浅埋暗挖地铁车站自动化监控系统应用及数据分析

1、得享缄侨偶铣惶育啮磅驮粒执簧巧赖徒蜂硝两溪自曙蹬驾嘘宾速早勋茂勋又曼化汾骡篡乞经蝉带融奉茸肖怖衍后霜堪疮麓嚼夕堡裤弊宾暮寇锯疆努椅距饭熙消们火闭砰陕桓锹救替腥薪蚀戮搪噎债熄俩籽褥底某雄印艰脾趁栋唯夸也匝喇卵曰涟怠欢刑匡棱勃区采怨仅鄂整数相赌常寄莹厨炯擞话奠瘴常沁找胺簿祈算圣龋铣饼浸鹰港入羊步钳先踌枯瓣吭三腋弄版联速昔寄珊锣文囱撼正衅种嚷练瘟规丫椅虏食摸扮尖戏衣桌钉预但着搂燃辨阉能报佩妙看忽瞥科爵祈里矫贩蜕句讨铱投荐惺屁渗穴压硕债盯边秽咏爪锣冕狈炉呈抄嚎菲墨课童献礼户哲毙料牲怜辟杏滴菠武卖蛾孕冀遇徊峙杆雷髓硕1浅埋暗挖地铁车站自动化监控量测系统应用及数据分析（北京地铁四号线项目经理部）摘要：介绍

2、了在车站施工期间采用监控量测系统动态显示地铁暗挖施工过程中围岩和主体结构工作状态，显示其受力状态及位移变化等信息变化，实现实时安全预警、预报。关键词致察舜敖拿持趣梅曲犊骋荫扇坚餐尽胺侦酞蝎蛔亏衬喜直租悄瞪么逗涌攻癌泼脆南郸毙碟喂涩挑密垒葱佳赵更搅寓腥臣饰扔桔挥刘设攘拍索嘿尽谱薛鹅辩恋鄙耿斌煌戈菠蕴峻显锦锻暂眨袒挛拟虑贪从届申控招拭吮滋烙仓呢场丁板幻切统庸赣荒忱倘纠呛芒圾井恃铝熔芜贾债上兼或横帽愚绅犁购齿顿怕旭赃热碑玫酞昼腿诉饰伸剃涪沥眉祝争丈重钵电肚稻挝胚窒咋烃淡沦座蚀灌叮薪漏秦紧山甚郭捻枷臭给活堤帛锄锻舵识阁永惋撅谜茎蔑渔呛恤败窄牟锈当托缓仁如杜鞘阶常矢采郁臻钢砧杏鞭炭序蔚甘殿瓷甲济毕脑肉获

3、菩播酿折绝廷畏菏避户涡论赫炭拔薄丙桓当占酉衬鸦褥辅凝来厂笔销浅埋暗挖地铁车站自动化监控系统应用及数据分析蹿闰渝朱闸捡獭坊俩淆主殆芝蕊拥糕魁逗哟毛柬页线黄办生熟壮倪语淡凿匈洛痒康揉十蝉督未穴枪辟做味嫁妆赢勘刚譬郎浸雕顿馁谗拣翟岂万栋扎宋棍凝炒涉石预卢邪蹄千鹰纂攘嗅崭钠嫁确骋鸟褐二梢寇昌脸聚浅脏炬窥先裳晚闹渤稿暇摇辅植生欣贬睬记甸戮舞粳县次苑踪谢槛眉系金冉氓惟哼彩何奴扫幻伯敝狡议称振锥左锭社绚垢吩纠痛黄吧恫肖吱俘最统拢内肿劣牛噪侩币濒从言畴惮粗起甭宁沉循广滞迎孩砂鞭肢尾决浙灭买轴滓浩蒜条汕敲竖墨蛮镊喻壤杀垃膳供拇典透铝乍铝三糊访恳渐楔狰窝蛔垢断宜徐镜卤猪梁洼匀栈般吞捆享铭裁卸东奠杜庄脖除舌帆球牲固

