地下工程监测与信息反馈技术培训课件.ppt

地下工程监测与信息反馈技术,中铁隧道集团有限公司刘招伟,一.地下工程主要特点与施工方法二.施工监测的意义与的目三.主要监测项目四.控制基准的确定五.施工监测组织与实施六.主要监测项目实施方法七.信息反馈技术八.控制过大变形的工程技术措施九.现代化自动监测内容十.监测工程实例,主要内容,一、地下工程主要特点与施工方法,1.(城市）地下工程的主要特点地质条件差（多为软弱围岩、软弱不均、地下水）周边环境复杂（建筑物、地下管线等）结构埋深浅、与临近结构相互影响荷载的不确定性围岩和结构的稳定性难于判断,2.地下工程的主要施工方法随着施工技术的不断进步和发展，地下工程开的施工方法越来越丰富，根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备等情况，城市地下工程施工方法一般可分为三大类，即：明挖、暗挖及沉管法。,二、施工监测的意义与目的,1.监测的意义在岩土中修建地下工程，由于对结构设计的合理性进行理论分析牵涉问题很多，比较困难，其主要原因是：(1)岩土的复杂性，(2)施工方法难以模拟性，(3)围岩与支护（围护）结构相互作用的复杂性。(4)周边环境的复杂性因此有必要进行信息化施工（反分析法），通过施工过程中对围岩、支护结构及周边建（构）筑物的位移和应力监测，并及时反馈到设计与施工中去，优化设计参数及施工方法，以确保地下工程施工和周围建（构）筑物的安全。作为信息化施工的最基础工作，监测工作非常重要。,2.地下工程监测的主要目的了解地层在施工过程中的动态变化，明确工程施工对地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。了解支护结构及周边建（构）筑物的变形及受力状况，并对其安全稳定性进行评价。了解施工方法的实际效果，并对其进行适用性评价。及时反馈信息，调整相应的开挖、支护参数；收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改订提供参考和积累经验。,3、监测工作现状、存在的问题及解决办法,1）现状（1）各建设、施工单位水平对监测工作的认识不统一，造成对其认识不同；（2）施工单位对监测与信息反馈工作的实施方法不同，效果不同。2）存在的问题（1）未把监测与信息反馈作为工序编入施工组织设计，有的虽然作为工序编入，但实施不规范，不彻底，应用效果较差；（2）实施过程中缺少专业技术人员，特别是信息反馈方面的人员，很少能结合施工情况，对监测信息进行有效分析，未能对工程设计和施工起指导作用；（3）缺乏周边环境的安全评估标准及监测控制基准；3）解决办法（1）就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制基准进行研究；（2）在规范施工方监测的基础上，引入第三方监测（都必须具备监测资质），对促进监测技术健康发展具有积极意义。,4、监测与信息反馈的内容,监测项目的确定监测方法、仪器监测的实施监测结果的应用（数据处理、控制基准、安全评价等）反馈的内容（优化设计、施工方法，控制措施）反馈程序,三、主要监测项目,1.监测项目分类（1）从考虑地下工程结构稳定及施工对环境影响出发，地下监测项目可以分成三类：第一类是支护结构的变形和应力、应变监测（判断地下工程本身的稳定性）；第二类是支护结构与周围地层（围岩与结构）相互作用监测（确定作用在支护结构上的荷载）；第三类是与结构相邻的周边环境的位移监测（判断施工对周边环境的安全稳定性）。（2）根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目(A)”和“选测项目(B)”两类。必测项目(A)是确保施工安全必须进行的位移监测项目；选测项目(B)一般是配合科研项目进行的应力、应变等监测项目。地下工程施工多数采用浅埋暗挖法、明挖法、盾构法这三类方法,其监测内容见下表。,浅埋暗挖法施工主要监测项目,盾构法工程主要监测项目,明挖法施工主要监测项目（-必测-选测）,四、监测控制基准的确定,1.控制基准确定原则（1）监测控制基准值应在监测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、监测等相关部门共同确定，列入监测方案；（2）有关结构安全的监测控制基准值应满足设计计算中对强度和刚度的要求，一般应小于或等于设计值；（3）有关环境保护的控制基准值，应考虑被保护对象（如建筑物、地下工程、管线等）主管部门所提出的确保其安全和正常使用的要求；（4）监测控制基准值的确定应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工速度和减少施工费用；（5）监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、规范和规程的要求；（6）对一些目前尚未明确规定控制基准值的监测项目，可参照国内外类似工程的监测资料确定；在监测实施过程中，当某一监测值未超过控制基准值而出现险情时，除及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，及时调整控制基准值。,2.