监控设计法课件

历史使人明智；诗词使人灵秀；数学使人周密；自然哲学使人深刻；伦理使人庄重；逻辑辞学使人善辨。培根第十二章

监控设计法第十二章监控设计法§12.1监控设计原理原理：通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息（数据），再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计参数和施工对策。监控设计通常包括两个阶段，即施工前的预设计阶段和修正设计阶段。施工前的预设计，是在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上，应用工程类比法进行。

修正设计：根据现场监控量测所得到的信息进行理论解析与数值分析，对围岩与支护结构稳定性做出综合判断，得出最终合理的设计参数与施工对策。监控设计的主要环节包括：现场监测→数据处理→信息反馈三个方面。现场监测:制定监测方案

确定测试内容

选择测试手段

实施监测计划数据处理：原始数据的整理

明确数据处理的目的

选择处理方法

提出处理结果信息反馈：反馈方法：理论反馈和经验反馈反馈作用：修正设计和指导施工二、监测项目分为应测项目（1～4）和选测项目（5～11）⒈肉眼观察⒉岩体力学参数测试⒊应力应变测试⒋压力测试⒌位移测试⒍温度测试⒎物理探测三、现场量测计划

⒈量测项目的确定及量测手段的选择必测项目—A类量测选测项目—B类量测⒉量测断面的确定（量测间隔）单一测试断面综合测试断面测试间距

净空位移、拱顶下沉的测点间距条件量测断面间距（m)洞口附近10埋深小于2B10施工进展200m前30(土砂围岩减少到10m)施工进展200m后30(土砂围岩减少到20m)地表下沉测点布置注：①当施工初期、地质变化大、下沉量大、周围有建筑物时取低值。②表中B为隧道开挖宽度。覆盖层厚度H测点间距（m)H>2B20～2B>H>B10～20H<B5～10⑵围岩内部位移测孔的布置

⑶锚杆轴力量测的锚杆布置⑷喷层（衬砌）应力量测布置

⑸格栅（钢架）应力量测布置

⑹地表、地中沉降测点布置：软弱破碎围岩、覆盖层小、大跨度。测出扰动范围、最大沉陷量、地表沉陷倾斜程度。

§12.3量测数据的处理量测数据随时间的变化规律─时态曲线（时间效应）。量测数据变化速度随时间的变化规律。

量测数据与距离之间的关系曲线─空间效应

当隧道拱顶点及两侧边墙中点（或墙角附近）布置成闭合三角形收敛量测基线时，有：

令，则上式变为：

解上述方程组可得：

二、回归分析

㈠一元线性回归方程：

求回归系数a，b的方法有选点法、图解法、平均法和最小二乘法等。最小二乘法原理：①观测值的改正数的代数和恒为零，即

②观测值的改正数之平方和为最小，即：

对于根据微分学中求解极限值的原理，要使上式达到最小值，则分别对回归系数a，b进行偏微分，求其偏微商并令其等于零，即：解上式得：

㈡一元非线性回归方程一元非线性回归分析步骤：选择能代表变量x与y之间内在关系的函数类型。求出变量x与y相关函数的未知量。经过剩余标准差分析，感到精度不够理想时，则可另选一种曲线函数按照上述步骤再进行重新分析。目前隧道工程中常用的一元非线性回归方程有：对数方程：，，

，

指数方程：，，

双曲线方程：，

幂函数：求解回归系数a、b的方法有：

⒈

化成直线型的变量代换法将一元非线性回归方程作适当的变量代换后，对新的变量作线性回归，然后再还原到原来的变量。例如对对数方程进行变量代换，设，则回归系数，当a求出后，对数方程即可确定。它的位移速率表达式为：令，作为衡量围岩与初期支护共同变形达到基本稳定时的标志，则达到值所需要的时间（收敛时间）为：例如：将取为自然对数：令，，，，则有，即为线性方程。

⒊单因素优选法原理：逐渐选取回归系数a、b值，用回归精度控制，当达到最高回归精度时，其相应的回归系数即为所求之值。

例：令，，则为线性方程

求解步骤为：①在方程u=f（a,b,t）中令（为初始值，可取任意值，一般取=1），并令，则u=f（，y），为线性方程。

②计算，则回归方程为u=f(,,t),回归精度（剩余标准离差）

③再令（为步长系数,可取（，，）计算，。④同理可求得，，，…，，，，…，，，，若其中，则相应的，即为所求之回归系数值。例2．某隧道初期支护后，采用单点杆式位移计测得隧道侧壁A点处随时间变化的绝对位移值如下表所示，现采用三种回归方程与所绘出的散点图进行拟合，计算结果为：

①对数方程，②指数方程,量测时间（d）2510203040506070测得的位移值u（mm）31017232425.526.52727.9③双曲线方程,

最佳回归方程为指数方程。对于一组量测数据进行回归分析时，通常选取几个（一般为三个）适当的回归方程与它拟合，对比要用相关系数r值来选取与散点图拟合得最佳的回归方程，即当相关系数r愈接近1时，回归效果最佳，回归方程与散点图的拟和程度也就愈好。相关系数r用下式计算：