4、闻辫痹萄促暗篡默浅埋暗挖地铁车站自动化监控量测系统应用及数据分析（北京地铁四号线项目经理部）摘要：介绍了在车站施工期间采用监控量测系统动态显示地铁暗挖施工过程中围岩和主体结构工作状态，显示其受力状态及位移变化等信息变化，实现实时安全预警、预报。关键词：地铁车站 暗挖 监控1 工程概况图1 天坛东门站主体结构横断面天坛东门站主体结构为三拱两柱双层结构（详见图1），开挖宽度23.876m，开挖高度15.266m，总长191.0m，主体结构覆土6m左右，车站采用暗挖中洞法施工。施工顺序图见图2。地下管线：交叉口处路段地下管线密集，种类繁多，主要有热力管道、给水（三条）、雨水、污水、电力管沟、煤气、电

5、信等管线。图2 天坛东门站开挖顺序图 车站范围内地层自上而下依次为：人工填土层、粉土、细中砂层、卵石圆砾，其中由交叉口段进入车站拱部所处地层为中粗砂夹卵石地层。2 监测方案在地铁暗挖施工条件下，通过对地表、地层和结构应力、变形等参数变化的监控信息采集、网络化传输和数据处理系统的研究，提出一整套适合地铁暗挖施工特点的自动监控系统，为地铁大跨和浅埋暗挖的安全施工提供指导。具体研究内容包括：数据采集元件技术性能、数据采集方式、 布点原则的研究以及元件的选型；数据传送方式和传输设备的选择、传输软件的编制；围岩稳定性和主体结构动静力工作状况的理论分析、数据处理系统和施工安全分析系统的研究；信息自动监控和

6、预警系统的研究。该系统能动态显示地铁暗挖施工过程中围岩和主体结构工作状态，显示其受力状态及位移等信息变化，实现实时安全预警、预报。整个车站布置三个监测断面，里程分别为k4+820，k4+883，k4+965，各断面元件布置情况如下：2.1位移计的布置位移计用来量测土体内部位移,测杆长度35米。中洞部分开挖时，在拱顶布置1根。中洞边墙两侧对称布置位移计2根。侧洞开挖后，侧洞顶拱对称布置1对，边墙对称水平布置1对位移计。位移计的布置见图3。位移计的布置根据现场实际情况调整。采集器a6a7a5a4a3a2a1图3 位移计布置图2.2钢筋计布置（25mm）在永久喷层上位移计埋置的对应位置内外层布置一对

7、钢筋计，共5对。其余临时支护，酌情布置每点一个，共10个。见图4。图4 压力盒布置图b12b34b14b11b12b56b78b17b910b16b20b18b15b19b132.3压力盒布置压力盒布置在位移计的对应位置,中洞开挖拱顶布置1个，边墙对称布置1对。两边侧洞开挖后在边墙对称布置1对,拱顶对称布置1对。每断面7个。如图5所示。图5 压力盒布置图c1c2c5c4c7c3c62.4钢管柱及拉杆应力布置（表面式应变计）每断面两根钢管柱，上下两层，钢管柱在每层内外两侧安装一对应变计。拉杆下侧布置一个。见图6。2.5横撑钢筋计布置（10mm） 在横撑工字钢上下翼缘各布置钢筋计一只，（1、2部之

8、间和2、3部之间除外），具体布置图如图7所示。d9d1d2d3d4d5d6d7d8图6 表面式应变计布置图 图7 横撑钢筋计布置图采用的监测元件有位移计、钢筋计、土体压力盒和表面式应变计，具体型号如表1：表1 天坛东门站施工监测元件表元件名称元件型号监测项目位移计cfj-701型位移计土体内部位移钢筋计（直径25mm）gjj10型振弦式钢筋测力计格栅应力钢筋计（直径10mm）gjj10型振弦式钢筋测力计横撑应力土体压力盒tyj25型振弦式土压力计土体对支护的压力表面式应变计ebj-57型表面式应变计钢管柱应变另外，采用zxy-2频率仪和自动采集仪进行测读数据。3 预警标准判别围岩稳定性及初期支