地表沉降控制基准确定方法通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表建筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其中最小值作为控制基准值。1）从考虑地表建筑物安全角度确定最大允许地表沉降值地下工程施工引起地层的差异沉降所引发的建筑物倾斜，是判断建筑物是否安全的一个重要标准，根据实际经验总结地层差异沉降与建筑物的反应见右表。,地表建筑物基础位于沉降槽一侧如右图所示，一般来说，浅埋地下工程施工时，在其两侧存在着潜在的破裂面，如果破裂面与地表交点位于建筑内，则应考虑不均匀沉降对建筑物的影响。假设破裂面与地表的交点为地表建筑物沉降的不动点，则有：式中，H-工程覆土厚度，h1-开挖高度，D为开挖直径，A-受影响的横截面宽度。不均匀沉降由Peck公式求得：,如果令u等于建筑物的最大允许地表沉降值，而i通常位于边墙所在的铅垂线上（iD/2），则最大允许地表沉降值为：即与L1对应的点为建筑物由于地表沉降而倾斜的最大斜率点，由Peek公式推导的该点的倾斜率计算公式为：令u为建筑物的容许倾斜则得到的最大允许地表沉降值为：,地表建筑物基础位于沉降槽中间建筑物相邻柱基L小于（等于）沉降槽拐点位置i由沉降槽曲线可知，在拐点i处，曲线斜率最大，当建筑物位于如图所示时，差异沉降达到最大，故以此极限条件下的坡度值-极限坡度小于相应建筑物允许倾斜值作为限制条件。即：式中：L一一建筑物相邻柱基础间距f一一建筑物的允许倾斜率S差异沉降值由极限条件得允许最大沉降差：Sfi，同时，由peck曲线可知，当x=i时，可得出地表下沉的最大斜率：假定建筑物最大允许倾斜与Qmax相等，此时，地表最大允许沉降量：,建筑物相邻柱基L大于（等于）沉降槽拐点位置2i这种情况下，沉降对建筑物的影响既引起倾斜，同时基础受弯。当建筑物处于受弯最不利位置，沉降量过大时，可能导至建筑物基础结构的断裂及上部结构压性裂缝的产生。影响基础变形的因素，如受力条件、荷载分布、建筑物等级不尽相同，难以进行分析，这里仅根据建筑物基础的极限应变采用下式计算最大允许沉降值。,（2）从考虑地下管线的安全角度确定最大允许地表沉降值管线与隧道的位置关系比较复杂，仅以管线与隧道轴线垂直为例进行说明。沉降槽上方的管线变形类似于建筑物地基梁L2i的情况，随着地层的沉降，其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的梁来考虑。根据结构在正常使用时受到的应力应小于其允许的设计应力这一标准：由：=/E式中：允许拉应变；允许拉应力；E材料弹性模量；可知，管线在地层沉降时产生的变形应小于（或等于）其允许应力的相应变形范围。即可按下式计算沉降允许值。式中：m计算长度。当管线走向垂直于地下工程纵向时，m=i，S值最小，此时，上式可简化为如下式。,（3）从考虑地层及支护结构稳定角度确定最大允许地表沉降值以地下工程侧壁正上方土体不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降值作为控制基准，这时采用“地层梁理论”，诱导出剪应变的方法来确定最大允许地表沉降值。经验表明，软弱地层浅埋地下工程典型的地表沉降曲线可用Peck公式描述：对Peck公式求导可得沉降曲线的最大斜率计算公式如下（发生在x=i处）：如设定地层的极限剪应变Yp与相等，则：即从地下工程施工本身的安全稳定性推求的最大允许地表沉降值为：式中：地层抗剪强度，G地层剪切摸量。Smax一一最大允许地表沉降值；i一一曲线拐点到中心的距离，可通过回归求得；地表沉降控制基准值随工程条件，尤其是周边环境条件而变，目前多数招标文件中笼统的要求地表沉值小于某一数值是不适宜的，应针对具体工程，通过类比和计算相结合的办法找出相应的控制基准值。,3.支护结构（围岩）稳定性控制基准的确定方法（1）根据支护结构的稳定性确定绘制围岩位移支护刚度曲线，并在图上绘制u=u（直线C），从图中可看：围岩位移支护刚度曲线存在一个明显的拐点，从经济、安全的角度考虑，C与A、B相交在拐点附近最合理，交点对应的支护结构（围岩）位移作为变形的控制值u。,（2）根据地表沉降控制要求确定城市地下工程多为软弱地层，且埋置深度浅，因此确定支护结构（围岩）允许位移基准值时还必须考虑周边环境安全，即要考虑地表沉降要求的影响。a.城市地下工程通过城市建筑群要求地表沉降控制严格时，位移基准值应当控制得尽量小些。b.山岭隧道对地表沉降没有严格要求时，位移基准值可以适当定大些。（3）利用现场监测结果对预先确定的位移值进行修正应根据具体工程的现场监测结果和工程经验，分析围岩及支护结构的稳定状态及周边环境的安全状况。对预先确定位移允许值进行修正，以确保最终确定的位移基准值是安全、经济、合理的。,4.主要监测项目的国内外控制基准参考值（1）暗挖隧道主要监测项目控制基准参考值我国铁路隧道采用允许相对位移值的方法确定支护结构的控制基准。隧道周边任意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锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）规定值。,法国工业部制定的隧道位移基准值(绝对允许值）如下表（隧道断面50100m2），可作为初选位移基准的参考值。