地铁监测要点和案例分析

福州地铁08合同段项目部2012年4月19日 地铁基坑监测要点及案例分析 目录 1国内轨道交通工程现状2轨道交通工程建设面临的问题难点3监测依据4地铁基坑监测方法5案例分析 1 国内轨道交通工程现状 1 国内地铁基坑工程现状 20世纪80年代以来 我国城市地铁建设发展迅速 已建成地铁的城市有北京 天津 上海 广州 南京等 同时 福州 青岛 长沙重庆 武汉 长春 沈阳 大连 杭州 成都 西安等城市都在积极申报或者已经开始建设地铁 北京地铁 北京地铁1969 10 1开通 目前14条线 线路总长339 5km 车站191座 上海轨道交通发展与规划 2020年 20条线路877公里 上海地铁 广州地铁 到2010年 上海拥有11条轨道交通线 共计284座运营车站 累计运营线路长度达到432公里 2 轨道交通工程建设面临的问题和难点 2 轨道交通工程建设面临的问题和难点 由于地铁车站一般位于城市的繁华路段 车站附近建筑物密集 地铁车站深基坑平面尺寸和开挖深度 一般为17米左右 的增大带来一系列复杂的问题 如 基坑围护结构的变形和稳定 施工中对相邻环境 地下管线 地面交通所带来的影响等问题 而这些问题甚至有可能引发安全事故 型式和施工工艺多样 地质条件复杂 环境变形控制严 6大问题和难点 险情事故时有发生 工程本身难度增大 2 轨道交通工程建设面临的问题和难点 特点1 范围广规模大 杭州地铁一号线 31座车站里程52 4km 地铁车站基坑规模通常宏大 特点1 范围广规模大 特点2 结构型式和施工工艺多样 高架 地下车站 隧道 联络通道等结构型式地连墙 钻孔桩 SMW工法等围护方式及明挖法 盾构法 矿山法等施工工艺 特点3 地质条件复杂 线路沿线可能涉及不同的地貌类型 不同的工程地质与水文地质单元 包括穿越河流等 地质条件的差异性也增加了施工的难度 特点4 周边环境控制要求严格 地铁车站周边环境异常复杂 特点4 周边环境控制要求严格 盾构出洞后仅12m距离与地铁一号线隧道呈85 斜交 一号线隧道底部与二号线隧道顶部间距仅为1m 地铁一号线沉降控制在3mm内 才能确保地铁正常运营 二号线穿越一号线 施工场地狭小 工程开挖深度不断刷新记录 特点5 工程本身难度增加 特点6 险情事故时有发生 2008年11月15日下午 杭州风情大道地铁施工工地发生大面积地面塌陷事故 致21人死亡的惨剧 专家痛惜地指出 这是中国地铁修建史上最大的事故 1 委托单位提供的设计图纸等 2 中华人民共和国国家标准 建筑基坑工程监测技术规范 GB50497 2009 3 建筑基坑工程技术规范 YB9258 97 4 建筑基坑围护技术规程 JGJ120 99 5 工程测量规范 GB50026 2007 6 国家一 二等水准测量规范 GB T12897 2006 3 监测依据及其它 车站深基坑工程面临的问题 由于地铁车站一般位于城市的繁华路段 车站附近建筑物密集 地铁车站深基坑平面尺寸和开挖深度 一般为17米左右 的增大带来一系列复杂的问题 如 基坑围护结构的变形和稳定 施工中对相邻环境 地下管线 地面交通所带来的影响等问题得到地铁建设及设计单位的广泛关注 而这些问题甚至有可能引发安全事故 监测目的 监测意义 1 对基坑施工期间基坑 及支护体 变形和其影响范围内的环境变形 被保护对象的变形以及其它与施工有关的项目或量值进行测量 以及时和全面地反映它们的变化情况 是本工程实现信息化施工的主要手段 是判断基坑安全和环境安全的重要依据 2 为修正设计和施工参数 预估发展趋势 确保工程质量及周边建 构 筑物 管线的安全运营提供实测数据 是设计和施工的重要补充手段 3 为优化施工方案提供依据 