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1 城市轨道交通 结构设计与施工 Structural Design and Construction in Urban Mass Transit 城市轨道与铁道工程系 周顺华 宫全美

2 本节主讲 宫全美 办 公 室 交通学院663 联系电话 电子邮箱 同济大学 城市轨道与铁道工程系 狄宏规

3 第十二章 信息化施工 监测技术

4 信息化施工控制方法及流程 施工监测方案的设计 监测数据的处理

5 一 信息化施工控制方法 及流程

6 1.1 信息化施工监测的必要性 城市地下工程的复杂性及其对场地和施工过程的依赖性, 以及对相邻环境影响的严重性, 使得工程界对地下工程的信息化设计和信息化施工方法日益重视 现场监测不仅作为确保实际施工安全可靠进行的必要和有效手段, 同时对验证原有设计方案或局部调整施工参数 积累数据 总结经验 改进或提高原有设计水平具有重要的现实意义 施工现场无线视频监控系统 盾构施工监测系统

7 1.2 信息化施工的控制方法及流程 现场施工 信息化施工的控制流程图 监控量测监测设计资料调研 所谓信息化施工方法是指, 在施工过程中布置监控测试系统, 从现场围岩 ( 或土体 ) 的开挖及支护过程中获得围岩 ( 或土体 ) 稳定性及支护设施的工作状态信息, 通过分析研究这些信息, 并反馈于施工决策和支持系统, 修正和确定 报送设计 监理单位 量测结果的微机信息处理系统量测结果的综合处理及反分析监测结果的综合评价 量测结果的形象化 具体化 经验类比 新的开挖方案的施工参数, 这个过程随 每次掘进开挖和支护的循环进行一次, 地层支护结构安全稳定性判断 理论分析 甲方 规范要求等 直至工程完工 地层 支护结构动态及现状分析说明 提交修正设计 施工建议 地下工程的信息化施工是以施工监测 力学计算以及经验方法相结合而建立的 地下工程特有的施工程序 ( 参见右图 ) NO 调整设计参数 改变施工方法或辅助施工措施 反馈设计施工是否改变设计 施工方法 YES 新设计施工方法

8 二 施工监测方案的设计

9 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况 包括工程简况 结构类型 施工方法 地质条件和水文条件等信息 便于在全面掌握工程特点以及施工技术难点的基础上 有针对性的 施工监测的目的 提出本工程的监测重点和关键 施工监测方案编制的依据 花桥站 光明路站 兆丰路站 安亭站 5 施工监测项目 监测方法 监测频率 ①1填土 ⑤3粉质粘土夹砂质粉土 监测的安全控制标准 ②3粘质粉土 ⑤3t砂质粉土 轨道交通11号线北段工程花桥段沿线地质剖面图 监测数据的分析和处理 监测工作的质量控制 同济大学 城市轨道与铁道工程系 ⑤1-2粉质粘土夹粘质粉土 ③淤泥质粉质粘土 ④3砂质粉土 ④1粉质粘土 ⑧1-2粉质粘土夹砂质粉土 ⑧2-1砂质粉土与粉质粘土互层 ⑨1粉砂夹粉质粘土 宫全美 ⑨2细砂

10 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况施工监测的目的施工监测方案编制的依据施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准监测数据的分析和处理监测工作的质量控制 为施工开展提供及时的反馈信息 1 获得整个工程信息化施工所必须的基础性 定量化数据 ; 2 获得地下结构及其相邻环境的变化趋势或受力状态 ; 3 验证原施工方案 ( 或设计方案 ) 的正确性 为施工方案或参数调整提供依据 1 调整施工参数或施工方案 ; 2 反演分析, 反算或校正材料参数和荷载 为类似工程的设计和施工水平提高积累经验 1 任何一个地下工程的实施可以看作是 1:1 的足尺试验 ; 2 监测所取得数据真实再现了结构与其周围环境在实际施工过程中的真实反应

