城市地铁与轻轨工程（第二版）课件：信息化施工监测

信息化施工监测

第一节信息化施工监测的设计原理主要内容

第二节浅埋暗挖法施工监测第三节盾构法施工监测第四节明挖法施工监测第一节信息化施工监测的设计原理隧道坍塌事故：第一节信息化施工监测的设计原理第一节信息化施工监测的设计原理第一节信息化施工监测的设计原理第一节信息化施工监测的设计原理湖北宜万铁路隧道口坍塌现场第一节信息化施工监测的设计原理我们应该怎么来控制事故的发生，减少损失？信息化施工监测第一节信息化施工监测的设计原理两种不同环境下施工监测的异同：城市地下工程施工监测铁路或公路山岭隧道施工监测只需对施工期隧道自身的安全进行监控量测，并通过监测数据调整设计和施工参数除了对地下工程的安全性进行监测之外，由于轨道交通网通常是从闹市区通过，施工区周围的既有建筑物密集，新建地铁的施工还必须保证这些既有建筑物的安全和正常使用第一节信息化施工监测的设计原理城市地下工程施工对周围环境的影响

：城市地下工程施工不当的后果

严重的会造成既有建筑物不均匀沉降、开裂甚至倒塌，并造成人员伤亡；施工对地下管线的影响，由于变形过大，会造成煤气泄漏、爆炸，水管爆裂，电缆断裂造成停电和通信中断等事故，严重危及人民生命财产的安全第一节信息化施工监测的设计原理城市轨道交通地下工程的施工监测设计原理：

主要是通过现场测试获得关于结构稳定性和支护系统工作状况，以及对周围环境影响的数据，然后根据监测数据，确定地下工程的设计和施工对策。这一过程可称为监控设计或信息化设计。监测设计要充分考虑近地建筑物的重要性、离施工区的距离以及地层特征、施工方法等因素

现阶段我国城市轨道交通地下工程的施工方法：浅埋暗挖法

盾构法

明挖法

第一节信息化施工监测的设计原理浅埋暗挖法施工监测浅埋暗挖法施工过程中，围岩（地层）的变形和松动可能传至地表，影响地表建筑物的安全监测设计除应对围岩（地层）和支护结构中产生的位移与应力变化等进行监测外，尚应对地表及地面建筑物、构筑物的变形进行观测第一节信息化施工监测的设计原理盾构法施工监测不论采用何种开挖方式，都会使开挖面附近地层的应力状态发生变化，即使是采用密闭式盾构，如泥水盾构、土压平衡盾构，亦会因开挖面的不稳定导致过大的地表沉降

监测设计除根据需要对衬砌环、土层进行应力、变形选测外，更主要的是应对隧道隆陷、地表沉降进行监测盾构法常应用于自立性较差的地层中，尤其适用于自立性差、流动性高的软弱地层和淤泥质地层中第一节信息化施工监测的设计原理明挖法施工

明挖法施工监测旨在基坑开挖施工过程中，借助一些仪器设备和手段对围护结构、周围环境（土体、建筑物、道路、地下管线等）的应力、位移、倾斜、沉降、开裂及地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测监测结果判断现行施工方案的合理性预测下阶段施工过程中可能出现的新动态对后期开挖方案与开挖步骤提出建议第二节浅埋暗挖法施工监测一、监测目的和监测项目目的

⑴验证支护设计的效果，保证围岩稳定和施工安全。

⑵确保近地建筑物的安全。⑶积累监测数据，为今后同类工程的设计与施工提供工程类比的依据监测项目通常分为应测项目和选测项目

应测项目是指施工时必须进行的常规测量，用来判别围岩稳定和支护衬砌受力状态，指导设计施工的经常性量测。选测项目是指在重点和有特殊意义的隧道或区段进行的补充量测，主要包括周岩内部位移、锚杆轴力和拉拔力、衬砌内力、围岩压力等

第二节浅埋暗挖法施工监测二、监测手段

选择监测手段，应尽量考虑测试方法简单易行，能直接反映围岩与支护衬砌的受力状态，量测仪表和元件性能可靠，量测精度能满足要求，数据易于处理和反馈等因素。分类 1.位移监测2.围岩压力监测3.围岩和支护衬砌应变（应力）量测第二节浅埋暗挖法施工监测1.位移监测⑴水准量测⑵收敛计（净空位移计）⑶激光断面测试仪⑷位移计（钻孔伸长计）第二节浅埋暗挖法施工监测⑴水准量测