,日本“NATM设计施工指南”提出按测得的总位移量值（绝对允许值），或根据已测值预计的最终位移值，判断围岩的类别，然后确定与围岩相应的支护系统。,我国北京地铁工程施工相应的监测控制基准（绝对位移值）如下：,北京地铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值,北京地铁盾构法施工监测控制基准值,（2）明挖基坑工程变形控制基准参考值我国的基坑设计规程将基坑工程按破坏后果和工程复杂程度区分为三个等级，各级基坑变形的设计和控制值见下表,基坑工程等级划分及变形制控基准值,五、监测组织与实施,1.监测方案编制监测方案是指导监测实施的主要技术文件，主要包括：1、监测目的和监测项目2、监测仪器及安装3、数据采集方法、数据分析及处理4、信息反馈2.监测的组织与实施1、监测的前期准备2、人员组织准备3、设备及物资准备4、现场准备,3.监测的实施监测实施应特别注意以下几点：1、测点布设2、传感器和仪器的选用、传感器的检验和率定3、监测系统的选择、调试和管理4、监测控制值的确定5、资料的整理与分析6、监测数据的反馈,4.监测资料的整理与分析（1）监测资料的种类监测方案监测方案是贯彻监测工作始终的指导性文件，因而是重要的监测资料之一。工程竣工后，根据监测方案实际施作情况，对原监测方案进行补充和修改。监测日记监测日记记载监测实施阶段每日的气象情况、完成的测试项目、现场异常情况、文件收发纪录等。监测数据监测数据是监测资料中最基础、最原始的资料，它是日后进行制表、制图、计算分析、编制报表、撰写报告的重要依据。,监测报表每次测试完成后向委托单位提供的图表，按日期和项目内容编排、装订成册，包括监测日报表，周表报及月报表。监测报告监测报告系指对某段时间内或某一监测项目的实施情况的总结，找出某些变化规律，提出建议和措施。每一监测工程都有一个监测总报告，根据工程规模和时间，也可以出中期报告、分报告。监测工程联系单联系单是监测部门就监测过程中遇到的技术问题、特殊情况或测试内容、时间变更等，与委托方进行联系或达成协议的书面记载。监测会议记要包括监测方案评审会、现场监测工作例会、定期或不定期的专家顾问会议、施工协调会等涉及监测内容的会议记录。,（2）误差产生的原因和检验方法1）系统误差系统误差是因监测方法不正确或限于现场测试环境条件无法消除的因素而造成的。常见的系统误差有固定的和变化的两类。固定的系统误差是在整个监测数据中始终存在着一个符号不变的固定的数字偏差，或对一个数据多次测量中算出平均值之差的偏差，如零点漂移、仪器调试偏差等。如果监测数据的偏差是变化的，就是变化的系统误差，它们可能是有规律的累进变化、周期变化或按其它复杂的规律变化，如温度、湿度等环境条件的变化引起的系统误差。2）过失误差主要由于测试人员的工作过失所引起的误差，如读错仪表刻度（位数、正负号）、测点与测读数据混淆、记录错误等，造成监测数据不可允许的错误。此类误差数值很大，使测试结果与事实显然不符，必需从测量数据中剔除。,3）偶然误差在测量数据中剔除了过失误差并尽可能地消除和修正了系统误差之后，剩下的主要是偶然误差。引起偶然误差的主要原因有偶然因素，如电源电压波动，对仪表末位读数估读不准确以及环境因素的干扰等。偶然误差带有随机性质，无法从试验方法上加以防止，它们服从正态分布的统计规律，因此又称随机误差。（3）检验误差的方法查找错误数据和分析误差，主要是根据系统误差、过失误差和偶然误差在不同类型监测数据中的分布规律来判断。通常采用人工判断和计算机分析相结合的方法，通过下述两种方法相结合进行检验：,A、对比检验方法对比检验方法是以仪器监测值的相互关系为基础的传统逻辑分析方法。包括以下两种分析方法。一致性分析一致性分析是从时间角度检验分析同一测点本次实测值与前次观测值的关系。相关性分析相关性分析是从空间的角度检验分析，同一测次中该点与前、后、左、右、上、下邻近测点观测值进行对比，然后使用数理统计方法对数据的误差类型作检验，并进行误差分析处理,B、统计检验方法和步骤数据整理：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的分布情况显示出来，进行数据的数字特征计算，离群数据的取舍。数据的方差分析：被测物理量按随机规律受到一种或几种不同因素的影响，通过方差分析的方法处理数据，确定哪些因素或哪种因素对被测物理量的影响最显著。数据的曲线拟合：数据拟合是根据实测的一系列数据，寻找一种能够较好反映数据变化规律和趋势的函数关系式，通常使用最小二乘法进行拟合。,C、避免人为误差由于测试人员的工作过失所引起的误差，如读错仪表刻度（位数、正负号）、测点与测读数据混淆、记录错误等，造成监测数据不可允许的错误。避免人为误差措施主要有加强监测管理，规范监测工作，加强人员培训提高人员素质。在数据处理时，此类误差数值一般很大，必需从测量数据中剔除。D、不完整（或缺损）数据的处理在监测实施过程中，由于监测仪器被破坏、测点埋设不及时、受施工干扰部分时间段数据没有采集等原因，导致监测数据不完整，以及如拱顶下沉、结构收敛等监测项目在监测点埋设之前部分位移已经发生。避免出现这类情况产生的主要措施：及时埋设测点，加强测点保护，加强监测组织管理，协调好监测与施工之间关系。