11 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况 施工监测的目的施工监测方案编制的依据施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准监测数据的分析和处理 国家和地方的法律法规的要求 如计量法 测绘法等 现行规程和规范等 如国家标准的 国家一 二等水准测量规范 地下铁道设计规范 工程测量规范 建筑变形测量规范 地下铁道 轨道交通工程测量规范 等 ; 各种相关的地方性标准等, 如 上海地铁基坑工程施工规程 ( 试行 ) 上海市 基坑工程设计规程 等 国家和地方有关管线保护 管理 监督 检查的文件 通知等 本工程相关勘察 设计文件和资料以及会议精神 监测工作的承包合同 监测工作的质量控制

12 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况施工监测的目的施工监测方案编制的依据施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准监测数据的分析和处理监测工作的质量控制 浅埋暗挖法施工监测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 盾构法施工监测监测设计除根据需要对衬砌环 土层进行应力 变形选测外, 更主要的应对隧道隆陷 地表沉降进行监测 明挖法施工监测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 ( 构 ) 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 桩基打桩时对周围建筑挤土影响监测

13 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况 施工监测的目的施工监测方案编制的依据施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准 监测控制网的布置方法 1 水准控制网按照国家一等水准的技术要求执行 ; 2 平面控制控制网一般采用城市二级导线 监测点 ( 孔 ) 的设置方法 具体项目的测试方法监测点 ( 孔 ) 设置方法和测试方法应根据监测项目的不同而不同, 但总的原则是要保证后继监测工作的可靠 准确的前提下, 满足经济 高效的要求 监测数据的分析和处理 监测工作的质量控制

14 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况 施工监测的目的 施工监测方案编制的依据 施工监测项目 监测频率是指某一检测项目的监测时间间隔, 监测的常规频率的设置首先要满足相关技术规程的要求, 同时针对工程特点和施工参数合理选用 值得指出的是, 当监测数据揭示出工程可能出现工程风险时, 应加大监测频率, 直至跟踪监测或不间断监测 监测方法 监测频率 监测的安全控制标准 监测数据的分析和处理 应力控制标准 变形控制标准 1 变形的总量控制标准 2 变形速率的控制标准 监测工作的质量控制

15 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况 施工监测的目的 施工监测方案编制的依据 对于城市轨道交通的施工监测数据, 借鉴 铁路隧道喷锚构筑法技术规则 的 Ⅲ 级监测管理并配合位移速率作为监测管理基准, 将允许值的 2/3 作为警告值, 允许值的 1/3 作为基准值 警告值和允许值之间为警告范围, 实测值落在此范围, 应提出警告, 需商讨和采取施工对策, 预防最终位移值超限 ; 警告值和基准值之间为注意范围 ; 实测值落在基准值以下, 说明土建结构及周边土体是稳定的 施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准监测数据的分析和处理监测工作的质量控制 管理等级管理位移施工状态 Ⅲ U 0 < U nn 3 正常施工 Ⅱ U nn 3 U 0 2U nn 3 加强监测 Ⅰ U 0 > 2U nn 3 加强监测并采取相应工程措施 注 :U 0 是监测实测值,U nn 是监测警报值 当工程施工中出现下列情况之一时, 应立即停止施工, 采取措施处 理 :(1) 监测数据有不断增大的趋势 ;(2) 时态曲线长时间没有变缓的 趋势等 对于实测的监测数据应及时按照控制流程上报给相关单位, 以便于 各方及时的做出响应和应对措施

16 2.1 监测方案设计的主要内容 工程概况施工监测的目的施工监测方案编制的依据施工监测项目监测方法监测频率监测的安全控制标准监测数据的分析和处理监测工作的质量控制 技术标准 1 工程设计图纸及说明书 2 相应的设计标准 规范 3 相应的测量或量测规范及标准 4 施工合同中规定使用的有关技术标准或参数 管理标准 1 质量管理体系认证 (GB/T ,ISO9001:2000) 标准 质量 - 术语 (GB/T ) 国家权威部门的计量认证规定 企业主管部门有关质量工作的规定 2 本企业的质量管理制度及有关质量工作的规定 3 监测合同 4 监测方案