在软弱围岩条件下或浅埋隧道中，可以用水平仪量测隧道拱顶或地表面铅垂方向的位移，用普通水平仪量测地表沉降，精度可达2～4mm。在洞内，与悬挂钢尺配合量测拱顶下沉，精度达1mm，若采用精密水准仪，则可达到更高的精度⑵收敛计（净空位移计）

隧道开挖所引起的围岩变形，最直观的表现就是隧道净空的变化，量测隧道净空变化的仪器称为收敛计QJ-81型球铰弹簧式收敛计

按钢尺或铟钢尺的张拉设备不同，可分为重锤式、弹簧式和电动式三种。现多采用弹簧式收敛计，量测时用百分表测读隧道周边两点间的相对位移值，精度一般在0.1mm。图为弹簧式收敛计

第二节浅埋暗挖法施工监测⑶激光断面测试仪

激光断面测试仪的测量原理为极坐标法，如图12-2所示，以某物理方向（如水平方向）为起算方向，按一定间距（角度或距离）一一测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线交点之间的矢径（距离）及该矢径与水平方向的夹角，将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线，并通过计算软件的协助，自动形成实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线的空间三维匹配，如图12-3所示，同时输出各测点与相应设计开挖轮廓线之间的超欠挖值（距离、面积等）。图12-3激光断面仪输出的图形效果

图12-2激光断面仪测量原理

激光断面测试仪不仅可以用于开挖质量的控制，还可以用于初期支护（喷射混凝土）和二次衬砌断面轮廓线和厚度的检测第二节浅埋暗挖法施工监测⑷位移计（钻孔伸长计）位移计用于监测围岩内部径向变形，判断开挖后围岩松弛区的范围，以确定锚杆长度。图12-4单点位移计装置图图12-5两点杆式移计装置图1-砂浆；2-锚杆体；3-连接杆；4-固定环；5-测头；6-外壳；7-定位器；8-测环；9-百分表第二节浅埋暗挖法施工监测2.围岩压力监测⑴钢弦式压力盒⑵液压式压力盒[格鲁塞尔（G1ozel）压力盒]

（1)钢弦在某一应力状态下的自振频率极其稳定，利用自振频率和应力的对应关系，计算压力盒所受到的围岩压力。采用这种传感器简单可靠，性能稳定，密封防水，也便于远距离和长期观察。

（2）液压式压力盒装置如图12-6所示。当压力盒受围岩压力P作用后，盒内的油将压力传到平衡室的金属薄膜上，量测时，微型油泵使进油管逐步升高油压Ps，当Ps稳定在某一数值时，Ps=P为欲量测的压力图12-6液压式压力盒1-金属薄膜；2-压力平衡室；3-进油管；4-回油管；5-排气管；6-压力油管；7-压力盒；8-压力油腔；9-压力表：10-接头第二节浅埋暗挖法施工监测3.围岩和支护衬砌应变（应力）量测

在围岩中钻孔，将应变（应力）计埋入孔中，再向孔中灌注水泥砂浆，或将应变计埋入支护衬砌内，测出应变值便可掌握围岩和支护衬砌的应变（应力）状态。常用的应变计有钢弦式、差动电阻式和电阻式测杆，其使用方法可参考有关资料。三、测点布置原则与监测频率1.监测断面和测点的布置2.监测频率和时间的确定第二节浅埋暗挖法施工监测1.监测断面和测点的布置⑴洞内收敛和拱顶下沉监测的测点，原则上应设在同一断面。

收敛和拱顶下沉监测断面布置

隧道情况监测断面间距（m）洞口附近或埋深小于2B10长隧道开始施工的200m地段20～30一般情况30～50注：1.土、软岩或重要工程取低值。

2.表中B为隧道开挖宽度。

第二节浅埋暗挖法施工监测拱顶下沉设1～3个测点，原则上设在拱顶。收敛监测的基线视围岩条件选择1线、2线、3线，最多可达6线，如图12-7所示图12-7净空位移监测的测线布置示意图第二节浅埋暗挖法施工监测⑵对土、软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉监测