4 为理论验证提供对比数据 5 积累区域性设计 施工及监测的经验 4 地铁基坑监测方法 监测一般规定 1监测方法的选择应根据基坑等级 精度要求 设计要求 场地条件 地区经验和方法适用性等因素综合确定 监测方法应合理易行 2变形测量点分为基准点 工作基点和变形监测点 其布设应符合下列要求 每个基坑工程至少应有3个稳固可靠的点作为基准点 工作基点应选在稳定的位置 在通视条件良好或观测项目较少的情况下 可不设工作基点 在基准点上直接测定变形监测点 施工期间 应采用有效措施 确保基准点和工作基点的正常使用 监测期间 应定期检查工作基点的稳定性 3监测仪器 设备和监测元件应符合下列要求 满足观测精度和量程的要求 具有良好的稳定性和可靠性 经过校准或标定 且校核记录和标定资料齐全 并在规定的校准有效期内 4对同一监测项目 监测时宜符合下列要求 采用相同的观测路线和观测方法 使用同一监测仪器和设备 固定观测人员 在基本相同的环境和条件下工作 5监测过程中应加强对监测仪器设备的维护保养 定期检测以及监测元件的检查 应加强对监测仪标的保护 防止损坏 6监测项目初始值应为事前至少连续观测3次的稳定值的平均值 周边环境监测 地下综合管线垂直位移监测 周边建 构 筑物垂直位移监测 4 1 1监测项目 2基坑围护结构本体监测 围护体 内部 水平位移监测 测斜 围护墙体顶部水平位移监测 围护墙体顶部垂直位移监测 支撑轴力监测 立柱垂直位移监测 坑底隆起监测 地下水位监测 基坑周围地表沉降监测 1 而针对每一个监测对象又有各自的监测项目 包括垂直位移 水平位移 深层侧向位移 支撑内力 土压力 孔隙水 裂缝 倾斜等 上海基坑监测规范列了24项 全国规范18项 这些监测项目主要反映的是监测对象的两个指标 受力和变形 对于同一个监测对象 这两个指标有着内在的必然联系 相辅相成 配套监测 可以帮助判断数据的真伪 做到去伪存真 2 依据围护顶面 围护侧向变形 支撑轴力 立柱桩沉降等变形数据 验证由围护墙和水平支撑共同构成的支护体系的稳定性 4 1 2监测要点 注意 基坑支护结构除需满足自身的强度要求和变形要求外 还必须满足受基坑工程影响的周边环境的变形要求 特别是在软土地区中 后者的重要性往往不亚于前者 4 2垂直位移监测1 监测项目 地下综合管线垂直位移监测 周边建 构 筑物垂直位移监测 围护墙体顶部垂直位移监测 立柱垂直位移监测 坑底隆起监测 基坑周围地表沉降监测 2 仪器 徕卡NA2型水准仪及GPM3平板测微器 因瓦合金标尺 精度 0 5mm km 3 原理方法 水准路线的分类 附合水准路线 从一个已知高程的水准点 BM1 起 沿一条路线进行水准测量 以测定另外一些水准点或垂直位移监测点的高程 最后连测到另一个已知高程的水准点 BM2 称为附合水准路线 如下图所示 支水准路线 从一个已知高程的水准点起 沿一条路线进行水准测量 以测定另外一些水准点或垂直位移监测点的高程 最后不连测到任何已知高程的水准点称为支水准路线 为了对测量成果进行检核 并提高成果的精度 单一水准支线必须进行往返测量 闭合准路线 从一个已知高程的水准点 BM1 起 沿一条环形路线进行水准测量 测定沿线一些水准点或垂直位移监测点的高程 最后又回到水准点 BM1 称为闭合水准路线 如右图所示 水准路线的拟定 日常监测中 应采用附合水准路线或闭合水准路线 没有任何规范中规定变形观测采用支水准路线观测 水准仪i角检查 监测范围 从基坑边缘以外1 3倍开挖深度范围内需要保护的建 构 筑物 地下管线等均应作为监控对象 必要时 尚应扩大监控范围 位于重要保护对象 如地铁 上游引水 合流污水等 安全保护区范围内的监测点的布置 尚应满足相关部门的技术要求 