17 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 地下洞室的量测和实验内容不外乎下表所示的内容, 显然其量测的项目繁多, 很在实际工程中, 很难完全实现, 对于地下洞室的监测项目的设置通常按照具体工程的特点, 如工程规模 重要性程度 地质条件等来决定 地下隧道工程中的现场量测内容 分类地层基本参数结构基本参数地层结构性态参数周围环境状态参数 量测内容 岩体各种强度指标 岩体物力特性 岩体弹性参数 ( 弹性模量 变形模量 泊松比 ) 地层抗力系数 岩体应力等 混凝土 ( 含喷射混凝土 ) 的强度 混凝土的弹性参数 ( 变形模量 泊松比 ) 混凝土和岩面之间的粘结力 砂浆锚杆参数 ( 砂浆强度 粘结力 锚固力 ) 砂浆的灌满性等 内应力或内应变 ( 混凝土 喷射混凝土 钢筋 锚杆等 ) 支护结构的洞周收敛位移 围岩松弛带 支护结构和围岩的接触应力等 地表沉降 周围建构筑物的变形 爆破振动等

18 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 以浅埋暗挖法施工的城市地铁区间隧道, 地表沉降是判断周围地层稳定性的一个重要指标 由于地表沉降的监测简单, 监测结果能反映地下工程施工过程中隧洞周围地层岩土介质变 形的全过程, 因而地表沉降监测是浅埋暗挖法的一个主要量测项目, 这种量测的重要性随 着隧道的埋深变浅而加大, 如下表所示 地表沉降监测的重要性 隧道埋深 监测的重要性 监测与否 3D<h 小 不必要 2D<h 3D 一般 最好监测一下 D<h 2D 重要 必须进行监测 h<d 非常重要 必须列为主要监测项目

19 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 隧道施工之前, 应根据隧道埋深 地质情况 地面环境 开挖断面和施工方法等综合确定监测项目 监测项目通常分为应测项目和选测项目 下表为根据工程经验提出的监测项目和监测频率, 可供拟定监测方案参考 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 这类监测方法简单 可靠, 对修改设计和指导施工起很大作用 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 这类监测技术较复杂, 费用较高, 通常根据实际需要, 选取部分项目进行量测

20 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 浅埋暗挖法的监测项目和监测频率 (B 为隧道开挖跨度 ) 类别监测项目监测仪器和工具测点布置监测频率 围岩及支护状态 地质描述及拱架支护状态观察 每一开挖环 开挖后立即进行 地表 地面建筑 地下管线及构筑物变化 水准仪和水平尺 每 10~50m 一个断面, 每断面 7~11 个测点 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 应测项目 拱顶下沉 周边净空收敛位移 水准仪 钢尺等 收敛计 每 5~30m 一个断面, 每断面 2~3 个测点 每 5~100m 一个断面, 每断面 2~3 个测点 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 岩体爆破地面质点振动速度和噪声 声波仪及测振仪等 质点振动速度根据结构要求设点, 噪声根据规定的测距设置 随爆破及时进行

21 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 浅埋暗挖法的监测项目和监测频率 (B 为隧道开挖跨度 ) 类别监测项目监测仪器和工具测点布置监测频率 围岩内部位移 地面钻孔安放位移计 测斜仪等 取代表性地段设一断面, 每断面 2~3 个测点 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d, 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 选测项目 围岩压力及支护间应力 钢筋格栅拱架内力及外力 初期支护 二次衬砌内应力及表面应力 压力传感器 支柱压力计或其它测力计 混凝土内应变计及应力计 每代表性地段设一断面, 每断面 15~20 个测点 每 10~30 榀钢拱架设一对测力计 每代表性地段设一断面, 每断面 11 个测点 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周 锚杆内力 抗拔及表面应力 锚杆测力计及拉拔器 必要时进行 开挖面距量测断面前后 <2B 时 1~2 次 /d 开挖面距量测断面前后 <5B 时 1 次 /2d 开挖面距量测断面前后 >5B 时 1 次 / 周