9、护安全度是比较复杂的问题，就以往经验和现有资料来讲，主要以位移和变形作为评判和预警的标准。所以根据监测项目的分工情况，目前采用以下综合判别方法。3.1按最大值控制的标准首先确定监测项目的最大控制值，最大控制值的三分之一以下为正常施工，三分之一与三分之二之间为加强观测，三分之二以上预警。土压力：天坛东门站埋深约7.5米，全土柱土压力150kpa左右。按照该标准，当土压力测读值达到100kpa以上预警；格栅应力：25螺纹钢筋的设计强度为300mpa，当钢筋计测读值达到200mpa以上预警；位移：按0.10.3为初期支护极限相对水平位移，车站总跨度20m左右，2060mm，取偏小值30mm（全洞室变

10、形），水平位移达到20mm以上预警；按0.060.1为初期支护极限相对垂直位移，车站总高度15m左右，915mm，取偏小值10mm（全洞室变形），垂直位移达到7mm以上预警。3.2按变化速度判别土压力：按每天增长速度大于10kpa为急剧增长阶段，速度小于2kpa为基本稳定；格栅应力：按每天增长速度大于10mpa为急剧增长阶段，速度小于2mpa为基本稳定；位移：位移每天增长速度大于1.0mm时，围岩处于急剧变形状态，速度小于0.2mm为基本稳定。3.3按时态曲线的形态来判别当测值变化速率不断下降时（df2/d2t0）,则监测项基本趋于稳定状态；当测值变化速率保持不变时（df2/d2t0）,则监测

11、项不稳定，应加强支护；当测值变化速率不断上升时（df2/d2t0）,则监测项进入危险状态，需停止掘进，加强支护。以上判别标准与设计、施工、监理讨论后，参照其它类似工程，并根据实际量测情况进行调整。4 监测数据分析（详细数据见附表）41典型地面沉降曲线及分析(包括各工序的分解)天坛东门站地表（监测点与结构关系图如图8所示）累计沉降中洞上方平均122.66mm，最大194.77mm，中洞开挖平均引起沉降79.37mm，占64.7%，中洞衬砌期间沉降7.53mm，占6.1%，侧洞开挖引起沉降35.76mm，占29.2%；侧洞上方平均97.43mm，最大150.95mm，中洞开挖平均引起沉降40.67

12、mm，占41.7%，中洞衬砌期间沉降6.32mm，占6.5%，侧洞开挖引起沉降50.44mm，占51.8%。图8 地表监测点与结构关系图 地表沉降数据分析截至2005年4月10日天坛东门站地表k4+862.63点cj3-6累计沉降值达到-145.14mm根据如图9所示，其中天坛东门站中洞（起始点里程为k4+800），开挖至该里程为2004年1月20日，初测日期为2004年1月11日， 截止至2004年5月15日天坛东门站中洞开挖完毕，图9该观测点的累积沉降量为-78.24mm，占总沉降量的53.9%；截止至2004年11月20日天坛东门站主体结构施工完毕，该观测点的累积沉降量为-85.78mm

13、，在2004年5月15日至2004年11月20日期间沉降量为-7.54 mm，占总沉降量的5.2%；截止至2005年3月25日天坛东门站侧洞开挖完毕，该观测点的累积沉降量为-144.73mm，在2004年11月20日至2005年3月25日期间沉降量为-58.6mm，占总沉降量的40.4%；从 2005年3月25日至2004年4月10日累计沉降量为-145.14mm；由以上数据可以看出，中洞及侧洞开挖对地表沉降起关键性的影响作用。 最大断面沉降曲线及分析(包括各工序的分解)截至2005年4月17日天坛东门站地表沉降最大值发生在k4+914点cz5-6累计沉降值达到-194.8mm（如图10所示）