§12.4信息反馈反馈方法：理论反馈法和经验反馈法一、理论反馈法根据现场量测信息，推求设计计算参数分为直接反馈法和间接反馈法

⒈直接反馈法─正算法①按工程类比法确定计算参数。②用理论解析法或数值分析法求解隧道周边的位移值。③计算值与实测值进行比较，当两者有差异时，应修正原先假定的计算参数，重复计算直至两者之差符合计算精度时为止。④采用最后的计算参数进行同样条件下隧道设计。⒉间接反馈法─逆算法根据隧道施工中量测到的隧道周边位移值，用数值分析方法来反算出主要的计算参数，并以此进行隧道支护结构的设计计算。①推算侧压力系数

假定地层为各向同性的线弹性介质量测信息：拱顶下沉量，侧壁中部水平位移利用弹性力学中带圆孔薄板的圆孔周边外径向位移计算公式有：

有：整理后有：而，代入即可求出，进而求当已知时，可求②推求弹性模量E─当、为已知时或

③假定初始地应力，，由实测的隧道周边量测的位移值，采用位移联图反分析法，推求及E值。

④采用地应力系数法求解三维空间状态下初始地应力值二、经验反馈法将量测的信息与判别准则进行比较。

⒈允许位移值

所谓允许位移值是指在工程的全过程中，在保证围岩不产生有害松动，地表不产生有害沉降（指浅埋隧道）条件下的最终位移量的数值范围。允许位移值，即变形预留量的控制标准。影响隧道周边位移量的大小的因素：

①原始地应力②开挖方法：全断面一次开挖比台阶法开挖最终位移量要小。

③开挖速度;特别是距离量测断面为2倍隧道直径范围内的开挖工作面，其开挖速度对量测断面处的最终位移值的影响最大，开挖速度快最终位移量小，反之则大。④支护时机：及时支护比延迟支护变形量小，反之则大⑤支护方式:预支护后再开挖可使最终位移量减少4倍，并使位移停止时间缩短。确定适宜的允许位移：应根据已建工程的工程类比初步确定出范围后，再根据现场量测结果的统计分析和工程实际情况进行修正。⒉位移变化速率

位移变化速率是用每天位移量来表示的。位移速率的收敛状态可表明隧道周边位移趋于稳定状态。《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》中规定：复合式衬砌中二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定并具备下列条件时施作：①隧道周边位移速率有明显减缓趋势②水平收敛（拱脚附近）速率小于0.2mm/d或拱顶位移速率小于0.15mm/d③施作二次衬砌前的收敛量已达到总收敛量的80％以上④初期支护表面没有再发展的明显裂缝⒊时间─位移曲线形态（位移加速度）①<0(曲线下凹），说明变形速率不断下降，这是围岩趋于稳定的标志。②=0,表明时态曲线直线上升，必须发生警告，及时加强支护。③>0(曲线上凹)，说明围岩正处于危险状态，须立即停工进行加固。⒋围岩内位移及松动区用多点位移计量测围岩内部位移，并绘制各位移计的围岩内位移图，由图即能确定围岩的松动范围，可与围岩最大允许松动区半径进行比较，同时也可复核锚杆的长度是否满足要求。⒌锚杆轴力根据日本工程隧道的实际调查，锚杆的受力有下列特点：①锚杆轴力超过屈服强度时，净空变位值一般超过50mm。②同一断面内，锚杆轴力最大值多数在拱部45°附近到起拱线之间的锚杆。③拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现压力的情况是不少的。⒍围岩压力围岩压力大，表明喷层受力大，这可能有两种情况：①围岩压力大但围岩变形量不大，表明支护刚度大，或者支护时机过早，尤其是仰拱的封底时间过早，需降低支护刚度或者延迟支护和仰拱封底时机，让原岩释放较多的压力。

②围岩压力大，且围岩变形量也很大，表明支护刚度小，此时应加强支护，以限制围岩变形。当测得的围岩压力很小但变形量很大时，则还应考虑是否会出现围岩失稳。⒎喷层应力喷层应力主要是指切向应力，因喷层径向应力不大。喷层应力大，可能由于支护不足，亦可能是仰拱封底过早。喷层应力反映喷层的安全度，设计者可调整喷层厚度。⒏地表下沉:下沉的影响范围和下沉值地表下沉曲线可用来表征浅埋隧道的稳定性，同时亦可用来表征对附近地表区已建建筑物的影响。横向地表下沉曲线如左右非对称，下沉值有显著不同时，多数是由于偏压地形、相邻隧道的影响以及滑坡等引起的。

三、反馈信息在设计、施工中的应用⒈评价围岩的稳定性用围岩的位移、位移速率及位移加速度的反馈信息进行评价。⒉评价围岩达到稳定的标准，确定最终支护时间及仰拱灌筑的时间。⒊调整施工方法与支护时机当测得的位移速率或位移量超过允许值时：⑴加强支护⑵调整施工方法①缩短台阶长度；②提前锚喷支护的时间；③提前仰拱封底时间；④对开挖面进行