22 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 对于洞内收敛和拱顶下沉监测测点, 原则上应设在同一断面, 监测断面间距视隧道长度 地质条件 施工方法等确定, 一般可参考下表选用 在施工初期, 为掌握围岩变化动态, 要缩小间距, 待取得一定数据后可适当加大 拱顶下沉测点 1~3 个, 原则上设在拱顶 收敛位移监测的可按照十字形 三角形和交叉型等方式布置, 如下图所示, 其中十字形适用于底部施工已经基本完成的隧洞, 三角形布置的量测数据易校核, 是现场采用较多的布置方式, 交叉型布置适宜隧洞顶部有施工设备的隧洞, 对大断面隧洞, 可采用多个三角形交叉布置形式 收敛和拱顶下沉监测断面布置 隧道情况 监测断面间距 (m) 收敛位移监测布置图式 洞口附近或埋深小于 2B 10 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

23 2.2 施工监测项目及技术要求 浅埋暗挖法施工监测 对土 软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉监测 断面间距可视地质条件 覆盖层厚度 施工方法及周围建筑物情况定, 一般情况下可参考下表选用 为掌握地表沉降范围, 测点除设在隧道中线上外, 可在与隧道中线垂直的横断面上布置测点, 测点间距一般 2~5m, 必要时加密测点, 见下图 地表沉降点布置 地表沉降测点在横断面上的布置 覆盖层厚度 断面间距 (m) H>2B 20~50 2B>H>B 10~20 H<B 5~10 注 : 表中 B 为隧道开挖宽度

24 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 盾构法常应用于自立性较差的地层中, 尤其适用于自立性 流动性高的软弱地层和淤泥质地层中 监测设计除根据需要对衬砌环 土层进行应力 变形监测外, 更主要的应对隧道隆陷 地表沉降进行监测 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 在盾构推进过程中, 地层在三维空间中的移动如下图 1 所示 地表垂直隧道轴线的横断面上的变形如下图 2 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成锥形, 如下图 3 所示, 锥尖顺着盾构推进方向, 随着盾构的推进, 锥形沉降等高线向前扩展

25 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 图 1 地表沉降测点在横断面上的布置 图 2 某盾构隧道地表横断面变位曲线 图 3 地表沉降等高线

26 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 在盾构推进时, 不但会引起地表的沉降或隆起, 还会因盾构正面推力造成地层的水平变位 图 (a) 为隧道周围土体的横向水平变位图, 图 (b) 为沿盾构轴线剖面上土体的水平变位图, 从图中可以看出, 近盾构处水平变位较大, 越往前, 水平变位越小, 形成盆形影响区域 (a) 盾构周围土体的横向位移 (b) 盾构轴线剖面上的土体水平位移

27 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 盾构法施工时的量测内容不外乎下表所示的内容, 其量测的项目繁多, 在实际工程中通常根据工程规模 重要性程度 地质条件等因素选取其中部分监测项目来进行 监测对象监测类型监测项目监测元件与仪器 (1) 隧道结构内部收敛收敛计, 巴塞特系统 隧道结构 结构变形 结构外力 结构内力 (2) 隧道 衬砌环沉降 水准仪, 全站仪 (3) 隧道洞室三维位移 全站仪 (4) 管片接缝张开度 测微计 (5) 隧道外侧水土压力 压力盒 频率计 (6) 隧道外侧水压力 孔隙水压力计 频率计 (7) 轴向力 弯矩 钢筋应力计或应变计 频率计 (8) 螺栓锚固力 锚杆轴力计, 频率计