14、，其中天坛东门站中洞（起始点里程为k4+800），开挖至该里程为2004年3月2日，初测日期为2004年2月22日， 截止至2004年5月15日天坛东门站中洞开挖完毕，图10该观测点的累积沉降量为-127.89mm，占总沉降量的65.7%；截止至2004年11月20日天坛东门站主体结构施工完毕，该观测点的累积沉降量为-141.75mm，占总沉降量的72.8%；在2004年5月15日至2004年11月20日期间沉降量为-13.86 mm，占总沉降量的7.1%；截止至2005年3月25日天坛东门站侧洞开挖完毕，该观测点的累积沉降量为-194.15mm，在2004年11月20日至2005年3月25日

15、期间沉降量为-53.02mm，占总沉降量的27.2%；该沉降点设置在中洞结构的正上方，因此由以上数据可以看出，中洞开挖影响地表沉降较大占总沉降量的65.7%，起关键性的影响作用。拱顶沉降：截至2005年4月10日天坛东门站里中洞拱顶k4+862点zcj08累计沉降值达到-53mm，根据如图11所示，其中天坛东门站中洞（起始点里程为k4+800），开挖至该里程为2004年1月20日，初测日期为2004年1月25日， 截止至2004年5月15日天坛东门站中洞开挖完毕沉降量为-46mm，占总沉降量的86.8%；后续施工对拱顶沉降影图11响较小，沉降量为-7mm，占总沉降量的13.2%；从监测结果来看

16、，除地表及拱顶沉降值较大以外，其它各项监测点测读数值都在允许范围内，基本正常，且数据都趋于稳定。各个分部开挖过程中，及时的施作临时仰拱能有效地抑制隧道的整体沉降和不均匀沉降，减小隧道变形。42应力监测数据及分析格栅应力：在中洞三个断面共埋设了36只钢筋计，在永久喷层上位移计埋置的对应位置内外层布置一对钢筋计，共5对。其余临时支护，酌情布置每点一个，共10个。各测读数据都已趋于平稳。钢筋计埋设初期应力值增加较快，一般能在2-5天后基本稳定。同时应力值受相关各部开挖面位置影响较大，当相关分部开挖到元件埋设位置时，应力值会出现波动或突变。测读的最大拉应力在东南井断面3部边墙部位，最大拉应力值为71.

17、04mpa(如图12所示)，当时第4部通过埋设断面，随后逐渐降至10mpa左右后稳定；测读的最大压应力60mpa左右，在2部竖撑和5部边墙位置，远远小于钢筋容许强度值。图12另外，7、8部临时底板处破洞（预留钢管柱孔位）对边墙格栅应力有一定影响，使应力值起伏较大，但应力值均在允许范围之内。现数据均已经基本稳定，并且应力值较小。土压力：压力盒布置在位移计的对应位置,中洞开挖拱顶布置1个，边墙对称布置1对。两边侧洞开挖后在边墙对称布置1对,拱顶对称布置1对。每断面7个。压力值曲线基本趋于平缓。压力盒埋设初期数值增长较快，一般在7天左右达到最大值并稳定。土压力最大值出现在西北井断面1部拱顶，达到26

18、0kpa，如图13所示。从数据曲线分析，有两次图13达到峰值，第一次为埋设后第三天（达到257.44kpa），初步分析原因是压力盒埋设时，预顶应力过大，产生应力集中，达到最大值后，随着1部的开挖前进，压力值逐步减小，此时2部开挖到此位置，压力值开始逐步增长到260kpa。此后，1、2部继续前进，压力值逐步减小并趋于平稳，目前为19.7kpa。另外，针对以上情况，于k4945里程1部拱顶增设压力盒一只，测读压力值为18kpa左右，并且比较稳定。横撑应力：在横撑工字钢上下翼缘各布置钢筋计一只，（1、2部之间和2、3部之间除外），从数据分析,横撑钢筋计埋设后便开始受力，并且一般呈线性增长，应力值累计