地表沉降测点布置

表12-3覆盖层厚度断面间距（m）H>2B20～502B>H>B10～20H<B5～10注：表中H为隧道顶部覆盖层厚度，B为隧道开挖宽度。

为掌握地表沉降范围，测点除设在隧道中线上外，还可在与隧道中线垂直的横断面上布置测点。测点间距一般为2～5m，必要时，加密测点，第二节浅埋暗挖法施工监测⑶围岩内部变形可设置单点或多点位移计进行监测（一般情况下，每100～500m设一监测断面，每个断面设3～15个测点

）

（4）围岩压力、支护衬砌间压力以及支护、衬砌应力等选测项目，根据需要选用部分项目，断面间距一般为100～500m，每个断面可布置5～20个测点

第二节浅埋暗挖法施工监测四、监测数据的处理和围岩稳定性判断

由于使用的监测仪器存在缺陷，以及外部环境变化、人为等因素的影响，故监测所得到的数据具有离散性。为了检验监测结果的可靠性，了解围岩应力大小、变形规律和稳定性，应对监测数据进行回归分析。位移-时间曲线最能直接明确地反映围岩和支护衬砌受力状态随时间的变化情况，故多予采用

1.位移-时间曲线的选定2.围岩稳定性的判别第二节浅埋暗挖法施工监测五、工程实例

某地铁区间隧道工程，地下管道密布，地面南侧有高大建筑物，最大开挖宽度为14.2m，高度为10m，共有11种断面变化。隧道通过的地层主要为黏性砂类土和砾类土交互沉积而成，地下水水位位于结构以上，施工难度大。采用双眼镜法、中隔壁法、中洞法、下台阶法等多种施工方法。在施工中最直观的控制监测项目为地表沉降，采用城市二等水准测量控制精度，在隧道横断面上方的地表布设9个测点，纵向间距10～15m。当上台阶开挖接近测点时，地表开始下沉，并缓慢增加；当开挖面通过观测点时，地表沉降加速，当下台阶掌子面通过时，地表沉降会发生骤增现象；当开挖通过测点断面一定距离时，洞内已喷护完毕，下沉速度减慢。如图12-9所示，通过回归分析，这段后期沉降变化符合曲线。

第二节浅埋暗挖法施工监测

通过对地表沉降点的观测，可以获得地表沉降槽的曲线，依此判断施工影响范围，图12-10是地表沉降曲线，其形状与正态分布曲线相近。洞内监测内容主要包括拱顶下沉、净空收敛及拱底上抬的量测。拱顶下沉和净空收敛监测布置在同一断面上，断面间距10～15m。各曲线如图12-11、图12-12和图12-13所示，数据表明周边位移量在初期支护封闭之前变化都较大，拱顶下沉量占总沉量的50%以上，说明需及时进行结构封闭；收敛变化规律符合曲线。

第二节浅埋暗挖法施工监测第二节浅埋暗挖法施工监测思考题：1.信息化施工监测有哪些重要的工程意义？常见的施工监测类型有哪些？2.浅埋暗挖施工监测的应测项目有哪些？相应的监测仪器有哪些？第三节盾构法施工监测

盾构推进引起的地层变形可以通过地表的横向和纵向沉降来分析。盾构施工引起地表的纵向沉降一般分四个阶段：前期变形，盾构通过时的沉降，盾尾与衬砌脱离后的变形，后续沉降类别监测项目测量工具测点布置量测频率必测项目地表隆陷水准仪

每30m设一断面，必要时，需加密掘进面前后<20m时测，1～2次／d；掘进面前后<50m时测，1次／2d;掘进面前后>50m时测，1次／周隧道隆陷水准仪、钢尺每5～l0m设一断面掘进面前后<20m时测，l～2次／d；掘进面前后<50m时测，1次／2d；掘进面前后>50m时测，1次／周土体内部位移（垂直和水平）

水准仪、磁环分层沉降仪、倾斜仪每30m设一断面掘进面前后<20m时测，1～2次／d；掘进面前后<50m时测，1次／2d；掘进面前后>50m时测，1次／周衬砌环内力和变形压力计和传感器每50～100m设一断面掘进面前后<20m时测，1～2次／d；掘进面前后<50m时测，1次／2d；掘进面前后>50m时测，1次／周土层压应力压力计和传感器每一代表性地段设一断面掘进面前后<20m时测，1～2次／d；掘进面前后<50m时测，1次／2d；掘进面前后>50m时测，1次／周