地下管线直接监测点 抱箍法 4 2 1管线监测 地下管线监测点的布置应符合下列要求 1应根据管线年份 类型 材料 尺寸及现状等情况 确定监测点设置 2监测点宜布置在管线的节点 转角点和变形曲率较大的部位 监测点平面间距宜为15 25m 并宜延伸至基坑以外20m 3上水 煤气 暖气等压力管线宜设置直接监测点 直接监测点应设置在管线上 也可以利用阀门开关 抽气孔以及检查井等管线设备作为监测点 4在无法埋设直接监测点的部位 可利用埋设套管法设置监测点 也可采用模拟式测点将监测点设置在靠近管线埋深部位的土体中 地下管线直接监测点 抱箍法 4 2 2周边建筑物监测 建 构 筑物的竖向位移监测点布置应符合下列要求 1建 构 筑物四角 沿外墙每10 15m处或每隔2 3根柱基上 且每边不少于3个监测点 2不同地基或基础的分界处 3建 构 筑物不同结构的分界处 4变形缝 抗震缝或严重开裂处的两侧 5新 旧建筑物或高 低建筑物交接处的两侧 6烟囱 水塔和大型储仓罐等高耸构筑物基础轴线的对称部位 每一构筑物不得少于4点 4 2 3围护墙顶垂直位移监测 水平位移观测点宜同时作为垂直位移的观测点 围护墙顶部的竖向位移监测点应沿围护墙的周边布置 围护墙周边中部 阳角处应布置监测点 监测点间距不宜大于20m 每边监测点数目不应少于3个 监测点宜设置在冠梁上 4 2 4地表垂直位移监测 基坑地表沉降监测点的布置应符合下列要求 基坑周边地表竖向沉降监测点的布置范围宜为基坑深度的1 3倍 监测剖面宜设在坑边中部或其他有代表性的部位 并与坑边垂直 监测剖面数量视具体情况确定 每个监测剖面上的监测点数量不宜少于5个 4 2 5立柱垂直位移监测 立柱的竖向位移监测点宜布置在基坑中部 多根支撑交汇处 施工栈桥下 地质条件复杂处的立柱上 监测点不宜少于立柱总根数的10 逆作法施工的基坑不宜少于20 且不应少于5根 4 2 6坑底隆起监测 根据该基坑周边环境和地质情况分析如下 1 基坑开挖后 原土壤平衡的应力场受到破坏 卸荷后基底要回弹 在开挖深度不大时 坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起 随着开挖深度增加 基坑内外的土面高差不断增大 基坑地下连续墙侧向力增大 地下连续墙底部产生 踢脚 现象 从而使基坑底部隆起 2 基坑西侧是城市主干道 地面车流量大 超载的作用 增加了地下连续墙外侧土体产生向基坑内的移动 使基坑坑底产生向上的塑性隆起 同时在基坑周围产生较大的塑性区 并引起地面沉降 3 基底土受回弹后土体的松弛与蠕变的影响加大了隆起 4 地下连续墙在侧水压力作用下 墙角与内外土体发生塑性变形而上涌 5 基坑降水井在土方开挖过程中被破坏 基坑内有部分积水 粘性土吸水使土的体积增大而隆起 基坑底部隆起监测点应符合下列要求 1监测点宜按纵向或横向剖面布置 剖面应选择在基坑的中央 距坑底边约1 4坑底宽度处以及其他能反映变形特征的位置 数量不应少于2个 纵向或横向有多个监测剖面时 其间距宜为20 50m 2同一剖面上监测点横向间距宜为10 20m 数量不宜少于3个 4 3围护墙体测斜 测斜管埋设要求 深层水平位移监测孔宜布置在基坑边坡 围护墙周边的中心处及代表性的部位 数量和间距视具体情况而定 但每边至少应设1个监测孔 当用测斜仪观测深层水平位移时 设置在围护墙内的测斜管深度不宜小于围护墙的入土深度 设置在土体内的测斜管应保证有足够的入土深度 保证管端嵌入到稳定的土体中 围护体 内部 水平位移监测 测斜 1 基本原理通过摆锤受重力作用来测量探头轴线与铅垂线之间倾角 然后通过三角关系计算垂直位置各点的水平位移 当土体产生位移时 