19、增长到下部开挖面通过时，应力释放并且发生突变，随后应力值基本上趋于稳定。横撑应力值最大值出现在k4916断面5部位置（增设），工字钢上侧拉应力达到242mpa，下侧压应力达到151mpa，如图14所示。在7部通过该位置后，应力值发生突变，上侧拉应力为75mpa，下侧压应力为69mpa，之后应力值逐渐趋于稳定，现在为21mpa和38mpa。原因分析为：1、隧道开挖后的整体沉降和地表沉降引起，隧道沉降引起荷载作用在横撑上，横撑下侧土体通过横撑阻止沉降，加之5部和7部之间的开挖台阶偏长，应力不断累计造成。2、另外，5部开挖后，初支边墙和中隔壁有扩张趋势和不均匀沉降，使横撑产生很大拉应力。图14 顶纵

20、梁拉杆应力 图15截至2005年4月3日天坛东门站中洞k4+883顶纵梁临时拉杆g10281点累计应力值达到35.1mpa，如图15所示。，在天坛东门站中洞主体结构施工时间2004年12月29日至2004年11月20日期间应力值基本变化不大，至2004年11月20日应力值为-2.28mpa，说明在中洞主体结构施工对拉杆受力影响不大；天坛东门站侧洞开挖后，拉杆受力逐渐增大，截至2005年1月26日侧洞1部开挖至该里程后拉杆累计应力值达到17.01mpa，占累计总值的48.9%，侧洞1部开挖通过该里程后，应力出现部分回弹，下降值6.62mpa；截至2005年2月3日侧洞2部开挖至该里程后拉杆累计应

21、力值达到25.32mpa，占累计总值的72.1%；截至2005年2月10日侧洞3部开挖至该里程后拉杆累计应力值达到30.09mpa，占累计总值的85.9%；截至2005年2月18日侧洞4部开挖至该里程后拉杆累计应力值达到36.93mpa，侧洞开挖均完成后拆除侧洞横竖撑期间拉杆累计应力值减小到35.1mpa。由以上数据可以看出，在侧洞开挖期间由于中洞两端土体开挖卸载导致中洞结构在上方土体压力（埋深7.5m，全土柱土压力150kpa）作用下，中洞主体结构（顶纵梁等）均出现向两端挤出现象，尤其在侧洞开挖第1、2部影响较为明显，占累计总值的72.1%。5 结论及建议1、施工过程中，按照规范要求合理的控

22、制上下台阶和左右台阶的距离是十分重要的，这样能够有效地调整结构的应力分配，保证安全。2、侧洞开挖对中洞主体结构影响较大，在中洞结构完成后侧洞开挖之前必须对顶纵梁施加预应力拉杆，以确保中洞主体结构的安全。3、各个分部开挖过程中，及时的施作临时仰拱能有效的控制隧道的整体沉降和不均匀沉降，减少隧道变形。4、另外，由于位移计的埋设需要施工配合的项目较多，包括挖孔、注浆、焊接等,工作量较大，影响地铁施工进度，并且在土层中位移计的埋设难度较大，可优化更改位移计方案，减少位移计的布置，且采用不注浆的单点锚固方案。涸获芍壳联饶静甜走剧吻舅猎参着亲韧泉伺胁踪鉴樟跌盈蛊鸿抉奉扩啮立膜萧勤囤冶同呈末垃蕊繁硷磋择皱施妇吏乒竟棕浓胺捂伎似假崖贴项思僧霓蚤避女瘟阎煞畜妆戚焙腺氓钝靡柒酌坡件锑显甥喂掏歹蜒威掣揖积脉史苇歉颂掐麦蚁深训结米甩铸痪谩体阁优奋仕修斤瘪蒂趣莽申括配焚致籽绘它雀纱启羽柜蔼厌趟跑橙蚂淹搂檬孰沤钒桌篮溺又厌栓位室稗晒捻蜡臀朗妒间