对不完整数据的处理分析方法，一般有回归分析法和类比法。,（2）监测数据的整理要求1）数据采集资料采集应严格按照监测传感器和仪表的原理及监测方案规定的测试方法，坚持长期、连续、定人、定时、定仪器地进行采集，采用专用表格做好数据记录和整理，保留原始资料。每次资料汇总前，测量人、记录人、审核人、整理人签名应齐全，以便各司其职，提高监测人员的责任心。特别是在发现监测数据异常时，应及时进行复测，并加密观测的次数，防止对可能出现的危险情况先兆的误报和漏报。当测量数据用人工录入计算机时，更应进行数据的二次校核，以确保打印出的曲线图表准确无误。,2）数据采集质量控制根据不同原理的仪器和不同的采集方法，采用相应的检查和鉴定手段，包括严格遵守操作规程、定期检查维修监测系统、加强对上岗人员的培训工作等方面的内容。对仪器质量和数据采集质量的控制可从以下方面着手：确定监测基准点的稳定性；定期检验仪器设备；保护好现场测点；严守操作规程；做好误差分析工作。,5.监测数据的反馈分析根据对监测数据分析的时间安排可分为以下三类：实时分析：每天根据监测数据，分析施工对结构和周边环境的影响，发现安全隐患，及时采取措施；实时分析一般采用日报表型式。阶段分析：经过一段时间后，根据大量的监测数据及相关资料等进行综合分析，总结施工对周围地层影响的一般规律，指导下一阶段施工。阶段分析一般采用周报、月报形式，或根据工程施工需要不定期进行，提出指导施工和优化设计的建议。工程竣工后，提交施工总结，对监测数据进行系统分析，分析工程实际变形或应变规律，总结工程施工的经验与教训，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验。并可以和计算结果比较，完善计算理论。,六、主要监测项目实施方法,1.地表沉降沉降监测是地下工程监测中最主要的监测项目。在地基加固、基坑、浅埋暗挖法隧道、盾构法隧道等工程的施工过程中都要进行地表沉降监测。（1）监测目的主要是测定施工引起的地表沉降值，确保结构及周边环境的安全，同时分析施工引起的纵横沉降槽曲线及最大沉降坡度、最小曲率半径和沉降速率等，以评估施工过程中围岩变形状态及施工对周围环境的影响程度。（2）监测仪器一般采用自动或人工水准测量仪器。如果需要进行跟踪监测，可采用静力水准仪系统。,（3）监测方法1）水准基点的设置可以利用城市中的永久水准点或工程施工时使用的临时水准点，作为基准点或工作基点。如果附近没有这样的水准点，则应根据现场的具体条件和沉降监测的时间要求埋设专用水准点。水准点的型式和埋设可参照三、四等水准点的要求进行（如图），其数目不少于三个，以便组成水准控制网，对水准点定期进行校核，防止其本身发生变化，以保证沉降监测结果的正确性。水准点应在沉降监测的初次观测之前一个月埋设好。埋设水准点应考虑下列因素：（1）水准点应布设在监测对象的沉降影响范围（包括埋深）以外，保证其坚固稳定；（2）尽量远离道路、铁路、空压机房等，以防受到碾压和振动的影响；（3）力求通视良好，与观测点接近，其距离不宜超过l00m，以保证监测精度；（4）避免将水准点埋设在低洼易积水处。同时为防止土层冻胀的影响，水准点的埋设深度至少要在冰冻线以下0.5m。,2）地表沉降测点埋设用冲击钻在地表钻孔，然后放入长200300mm，直径2030mm的圆头钢筋，四周用水泥砂浆填实。3）地表沉降计算在条件许可的情况下，尽可能布设导线网，以便进行平差处理，提高观测精度。施工前，由基点通过水准测点监测出地表沉降观测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差Hn-H0即为地表沉降值。4）地表沉降分析包括地表沉降历时规律（如下图所示）、地表沉降历程规律、纵向地表沉降规律、横向地表沉降规律等。分析施工对周边环境的影响程度及影响范围，及与时间及开挖面之间的关系，预测最终地表沉降。,2.建筑物监测建筑物监测包括建筑物沉降监测、建筑物倾斜、建筑物水平位移监测及建筑裂缝监测等。（1）监测目的为确保周边建筑物的安全，在施工过程中需进行建筑物监测，当建筑物变形过大，及时采取有效的保护加固措施，确保建筑物安全。（2）监测仪器沉降监测可用水准仪、全站仪、静力水准仪等；倾斜监测可用水准仪（差异沉降法）、全站仪，垂线坐标仪等；水平位移监测可用全站仪、经纬仪等；裂缝监测可用简易方法进行，如贴石膏法、金属片固定法等，如果监测精度要求较高可采用测缝计或手持应变计等。,（3）监测方法目前，对于建筑物监测项目主要是沉降与倾斜（通常采用差异沉降法）。下面仅介绍建筑物沉降及采用差异沉降法进行倾斜监测。1）水准基点埋设水准基点的构造、形式以及埋设方法同地表沉降。水准基点离监测建筑物的最近允许距离见下表。,2）沉降监测点布置一般可设置在建筑物的四角（拐角）上，高低悬殊或新旧建筑物连接处，伸缩缝、沉降缝和不同埋深基础的两侧，框架（排架）结构的主要柱基或纵横轴线上。对于烟囱、水塔、油罐等高耸构筑物，应沿周边在其基础轴线上的对称位置布点。测点埋设示意如下图，监测点埋设完毕后，应待其稳固后方能使用。特殊情况下，也可采用射钉枪、冲击钻将射钉或膨胀螺丝固定在建筑物的表面，沉降监测点埋设时应特别注意要保证能在点上垂直置尺和良好的通视条件。