埋入土体的测斜管随土体同步位移 测斜管的位移量即为土体的位移量 围护体 内部 水平位移监测 测斜 2 分类及特点分类 按测头传感器不同 滑动电阻式 电阻应变片式 钢弦式及伺服加速度计式四种 较多采用的是电阻应变片式和伺服加速度计式测斜仪 特点 电阻应变片式测斜仪 优点是产品价格便宜 缺点是量程有限 耐用时间不长 伺服加速度计式测斜仪 优点是精度高 量程大和可靠性好 缺点是伺服加速度计抗震性能较差 当测头受到冲击或受到横向振动时 传感器容易损坏 围护体 内部 水平位移监测 测斜 3 测斜仪的组成1 探头 装有重力式测斜传感器 2 测读仪 测读仪是二次仪表 需和测头配套使用 3 电缆 连接探头和测读仪的电缆起向探头供给电源和给测读仪传递监测信号的作用 同时也起到收放探头和测量探头所在测点与孔口距离 4 测斜管 测斜管一般由塑料管或铝合金管制成 常用直径为50 75mm 长度每节2 4m 测斜管内有两对相互垂直的纵向导槽 测量时 测头导轮在导槽内可上下自由滑动 围护体 内部 水平位移监测 测斜 测斜管测斜仪 围护体 内部 水平位移监测 测斜 4测试方法测斜管应在工程开挖前15 30d埋设完毕 在开挖前的3 5天内复测2 3次 取其平均值作为初始值 开始正式测试工作 每次测试时 将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口 缓缓放至管底 待探头与管内温度基本一致 显示仪读数稳定后开始监测 一般以管口作为确定测点位置的基准点 每次测试时管口基准点必须是同一位置 按探头电缆上的刻度分划 均速提升 每隔500mm读数一次 并做记录 待探头提升至管口处 旋转180 后 再按上述方法量测 以消除测斜仪自身的误差 围护体 内部 水平位移监测 测斜 5测试数据处理通常使用的活动式测斜仪采用带导轮的测斜探头 探头两对导轮间距500mm 以两对导轮之间的间距为一个测段 每一测段上 下导轮间相对水平偏差量可通过下式计算得到 式中 上 下导轮间距 探头敏感轴与重力轴夹角 围护体 内部 水平位移监测 测斜 测段n相对于起始点的水平偏差量 由从起始点起连续测试得到的累计而成 即式中 起始测段的水平偏差量 mm 测点n相对于起始点的水平偏差量 mm 围护体 内部 水平位移监测 测斜 测斜管本次水平位移曲线 测斜管累计水平位移曲线 以底部为起算点 以顶部为起算点 围护墙顶部的水平位移监测点应沿围护墙的周边布置 围护墙周边中部 阳角处应布置监测点 监测点间距不宜大于20m 每边监测点数目不应少于3个 监测点宜设置在冠梁上 当需要测定变形体某一特定方向 譬如垂直于基坑维护体方向 的位移时 常使用视准线法或测小角法 4 4围护墙顶水平位移监测 1视准线法 原理 如下图所示 点A B是视准线的两个基准点 端点 1 2 3为水平位移观测点 观测时将经纬仪置于A点 将仪器照准B点 将水平制动装置制动 竖直转动经纬仪 分别转至1 2 3三个点附近 用钢尺等工具测得水准观测点至A B这条视准线的距离 根据前后两次的测量距离 得出这段时间内水平位移量 精度分析 由基准线的设置过程可知 观测误差主要包括仪器测站点仪器对中误差 视准线照准误差 读数照准误差 其中 影响最大的无疑是读数照准误差 可知 当即准线太长时 目标模糊 读数照准精度太差 且后视点与测点距离相差太远 望远镜调焦误差较大 无疑对观测成果有较大影响 另外此方法还受到大气折光等因素的影响 优点 视准线观测方法因其原理简单 方法实用 实施简便 投资较少的特点 在水平位移观测中得到了广泛应用 并且派生出了多种多样的观测方法 如分段视准线 终点设站视准线等 不足 对较长的视准线而言 由于视线长 使照准误差增大 