盾构掘进施工监控量测项目

第三节盾构法施工监测

在盾构的推进过程中，地层在三维空间中的移动如图12-14所示。地表垂直隧道轴线的横断面上的变形如图12-15所示，最大沉降发生在隧道顶部，沉降量和沉降槽的宽度随顶进过程而变化，并趋于稳定。盾构推进引起的沉降槽在地表面上产生的沉降等高线呈锥形，如图12-16所示。（a)黏土地层

（b）砂地层

图12-14空间地层移动概略图图12-15某盾构隧道地表横断面变位曲线图12-16地表沉降等高线(单位：m

第四节明挖法施工监测一、明挖法施工监测的内容和监测仪器1.明挖法监测的内容2.明挖法施工监测仪器⑴围护结构的安全监测⑵周边既有建筑物变形监测⑴水准仪和经纬仪⑵测斜仪

⑶深层沉降标⑷土压力盒⑸孔隙水压力计

⑹水位计

⑺钢筋应力计和测温计

⑻低应变动测仪和超声波无损检测仪

第四节明挖法施工监测二、围护结构的安全监测1.围护结构的水平位移监测2.围护结构的沉降监测3.围护结构的内力监测4.支撑系统的内力监测5.桩侧土压力监测6.基坑底部的隆起监测三、周边既有建筑物的变形监测1.周边建（构）筑物的沉降、倾斜和裂缝监测2.周边道路管线的变形监测第四节明挖法施工监测四、各监测项目测点布置原则及监测频率

基坑监测应按基坑等级、开挖步序和参数等确定监测项目、监测仪器、测点布置、监测频率等。监测项目选择原则见表12-5，测点布置原则见表12-6，监测频率制订原则见表12-7。基坑等级周边地下管线位移坑周地表沉降周围建筑物沉降周围建筑物倾斜墙体水平位移支撑轴力地下水位墙顶沉降立柱隆沉土压力孔隙水压力坑底隆起土体分层沉降一级√√√√√√√√√○○○○二级√√√√√√√○○○○○○三级√√√√√○○○○○○○○各级基坑工程监测项目选择表表12-5注：1.√为必测项目，○为选测项目，可按设计要求选择。

2.基坑等级的规定见本节基坑变形控制保护等级及监测项目的警戒值。第四节明挖法施工监测监测项目布设范围埋设深度地下管线位移参见周边既有建筑物的变形监测（本节之三）说明—建筑物沉降参见周边既有建筑物的变形监测（本节之三）说明—坑周地表沉降不小于2倍基坑开挖深度范围内—墙体水平位移每20~30m布设一个测斜孔为宜，并保证基坑每边上都有监测与围护墙体同深墙顶沉降与测斜孔同点；局部重要部位加密—立柱沉降沿基坑纵向每开挖段（约25m）1个—支撑轴力沿基坑纵向每2个开挖段（约50m）为一组，环境要求较高时，可适当加密—土压力按设计要求定按围护墙体深度埋设土压力传感器地下水位沿基坑长边至少布置2个，环境要求较高时，可适当加密不低于降水深度坑底隆起按设计要求定埋设深度宜为基坑开挖深度的2倍深层土体沉降按设计要求定埋设深度为基坑开挖深度的2倍监测点布置表表12-6

第四节明挖法施工监测现场监测时间间隔表（单位：d）表12-7基坑等级施工工况一级二级三级施工前377桩基施工127围护结构施工377开挖0～5m122开挖5～10m111开挖10～15m111开挖>15m，浇垫层0.50.51浇好垫层，浇好底板123浇好底板后7d内123浇好底板后7d~30d内2715浇好底板30d～180d715－注：1.本表宜用于制定坑周建（构）筑物变形、邻近管线变形、坑周地表沉降以及基坑挡墙水平位移的监测频率，对其余监测项目的监测频率，尚应根据设计要求和现场实际情况选定。

2.若施工中出现变形速率超过警戒值的情况，应进一步加强监测，缩短监测时间间隔，为改进施工和实施变形控制措施提供必要的实测数据。第四节明挖法施工监测五、基坑变形控制保护等级及监测项目的警戒值1.基坑变形控制保护等级的划分

为了保护周围环境，必须根据周围建（构）筑物和管线的允许变位，确定基坑开挖引起的地层位移及相应的围护结构的水平位移、周围地表沉降的允许值，以此作为基坑设计的控制标准。第四节明挖