,3）沉降计算施工前，由监测基点通过水准测量监测出建筑物沉降监测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差HHn-H0即为建筑物沉降值。4）倾斜计算根据建筑物相临两点的沉降值，在计算建筑物沉降差s，按公式tg=s/b进行倾斜计算（一般采用差异沉降法），如图所示，顶部水平位移采用公式SH2=Hgs/b计算。式中：为所求建筑物水位移产生的倾斜角；b建筑物宽度；s建筑物的差异沉降；,5）变形规律分析绘制变形历时曲线，下图为某工程建筑物沉降历时曲线图，预测最大变形值，判断建筑物的安全。,3.地下管线变形监测（1）监测目的在管线周围设置测点，监测施工过程中地下管线沉降情况，据以判定地下管线的安全性，以及采用的工程保护措施的可靠性。（2）监测仪器同地表沉降监测。（3）测点埋设目前地下管线测点主要有以下三种设置方法：a.抱箍式，b.直接式，c.模拟式其中模拟式，简便易行，避免了道路开挖对交通的影响，但因测得的是管顶地层的变形，模拟性差，精度较低。上述三种形式的测点均可用于管线沉降监测。抱箍式和直接式亦可用于水平位移的监测，但应注意抱箍式测点的测杆周围不得回填，否则会引起监测误差。,3）沉降值计算沉降值计算同地表沉降监测。4）沉降分析绘制沉降历时曲线，预测最大沉降值，判断管线的安全。4.净空收敛监测（1）监测目的净空收敛也是围岩与结构和支护力学形态变化的最直接、最明显的反映参数，通过监测可了解围岩和支护结构的稳定状态。（2）监测仪器通常采用收敛计，收敛计是用于测量和监控隧道周边收敛（变形）的主要仪器，由连接、测力、测距三部分组成，如右图所示。近年来发展的无尺非接触量测系统，可采用全站仪进行收敛变形监测。（3）监测实施1）测点布设原则,与结构拱顶下沉测点布置在同一个断面上。在同一断面内，收敛基线的布设，应根据断面大小选择不同的布置型式，通常情况下可以采用，安装测点时，在被测结构面用凿岩机或人工挖孔径为4080mm深20cm的孔，在孔中填塞水泥沙浆后插入收敛预埋件，尽量使两预埋件轴线在基线方向上并使销孔轴线处于垂直位置，上好保护帽，待沙浆凝固后即可进行监测。,ac-单线隧道，bd-双线隧道,2）收敛测量与计算按下式计算净空变化值。Un=Rn-Rn-1Un第n次监测的净空变形值Rn第n次监测时的净空变形值Rn-1第n-1次监测时净空变形值3）变形分析绘制收敛历时曲线及历程曲线，预测最大收敛变形值，判断初支结构的稳定情况。,5.拱顶下沉监测（注意分部开挖时测点布设）（1）监测目的拱顶下沉监测值是反映地下工程结构安全和稳定的重要数据，是围岩与支护系统力学形态变化的最直接、最明显的的反映。通过监测了解初支结构的稳定情况。（2）监测仪器水准仪、钢挂尺或全站仪。（3）监测实施1）沉降点埋设沉降点埋设应尽量与地表沉降测点相对应，以利于对比分析。拱顶下沉的水准基点布设在洞内和洞外均可，应布设在沉降范围以外。2）数据计算与分析对同一测点而言，拱顶沉降计算如下式。U=Ui-Ui-1式中：Ui第i次监测高程；Ui-1第i-1次监测高程；U第i次沉降值；数据分析与处理同地表沉降，,6.围护结构及土体水平位移监测（1）监测目的了解施工过程中基坑维护结构及土体的水平变形情况，确保施工安全。（2）监测仪器测斜仪，测斜管。（3）监测实施方法1）测点布置布置在基坑平面上挠曲计算值最大的位置，如悬臂式结构的长边中心，设置水平支撑结构的两道支撑之间；基坑周围有重点监护对象（如建筑物、地下管线）时，离其最近的围护段；基坑局部挖深加大或基坑开挖时围护暴露最早、得到监测结果后可指导后继施工的区段；测斜管中有一对槽口应自上而下始终垂直于基坑边线，以保证测得围护结构挠曲的最大值；浅埋暗挖法或盾构法施工的隧道土体测斜孔布置在地质条件比较典型地段；,2）测量监测开始前，测斜仪应按规定进行严格标定，以后根据使用情况，每隔三个月至半年标定一次。测斜管应在工程开挖24星期前埋设完毕，在开挖前的35日内重复监测23次，待判明测斜管己处于稳定状态后，将其作为初始值，开始正式测试工作。每次监测时，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。一般以管口作为起算点，按探头电缆上的刻度分划，均速提升，每隔一定距离（500mm或1000mm）进行仪表读数，并作纪录。待探头提升至管口处，旋转180。后，再按上述方法测量一次，以消除测斜仪自身的误差。,3）数据计算测试时沿预先埋好的测斜管沿垂直于隧道轴线方向（A向）导槽（自下而上每隔1m测读一次直至孔口，得各测点位置上读数Ai（+）、Ai（-）。其中“+”向与“-”向为探头绕导管轴旋转180位置。水平位移值计算：第i次监测值=Ai（+）-Ai（-）；变量=本次监测值-上次监测值；本次位移S=K（K=0.02）单位以mm计；第i点的绝对位移=各测点相对于孔底测点的位移。4）数据分析绘制水平位移曲线图（如右图所示），分析施工对围护结构的影响，判断结构的安全。,7.深层土体分层沉降监测（1）监测目的了解施工过程中对周围地层扰动情况，研究不同深度的土体垂直位移变化规律，确保施工及周边环境安全。（2）监测仪器分层沉降仪，磁环、沉降导管（如右图所示）、水准仪及水准尺（磁环沉降标）/磁锤、水准仪、测杆（磁锤沉降标）。