挖前，应在地面变形影响范围之外，便于长期保护的稳定位置，埋设水准点，进行水准网布设，首次观测时，适当增加测回数，一般取35次的数据作为测点的初始读数。（2）拱顶下沉及净空收敛监测监测点在支护结构施工时埋设，在支护结构完成后最短时间内取得的读数为初始值，之后按前述监测频率要求进行日常监测。（3）初支与二衬钢筋应力监测将钢筋计串联焊接在被测主筋上，安装时应注意尽可能使钢筋计处于不受力状态，特别不应处于受弯状态，将钢筋计的导线逐段捆在临近钢筋上，引到外露的测试匣中，喷砼或二衬砼施作后，检查钢筋计的电阻值和绝缘情况，做好引出线和测试匣的保护措施。（4）围岩压力、接触压力监测先根据预测的压力变化幅度来确定压力盒量程。压力盒采用直接法埋设在初支与土体、初支与二衬间，采用初支喷砼或二衬灌注砼后12h的三次读数的平均值作为接触压力测试初始值。（5）围护桩体及土体水平位移监测采用测斜管监测，利用钻孔埋设在桩后土体和直接埋设在桩身砼中进行监测。安装和埋设时，检查测斜管内的一对导槽，其指向应与欲测位移一致。在未确认导槽畅通时，不得放入真实的测头。埋设结束后，量测导槽方位、管口高程，及时做好孔口保护装置，并做好记录。测试时，联接测头和测斜仪，检查密封装置，电池充电量，仪器是否工作正常。将测头放入测斜管，测试应从孔底开始，自下而上沿导管全长每一个测段固定位置测读一次，测段长度为1m，每个测段测试一次读数后，将测头提转180，插入同一对导槽重复测试，两次读数应接近，符号相反，取数字平均值，作为该次监测值。在基坑开挖前，以连续三次测试无明显差异读数的平均值作为初始值。（6）地下水位监测采用电测水位计测量水位距孔口的距离，用水准测量方法测出孔口标高，从而确定水位标高，进一步计算水位变化情况，施工前，对所有观测孔统一联测静水位，统一编号，量测基准点。从降水开始，观测时间分别采用30min、1h、4h、8h、12h以后24h观测12次，直到降水工程结束。开始施工后，正常监测地下水位变化情况。（7）支撑轴力监测采用轴力计进行监测。轴力计的量程需要满足设计轴力的要求。在需要埋设轴力计的钢支撑架设前，将轴力计焊接在支撑的非加力端的中心，在轴力计与钢围囹、钢支撑之间要垫设钢板，以免轴力过大使围囹变形，导致支撑失去作用。支撑加力后，即可进行监测。2、监测频率各监测项目监测频率见表19-2，实际操作过程中，依据现场需要进行调整。19.3.7 地表、建筑物、管线等的控制标准监控量测管理基准值是根据有关规范、规程、计算资料及类似工程经验制定的。当监测数据达到管理基准值的70%时，定为警戒值，应加强监测频率。当监测数据达到或超过管理基准值时，应立即停止施工，修正支护参数后方能继续施工。根据设计说明本工程监测管理基准值详见表19-3所示。 监控量测管理基准值 表19-3序号监测项目允许变形值1地表下沉（重要地段）30mm（15mm）2拱顶下沉50mm3管线允许沉降1030mm4建筑物允许倾斜率0.002H5洞内水平收敛0.005B6既有线水平位移增宽6mm,减2mm7既有线沉降两轨高差4mm依据规范、规程、设计文件等注：B为坑道跨度，H为建筑物高。 管线下沉监测根据管线材质、状况等具体确定。位移管理基准值在地下工程安全监控中有广泛应用，但需要补充说明的是对地下工程而言，位移指标本身的物理意义不够明确，主要是位移指标与洞径、埋深、支护、施工等影响因素关系未能很好解决，这方面的研究成果也不多见，因而位移控制指标的制定和应用必须同时考虑以上各种因素，并尽可能同时配合使用位移速率控制指标。与位移相比，位移速率控制指标有明确的物理意义，它反映了地层随时间变化的流变效应，在位移V=0 条件下，洞室围岩趋于稳定，反之，V=C（常数）或不断增大，则说明地层处于等速或加速流变状态，洞室是不稳定的，因此位移速率控制指标是洞室失稳的充分条件，在安全预报中，较位移指标有更直观和明确的控制意义。