28 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 监测对象监测类型监测项目监测元件与仪器 (1) 地表沉降水准仪 地层 沉降 水平位移 水土压力 地面建 ( 构 ) 筑物, 地下管线, 铁路 道路等 (2) 分层土体沉降 分层沉降仪 频率计 (3) 盾构底部土体回弹 深层回弹桩 水准仪 (4) 地表水平位移 经纬仪 (5) 深层土体水平位移 测斜管, 测斜仪 (6) 水土压力 ( 侧 前面 ) 土压力盒 频率计 (7) 地下水位 水位井 标尺 (8) 孔隙水压 孔隙水压力计 频率计 (1) 沉降 水准仪 (2) 水平位移 经纬仪 (3) 倾斜 经纬仪 (4) 建 ( 构 ) 筑物裂缝 裂缝计

29 2.2 施工监测项目及技术要求 盾构法施工监测 下表是根据工程经验确定的监测项目和检测频率, 可供制定监测方案时参考 类别监测项目测量工具测点布置量测频率 应测项目 地表隆陷 隧道隆陷 水准仪 水准仪 钢尺 每 30m 设 断面, 必要时需加密 每 5~10m 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 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 选测项日 土体内部位移 ( 垂直和水平 ) 衬砌环内力和变形 土层压应力 水准仪 磁环分层沉降仪 倾斜仪 压力计和传感器 压力计和传感器 每 30m 设一断面 每 50~100m 设 断面 每一代表性地段设一断面 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 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 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

30 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测 对于城市轨道交通的地下车站, 通常为一个矩形基坑, 目前国内采用的主要施工方法为明挖法 基坑工程的施工监测内容包括围护结构自身的安全监测以及周围相邻环境的安全监测两个部分, 由于车站基坑通常位于城区, 周围的既有建构筑物 ( 如房屋 管线 道路等 ) 较多, 因此监测车站基坑施工对环境的影响十分重要 ; 下表列出了车站基坑工程的基本监测项目

31 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测 监测分类 监测对象 监测项目 监测元件与仪器 (1) 桩墙顶的水平位移和沉降 经纬仪 水准仪 围护桩墙 (2) 桩墙的深层水平位移测斜仪 (3) 桩墙内力钢筋应力 ( 应变 ) 计 频率计 基坑围护结构安全监测 圈梁 围檩 支撑 (4) 桩墙水土压力压力盒 孔隙水压力计 频率计 (5) 内力钢筋应力 ( 应变 ) 计 频率计 (6) 水平位移经纬仪 (7) 轴向力 钢筋应力计或应变计 轴力计 频率计 立柱 (8) 沉降水准仪 坑底土体 (9) 隆起水准仪或分层沉降仪 坑内地下水位 (10) 水位变化观测井 水位计

32 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测 监测分类监测对象监测项目监测元件与仪器 周围环境安全监测 相邻地层 坑外地下水位 相邻房屋 地下管线 (1) 地表沉降 水准仪 (2) 分层土体沉降 分层沉降仪 频率计 (3) 潜水水位 水位管 水位计 (4) 分层水压 孔隙水压力计 频率计 (5) 沉降 水准仪 (6) 倾斜 经纬仪 (7) 建 ( 构 ) 筑物裂缝 裂缝计 (8) 沉降 水准仪 (9) 位移 经纬仪或全站仪 道路 (10) 沉降水准仪

33 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测 近年来颁布实施的基坑工程设计施工规程一般都是按照破坏后果和工程复杂程度将基坑划分为若干个等级, 由工程所属的等级来要求和选择相应的监测内容 以上海地区地铁基坑工程为例, 根据基坑工程的重要性, 一般将基坑工程分为三级, 符合下列情况之一时, 属于一级基坑工程 : 围护结构作为主体结构的一部分时 ; 基坑开挖深度大于 等于 10m 时 ; 距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物 近代优秀建筑 重要管线等需要严加保护时 开挖深度小于 7m, 且周围环境无特别要求时, 属三级基坑工程 除一级和三级以外的均属二级基坑工程 根据基坑等级按照表 1 选定监测项目, 其检测点位布置技术要求以及监测频率要求分别见表 2 及表 3