（3）监测实施方法,1）测点埋设磁锤式（测杆式）标志的埋设方法是用钻机在预定位置钻孔至欲测土层的标高后，将护筒放入孔内，以防孔壁坍塌，再将标头放入孔底，压入土层内，随后放入测杆（仅测杆式用），并使其底面与标志顶部紧密接触，上部的水准气泡居中，最后用三个定位螺丝将测杆在护筒中定位，见图右图所示。,磁环式标志的埋设方法之一是用钻机在预定孔位上钻孔，孔深由沉降管长度而定，孔径以能恰好放入磁环为佳。然后放入沉降管，沉降管联接时要用内接头或套接式螺纹，使外壳光滑，不影响磁环的上、下移动。埋设磁环的方法之二是在沉降管下孔前将磁环按设计距离埋设在导管上，磁环之间可利用沉降管外接头进行隔离，成孔后将带磁环的沉降管插入孔内，然后用细砂在导管和孔壁之间进行填充至管口标高。,2）测量磁锤式分层标是通过钢尺和水准仪进行监测，见下图。孔内重锤靠底部磁块的吸力与标头紧密接触，孔外重锤利用自重通过滑轮将钢尺拉直，用水准仪监测基准点与分层标之间的高差，计算出深层土体的沉降值。磁环式分层标监测时应先用水准仪测出沉降管的管口高程，然后将分层沉降仪的探头缓缓放入沉降管中，当接收仪发生蜂鸣或指针偏转最大时，就是磁环的位置，自上而下依次逐点测出孔内各磁环至管口的距离，换算出各点的沉降量，如下图所示。,磁锤式,磁环式,3）沉降计算本次位移值=本次监测平均值-上次监测平均值累计位移值=各次监测位移值各测点绝对位移=相对位移值+孔口标志点（基点）位移4）数据处理与分析每次监测后应绘制孔深沉降对应关系曲线及沉降历时曲线。,不同深度地层的沉降值,8.孔隙水压力监测（1）监测目的孔隙水压力变化是土体运动的前兆。通过监测孔隙水压力在施工过程中的变化情况，及时为控制沉桩速率和开挖、掘进速度等提供可靠依据，同时结合土压力监测，可以进行土体有效应力分析，作为土体稳定计算的依据。（2）监测仪器孔隙水压计及频率接收仪（如右图所示）。（3）监测实施1）测点埋设其埋设方法采用挂布法、顶入法、弹入法、埋置法和钻孔法。无论采用哪一种方法埋设，都要扰动地层，使初始孔隙水压力发生变化。为使这一变化对后期测量数据的影响减小到最低限度，一般应在正式测量开始前一个月进行埋设。,2）监测计算根据每次所测得的各测点频率，可依据孔隙水压计的频率-压力标定曲线直接换算出相应的压力值。3）数据分析根据孔隙水压力值绘制压力-时间曲线图（如下图所示）。,9.岩土压力（接触应力）监测（1）监测的目的1）监测挡土或支护结构的受力状况，确保施工安全；2）找出施工引起的地层土压力的变化规律；为理论计算、分析积累资料。（2）监测仪器压力盒及接收仪。（3）监测实施1）测点埋设土压力盒应紧贴监测对象布置，监测挡土结构接触面土压力时，可选择在支撑处和围檩的中点，以及水平位移最大处；初期支护土压力盒布置应使压力盒的受压面向着围岩；采用钻孔法埋设的土压力盒，应向孔内回填细砂堆至孔口；监测基底反力或地下室侧墙的回填土压力可先将其埋设在预制的混凝土块内，并将预制块浇筑在基底内；在结构物侧面安装土压力盒时，应在混凝土浇筑到预定标高处，将土压力盒固定到测量位置上，压力膜必需与结构外表面平齐；采用埋置法施工时，应注意尽量减少对原有土体的扰动，土压力盒周围回填土的性状要与附近土体一致，否则会引起应力重分布。,2）测量与计算根据每次所测得的各测点频率，可依据压力盒的频率压力标定曲线来直接换算出相应的压力值。3）数据分析在监测横断面图上按不同的施工阶段，绘制结构-围岩压力分布形态图，下图为某隧道围岩压力分布图。同时还可以绘制压力历曲线图，分析其变化规律。,围岩压力分布形态图,10.钢筋轴力（1）监测目的了解围护（支护）结构的轴力与弯距。检验结构是否安全及设计是否合理（2）监测仪器钢筋计及接受仪（钢筋计主要钢弦式和电阻应变式二种）。钢弦式钢筋计应与支撑主筋串联焊接；应变式钢筋计可与主筋串接，也可与主筋保持平行，绑扎或点焊在箍筋上）。（3）监测实施1）测点埋设监测断面应选在围护结构中出现弯矩极值的部位。在平面上，可选择围护结构位于两支撑的跨中部位、开挖深度较大以及水土压力或地表超载较大的地方；在立面上，可选择支撑处和每层支撑的中间，钢筋计一般在绑扎钢筋笼的同时进行焊接，焊接时应采取降温措施，并注意测点保护。,2）钢筋应力计算钢筋计的监测应力钢筋计应力计算公式为：。钢弦式：应变式：式中i一一第i个钢筋计的监测应力；k1i钢弦式钢筋计的常数；k2i应变式钢筋计系数；f0一一钢筋计埋设后的初始自振频率；f钢筋计的监测自振频率；0钢筋计埋设后的初始应变值；一一钢筋计的监测应变值。,换算成弯矩（近似公式）根据监测应力按下式近似计算构件的弯矩。M围护（支护）结构监测断面处计算弯矩，连续墙或地下工程衬砌以每延m计，灌注桩以单桩计；d一一一每对钢筋计之间的中心距离；1、2每对钢筋计的应力计算值，以拉为正、压为负；Ec、Es一一混凝土、钢筋计的弹性模量；Ic监测断面的惯性距。换算成轴力一般按下式计算轴力。NC围护（支护）结构监测断面处计算轴力，连续墙或地下工程衬砌以每延m计，灌注桩以单桩计；s每对钢筋计的平均应力值；Ec、Es一一混凝土和钢筋的弹性模量；Ac、As一一支撑（支护）结构混凝土面积和钢筋的截面面积；,3）数据分析绘制支护结构轴力（弯距）分布形态图，下图为某隧道初期支护外缘钢筋除左右两个拱脚外均受压，而内缘钢筋除拱顶和左侧边墙外均受压。结构明显处于受压区域。其中最大拉应力为15.24KN，发生在内缘钢筋左拱顶处。最大压应力为53.24KN，发生在外缘钢筋底部。