甚至可能造成照准困难 当即准线太长时 目标模糊 照准精度太差且后视点与测点距离相差太远 望远镜调焦误差较大 无疑对观测成果有较大影响 精度低 不易实现自动观测 受外界条件影响较大 而且变形值 位移标点的位移量 不能超出该系统的最大偏距值 否则无法进行观测 2 小角度法 原理 如下图所示 如需观测某方向上的水平位移PP 在监测区域一定距离以外选定工作基点A 水平位移监测点的布设应尽量与工作基点在一条直线上 沿监测点与基准点连线方向在一定远处 100 200m 选定一个控制点B 作为零方向 在B点安置觇牌 用测回法观测水平角BAP 测定一段时间内观测点与基准点连线与零方向间角度变化值 根据 D 式中D为观测点P至工作基点A的距离 206265 计算水平位移 精度分析 由小角法的观测原理可知 距离D和水平角 是两个相互独立的观测值 所以由上式根据误差传播定律可得水平位移的观测误差 水平位移观测中误差的公式 表明 距离观测误差对水平位移观测误差影响甚微 一般情况下此部分误差可以忽略不计 采用钢尺等一般方法量取即可满足要求 影响水平位移观测精度的主要因素是水平角观测精度 应尽量使用高精度仪器或适当增加测回数来提高观测度 经纬仪的选用应根据建筑物的观测精度等级确定 在满足观测精度要求的前提下 可以使用精度较低的仪器 以降低观测成本 优点 此方法简单易行 便于实地操作 精度较高 不足 须场地较为开阔 基准点应该离开监测区域一定的距离之外 设在不受施工影响的地方 砼支撑原理 监测混凝土支撑内部 主 钢筋的应力 根据钢筋混凝土正常受力时内部钢筋和混凝土协同变形的原理 再通过钢筋和混凝土两种材料的弹性模量 计算整个支撑 全断面 应力的变化 钢支撑原理 采用支撑轴力计来测试钢支撑轴力的变化 不含温度修正 以每天测试时间固定进行监测 轴力计安装在钢支撑端头 由专用的支持器保证加装了轴力计的钢支撑正常工作 起到应有的支撑作用 4 5支撑轴力监测 支撑内力监测点的布置应符合下列要求 1监测点宜设置在支撑内力较大或在整个支撑系统中起关键作用的杆件上 2每道支撑的内力监测点不应少于3个 各道支撑的监测点位置宜在竖向保持一致 3钢支撑的监测截面根据测试仪器宜布置在支撑长度的1 3部位或支撑的端头 钢筋混凝土支撑的监测截面宜布置在支撑长度的1 3部位 4每个监测点截面内传感器的设置数量及布置应满足不同传感器测试要求 1 砼支撑仪器设备采用JXG 1型钢弦式钢筋应力传感器 SS II型频率计数器 钢弦式钢筋应力传感器 SS II型频率计数器 2钢支撑轴力 采用钢弦式轴力计 如图 钢弦式轴力计 1 仪器设备 2 测点布置 在葫芦阵站基坑的两道钢支撑上布置监测点 测点布置如图 3 传感器安装 在钢支撑的一端安装钢弦式轴力计监测支撑轴力 在监测断面处每道支撑各安装一个 轴力计安装在钢支撑管与围护墙间 轴力计安装见下图 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 在轴力计与钢围檩 钢支撑之间要垫设钢板 以免轴力过大使围檩变形 导致支撑失去作用 4 测试方法 支撑加力后 即可进行监测 监测频率为 从设置钢支撑到拆除 每天观测一次 围护体系内力监测 四 计算1 支撑轴力计算式中 第j个钢筋计监测频率 Hz 第j个钢筋计安装后的初始频率 Hz 第j个钢筋计截面积 mm2 混凝土弹性模量 kN mm2 钢筋弹性模量 kN mm2 混凝土截面积 mm2 AC Ab ASAb 支撑截面积 mm2 钢筋总截面积 mm2 围护体系内力监测 四 计算支撑轴力计算钢支撑轴力计算 轴力计 钢筋计平均力 