根据以往的经验，类围岩位移速率控制值为5mm/d，稳定临界值为0.10.2mm/d。19.4 监测工程数量 监测工程数量见表19-4。 监测工程数量表 表19-4序号项 目数 量 (个)1地表沉降测点（含轨道测点）6152地面建筑物及倾斜测点1203地下管线沉降测点804暗挖隧道拱顶下沉测点2165暗挖隧道结构收敛测点3366围岩压力测点367初支与二衬间压力测点168初支钢筋内力测点169二衬钢筋内力测点7210土体水平位移测点411围护桩水平位移测点2012围护桩垂直位移测点2013地下水位测点3414钢支撑轴力测点2715混凝土应变计419.5 监控量测反馈程序本标段监控量测资料均用计算机配专业技术软件进行自动化初步分析、处理。根据实测数据分析、绘制各种表格及曲线图，当曲线趋于平衡时推算出最终值，并提示结构物的安全性。监测人员按时向施工监理、设计单位提交监控量测周报和月报，同时对当月的施工情况进行评价并提出施工建议，及时反馈指导信息，调整施工参数，保证安全施工。19.5.1 监测资料的反馈程序监测资料的反馈程序见图19-48。19.5.2 监测信息的反馈程序监测信息反馈流程见图19-49。19.6 监控量测数据的分析、预测取得各种监测资料后，需及时进行处理，排除仪器、读数等操作过程中的失误，剔除和识别各种粗大、偶然和系统误差，避免漏测和错测，保证监测数据的可靠性和完整性，采用计算机进行监控量测资料的整理和初步定性分析工作。监 测 结 果位移是否超级管理位移是否超级管理位移是否超级管理继续施工综合判断暂停施工采 取 特 殊 措 施是不安全否否否是是安全图19-48 监测资料反馈管理程序图施工采取技术措施施工监测预测变形量反馈分析与基准值比较调整施工参数是否安全是否图19-49 监测信息管理流程图1、数据整理把原始数据通过一定的方法，如按大小的排序用频率分布的形式把一组数据分布情况显示出来，进行数据的数字特征值计算，离群数据的取舍。2、插值法在实测数据的基础上，采用函数近似的方法，求得符合测量规律而又未实测到的数据。3、采用统计分析方法对监测结果进行回归分析寻找一种能够较好反映监测数据变化规律和趋势的函数关系式，对下一阶段的监测物理量进行预测，防患于未然。如预测最终位移值，预测结构物的安全性，并据此确定工程技术措施等。因此，对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移变化速率(mm)/d等综合判断结构和建筑物的安全状况，并编写周、月汇总报表，及时反馈指导施工，调整施工参数，达到安全、快速、高效施工之目的。根据我单位修建城市地铁时施工监测的成功经验，我们拟采用铁路隧道喷锚构筑法技术规则(TBJ108-92)的级监测管理并配合位移速率作为监测管理基准，即将允许值的三分之二作为警告值，允许值的三分之一作为基准值，将警告值和允许值之间称为警告范围，实测值落在此范围，应提出警告，说明需商讨和采取施工对策，预防最终位移值超限，警告值和基准值之间称为注意范围，实测值落在基准值以下，说明隧道和围岩是稳定的。当施工中出现下列情况之一时，应立即停止施工，采取措施处理。（1）初支结构有较大开裂。（2）监测数据有不断增大的趋势。（3）暗挖隧道支护结构变形过大，超过控制基准或出现明显的受力裂缝并不断发展。（4）时态曲线长时间没有变缓的趋势等。19.7 监测管理体系和保证措施19.7.1 监测管理体系针对本工程监测项目的特点建立专业组织机构，由我单位派驻现场4-5人组成监控量测及信息反馈小组，成员由多年从事地下工程施工及监测经验的技术人员组成，组长由具有丰富施工经验，较高结构分析和计算能力的工程师担任。监测小组根据监测项目分为地面和地