,隧道支护结构轴力分布形态图,11.钢支撑轴力（1）监测目的及时掌握施工过程中，钢支撑内力（弯矩、轴力）的变化情况。当内力超出设计最大值时，及时采取有效措施。（2）监测仪器对于钢筋混凝土支撑杆件，主要采用钢筋计监测钢筋的应力或采用混凝土应变计监测混凝土的应变，然后通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算支撑的轴力（同钢筋应力监测），对于钢结构支撑杆件，采用轴力计（亦称反力计如下图所时）直接监测支撑轴力。下面以轴力计为例说明监测实施。（3）监测实施1）测点布置,轴力监测传感器的埋设断面一般选择在轴力比较大的杆件上，或在整个支撑系统中起关键作用的杆件上。2）轴力计算轴力计算公式为：式中Nc支撑杆件监测轴力；ki钢弦式轴力计的常数；f0轴力计埋设后的初始自振频率；f轴力计的监测自振频率；3）数据分析由支撑轴力时程曲线图（如右图所示）。,支撑轴力历时曲线,架设第二道支撑,12.混凝土应变监测（1）监测目的了解结构受力情况，判断结构的安全。（2）监测仪器表面应变计或埋入式应变计（如右图所示）及接受仪。（3）监测实施1）测点埋设埋入式应变计是在支撑混凝土浇筑时埋设的，应变计应保持与支撑轴线平行；表面式应变计主要用于支撑施工时来不及埋设或后来又新增的监测断面上，一般应在设计的监测断面上设置预埋件，待基坑开挖前进行安装。,钢弦式表面应变计,埋人式应变计,2）应变值计算应变的计算公式为：式中：i一一第个应变计的监测应变；Ki一一第i个应变计的标定系数；f0一一应变计埋设后的初始自振频率；F应变计的监测自振频率；根据变形协调条件，可计算轴力和弯距（与钢筋轴力监测类似）。3）数据分析同钢筋轴力监测。,13.爆破振动监测（1）监测目的1）了解爆破振动的速度（加速度）大小分布规律，判断爆破振动对结构和周边建筑物的振动影响；2）及时调整爆破参数，为优化爆破设计提供技术依据。（2）监测仪器爆破振动监测仪、震动速度（加速度）传感器（如下图所示,（3）监测实施1）测点埋设一般的地表振动监测，因振动幅值不大，频率不很高，只需将传感器直接置于地表，周围用石膏粘附即可。在地下工程内墙壁上监测强烈爆破振动时。需用钢钎嵌入岩体中，将传感器固定在钢钎上。2）监测结果与分析如某工程爆破震动振动速度监测波形图，根据波形图分析最大振动速度，每段时间间隔及装药量是否合理等。,爆破震速波形图,七、信息反馈技术,1.信息反馈的内容（1）对设计的反馈内容通过对监测资料的反分析，修正设计用地应力、渗水压力、围岩压力等基本荷载。通过对围岩和支护结构的位移、应力应变、地表及周边建筑物位移等监测，修正设计用变形控制基准；在上述修正基础上调整支护结构参数即进行信息化设计。（2）对施工的反馈内容在施工过程中，通过对监测结果的分析判断，及时调整施工方案，必要时增加辅助施工措施，以确保施工的安全性和经济性。,2.监测数据的处理方法（1）散点图与回归分析法一元线性回归分析非线性回归分析（2）地下工程监测数据分析中常用的回归函数地表沉降横向分布规律地表沉降横向分布规律回归函数采用Peck公式,位移历时回归方程对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等变形的历时曲线一般采用如下函数进行回归。（1）指数模型：；（2）对数模型：；（3）双曲线模型：；以上3式中：t监测时间（单位：日）；St时间对应的位移值；a、b回归系数。,沉降历程回归方程由于地下工程开挖过程中地表纵向沉降、拱顶下沉及净空收敛等位移受掌子面的时空效应的影响。采用单个曲线进行回归时不能全面反映沉降历程，通常采用以变弯点为对称的两条分段指数函数式或指数函数进行近似回归分析。,式中：A，B回归参数；x距开挖面的距离；S距开挖面x处的地表沉降；x0、u0变弯点x0处的沉降值u0。,4.监测信息反馈（1）监测反馈的程序,（2）信息反馈方法1）采用收敛限制法又称特征曲线法或变形法，收敛限制法是根据地下工程周边位移监测值来反馈设计与施工。收敛限制法是一种以理论为基础、实测为依据、经验为参考的较为完善的地下工程设计方法。其基本原理如图所示。图中纵坐标表示结构承受的地层压力，横坐标表示沿洞周径向位移（一般采用净空收敛值）。图中曲线为地层特征线，曲线为支护特征线，两条曲线交点的纵坐标即为作用在支护结构上的最终地层压力P，交点的横坐标为衬砌的最终位移u。u、P值即可作为设计计算的依据。,收敛限制法原理示意图,2）参数控制法根据周边环境条件制定地表沉降、周边净空收敛等参数的控制值，作为判断围岩或地层稳定的标准和进行施工反馈的依据。根据位移判别围岩稳定与否，据此作出增强和减弱支护参数的对策位移变化速率是判断地层和结构稳定性的重要指标，如下图所示图中曲线位移变化速率不断下降，最后趋于稳定，围岩是稳定的；曲线位移变化速率大，而且收敛很慢，则应加强支护，若曲线一直发展，斜率没有下降趋势则已出现危险征兆，应采取紧急而特殊措施；曲线是地层失稳标志，施工单位应立即处理以免造成塌方，处理的同时要报各有关单位速到现场研究、决策,典型位移变化曲线,3）工程类比法工程类比法是根据监测资料与类似工程监测结果及稳定性评判等资料的对比进行分析，评判当前工程的安全状态，及时调整施工方案。工程类比法是地下工程施工中广泛采用的定性分析方法。考虑到城市地下工程的具体特点，按下列顺序进行工作。