F混凝土支撑支撑轴力Ec混凝土弹性模量Ac混凝土截面积Es钢筋弹性模量As支撑梁钢筋主筋截面积和N钢筋计所测内力平均值 4 6水位监测 一 基本内容基坑工程地下水位监测包含坑内 坑外水位监测 基坑工程地下水位监测又有浅层潜水和深层承压水位之分 通过坑内水位观测可以检验降水方案的实际效果 如 降水速率和降水深度 坑内应采用大井 通过坑外水位观测可以了解坑内降水对周围地下水位的影响范围和影响程度 防止基坑工程施工中坑外水土流失 坑外水位监测为基坑监测必测项目 基坑外地下水位监测点的布置应符合下列要求 1水位监测点应沿基坑周边 被保护对象 如建筑物 地下管线等 周边或在两者之间布置 监测点间距宜为20 50m 相邻建 构 筑物 重要的地下管线或管线密集处应布置水位监测点 如有止水帷幕 宜布置在止水帷幕的外侧约2m处 2水位监测管的埋置深度 管底标高 应在控制地下水位之下3 5m 对于需要降低承压水水位的基坑工程 水位监测管埋置深度应满足设计要求 3回灌井点观测井应设置在回灌井点与被保护对象之间 二 仪器 设备简介水位测量系统由三部分组成 第一部分为地下埋入材料部分 水位管 第二部分为地表测试仪器 钢尺水位计 由探头 钢尺电缆 接收系统 绕线架等部分组成 第三部分为管口水准测量 由水准仪 标尺 脚架 尺垫等组成 三 水位管构造与埋设水位管选用直径50mm左右的钢管或硬质塑料管 管底加盖密封 防止泥砂进入管中 下部留出0 5 1m的沉淀段 不打孔 用来沉积滤水段带入的少量泥砂 中部管壁周围钻出6 8列直径为6mm左右的滤水孔 纵向孔距50 100mm 相邻两列的孔交错排列 呈梅花状布置 管壁外部包扎过滤层 过滤层可选用土工织物或网纱 上部管口段不打孔 以保证封孔质量 四 监测技术1 测试方法先用水位计测出水位管内水面距管口的距离 然后用水准测量的方法测出水位管管口绝对高程 最后通过计算得到水位管内水面的绝对高程 2 测试数据处理水位管内水面应以绝对高程表示 计算式如下 式中 水位管内水面绝对高程 m 水位管管口绝对高程 m 水位管内水面距管口的距离 m 本次水位变化 累计水位变化 式中 第i次水位绝对高程 m 第i 1次水位绝对高程 m 水位初始绝对高程 m 累计水位差 m 报警值 5 案例分析 5 1事故案例5 2典型案例 以上海为例 仅1992 1994年 由于设计 施工不当 就发生了30余项 造成巨大的经济损失和不良后果 主要破坏模式 昌都大厦开挖到基底深度13米 第三道支撑未及支护 围护桩断裂发生坍落 一 齐鲁大厦搅拌桩坝体的倾覆破坏 二a 良友大厦由于邻近供销大厦打工程桩使围护结构产生超大水平位移 导致工程桩的大位移及断裂 二b 服饰中心由于支撑失稳 围护结构产生 踢脚 破坏 二c 1997年上海市标准 基坑工程设计规程 实施 对基坑工程的设计和施工 提出了更严格的要求 基坑事故的发生明显减少 5 1事故案例 倾覆破坏 水泥土墙 5 1事故案例 超大水平位移 邻近基坑影响 5 1事故案例 踢脚 破坏 排桩 5 1事故案例 围护桩结构破坏 排桩 1994年9月初上海广东路基坑坍塌 5 1事故案例 基坑塌陷直接导致40m长范围内的基坑支撑破坏 邻近路南面下陷面积达500m2 下陷深处达6 7m 电力电缆 煤气管道 上水管道等严重损坏 造成大面积停水 停电 停气 交通中断 该基坑工程事故造成了重大的经济损失和不良的社会影响 5 1事故案例 事故原因分析 1 基坑局部严重超挖 第三道支撑没有及时跟上 导致支护结构受力失衡 2 8月底几天内 基坑周围地面沉降量达到15mm 有明显沉降加剧现象 3 8月底 基坑内钢支撑发出异常响声 但这些越来越严重的征兆并没有引起有关部门的高度重视 没有及早进行有效的处理 混凝土支撑断裂 5 1事故