类比工程资料的收集。监测资料的采集、整理、分析。现场地质调查、施工记录和现场观察巡视。综合定性分析评判。,4）数值计算方法随着地下结构计算理论研究工作的进展，人们开始采用地层结构法和收敛约束法等这些以连续介质力学为基础的方法来设计和研究地下结构。然而，由于在以上领域已经取得解析解的成果为数不多，使这些方法的适用范围还相当有限，近二十多年来，计算机的普遍使用，使数值计算方法有了很大的发展，包括有限单元法、边界元法、有限差分法等，大大发展了岩土工程问题的计算理论。其中，有限单元法是一种发展最快的数值方法。,5）反分析法所谓反分析法，就是指利用现场监测到的信息如位移、应变、二次应力或地层应力等，根据给定的材料模型，来反演工程介质材料的物理力学参数和初始荷载。根据监测信息的类型，反分析法可分为位移反分析法、应变反分析法和应力反分析法三类。初始地应力参数的现场监测难度较大，所需费用也远远高于弹性模量和泊松比的测定。相对而言，位移，特别是相对位移的测定较容易、便宜得多。,八、控制过大变形的工程措施,1.浅埋暗挖法施工控制围岩（支护结构）过大变形的技术措施（1）一般措施调整开挖方法，保持开挖面稳定、减少对地层的扰动；提高初期支护强度、及时进行支护并快速封闭成环；加强拱脚支护；围岩与支护结构间回填注浆；减少地下水的影响；减小爆破振动影响。（2）辅助施工措施常用的为两大类。一类地层预处理法，加固围岩；一类是超前支护法，防止掌子面上方围岩坍塌。地层预处理法1）注浆法；2）冻结法；3）旋喷等加固法超前支护法1）超前小导管注浆；2）超前管棚法；3）超前插板法；4）水平高压旋喷法；5）机械预切槽法；6）帷幕注浆法；,2.盾构法施工控制围岩（支护结构）过大变形的技术措施（1）一般措施保持开挖过程中水土压力平衡；调整开挖过程中的盾构姿态；加强管片壁后注浆；防止管片变形与渗漏水。（2）辅助施工措施注浆加固法高压旋喷桩或搅拌桩法冻结法,3.明挖法施工控制地层与围护结构过大变形的技术措施（1）一般措施及时支撑（或拉锚）与预加轴力；分段分层开挖及开槽架设支撑；增加围护结构入土深度；加快施工速度；逆作法施工。（2）辅助施工措施基底加固；基坑内降水；帷幕注浆。,九自动化监测系统1.光纤监测系统光栅传感器是近几年正在研发的新型传感器，可集信息的传感与传输于一体，具有防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等优点，它克服了电阻应变片的易受电磁干扰、易损坏、寿命短和不能重复使用的缺点。尤其适用于健康检测。,2.自动全站仪非接触监测系统（无尺量测）全站仪非接触监测系统采用先进全自动全站仪，具有自动目标识别、自动跟踪、自动监测的功能，该系统具有获取信息及时、监测精度高。且具有以下优点：（1）适应隧道恶劣环境；（2）克服了传统接触量测在大跨度隧道中速度慢、误差大等缺点；（3）自动化程度高，能够实现数据自动采集、观测安全快速。,1）无尺量测系统的组成无尺量测系统由现场数据自动采集系统和数据处理系统组成。a）现场数据自动采集系统现场数据采集系统由量测仪器和观测点组成。量测仪器选用高精度全站仪（配机载量测软件）。测距精度要求达到1mm2ppm或以上、测角精度要求达到1或以上；观测点可采用反射膜片或小棱镜，反射膜片为2020的正方形，由丙烯酸脂制成，反射膜片贴在保护器中。安装在隧道中使用。,b）数据处理系统数据处理系统采用“隧道围岩变形分析系统”，该系统具有自动传输数据、建立数据库、对数据进行回归分析、可输出各种变形曲线、报表的功能。,c）测点布设测点由基座与保护盒两部分组成，基座由15cm长角钢及30cm长25的钢筋焊接而成，待掌子面开挖完毕后，将其固定在初支上。,无尺量测测点及保护盒,无尺量测线布置图,d）观测方法采用自由测站法进行进行洞室变形观测。量测时，将仪器架设至任意与测点通视位置后，设定仪器参数，每测站由全站仪自动观测六测回。为减小测试误差，对同一断面进行左右测站测试。,无尺量测洞内监测图,e）数据处理由全站仪自动将数据记录在仪器自带的PC卡上，待全部断面测试完毕后，用专用软件将全站仪内数据传输至电脑内，由处理程序将现场数据进行处理，数据处理结果如下图。,无尺量测后处理程序界面,4.远程监测系统-净力水准仪监测系统一般建（构）筑物，如普通民居、市政桥梁、管线等可采取常规地表沉降的监测方法进行监测。但对于一些特殊结构，如；桩基托换过程中的高层建筑物，运营中的地铁线路，交通繁忙的铁路、公路桥梁等，常规监测方法实施的难度特别大，信息反馈的时效性不能满足要求。根据工程的实际需要，必要时可采用远程监测系统进行监测。,远程监测系统由现场采集系统和远程控制系统两部分组成。将传感器埋设在待测结构上，并连接在数据采集仪上，即构成数据采集系统，可在无人值守状态下，实现监测数据的自动采集。,远程监测在北京地铁五号线静力水准仪布置图,静力水准仪,数据采集仪为连接远程监控中心及监测传感器的中继站，直接控制传感器，并将传感器的信号进行编译传输至监测中心。,远程监测在北京地铁五号线的数据采集仪,数据采集仪,管幕施工沉降4.82mm,导洞施工沉降17.48mm,天地梁施工沉降1.42mm,导洞施工穿越既有线时结构沉降速率增大最大速率约为1mm/day,中洞施工沉降2.47mm,侧洞管幕施工阶段3.51mm