34 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测表 1 上海地铁各级基坑工程监测项目选择表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 注 :1 为必测项目, 为选测项目, 可按设计要求选择

35 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测表 2 上海地铁基坑监测点布置表 监测项目布设范围埋设深度 地下管线位移 建筑物沉降 坑周地表沉降 水平位移及沉降的监测点一般应设置在基坑边 2.5~3.0 倍开挖深度范围内, 水平位移监测点可更远一些 观测点位置和数量应根据管线种类 材质 直径 埋深 受开挖影响范围 管道接头形式和受力要求等布置, 对于刚性管道应能满足计算管道变形曲率的要求 观测点布置应根据建筑物结构形式 基础形式及各种建筑在不同沉降差下的反应 工程地质条件 开挖方案等因素综合考虑 一般应在建筑物角点 中点 沉降缝位置等处设置, 每栋建筑物观测点不少于 8 个 不小于 2 倍基坑开挖深度范围内 墙体水平位移每 20~30 米布设一个测斜孔为宜, 并保证基坑每边上都有监测点 与围护墙体同深 墙顶沉降 1. 与测斜孔同点 ;2. 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)1 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两倍 深层土体沉降按设计要求定埋设深度为基坑开挖深度两倍

36 2.2 施工监测项目及技术要求 明挖法施工监测 基坑等级施工工况 表 3 现场监测时间间隔表 一级二级三级 施工前至少测 2 次初值至少测 2 次初值至少测 2 次初值 桩基施工 3d 7d 7d 围护结构施工 1d 2d 7d 地基加固和降水 3d 7d 7d 开挖 0~5m 1d 2d 2d 开挖 5~10m 1d 1d 1d 开挖 10~15m 1d 1d 1d 开挖 >15m~ 浇垫层 0.5d 0.5d 1d 浇好垫层 ~ 浇好底板 1d 2d 3d 浇好底板后 7d 内 1d 2d 3d 浇好底板后 7d~30d 内 2d 7d 15d 浇好底板 30d~180d 7d 15d

37 2.3 施工监测的安全控制标准 浅埋暗挖法的结构安全控制标准 对于浅埋暗挖法施工的地下隧洞, 洞周岩土体的变形一般要经历变形加速度段 减速段和收敛段三个历程, 因此判断围岩稳定性的主要依据为围岩的变形量和变形速率 现场施工监测的安全控制标准主要为围岩的容许位移量和容许位移速率两个指标 容许位移量指在保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量条件下, 自隧洞开挖至变形稳定, 起拱线位置的隧道壁面间水平位移总量的最大允许值, 或拱顶最大允许下沉量 容许位移速率是指在保证隧洞不产生有害松动的条件下, 隧道壁面间水平位移速度的的最大允许值 容许位移速率目前尚没有统一的规定, 一般需要参照工程经验确定 容许位移值或位移速度值与地质条件 隧道埋深 断面尺寸及地表建筑物等因素有关, 事实上, 因每个工程的独特个性以及所在的地层条件迥异, 确定容许位移是个相当困难的事情 表 1 是国际上较为有名的弗朗克林警戒标准 表 2 是我国国家标准 锚杆喷射混凝土支护技术规范 关于洞周容许收敛量的规定 对于城市隧道通过建筑物群时, 一般要求地表下沉量不超过 5~10mm

38 2.3 施工监测的安全控制标准 浅埋暗挖法的结构安全控制标准 表 1 富兰克林警戒标准 等级 标准 措施 三级警戒 任意测点的位移大于 10mm 报告管理人员 二级警戒 一级警戒 两个相邻点的位移均大于 15mm, 或任一测点的位移速率大于 15mm/ 月 位移大于 15mm, 且各处测点的位移均在加速 写出书面报告及建议, 召开相关各方会议 主管工程师到现场调研, 并召开现场会议确定应急措施 表 2 洞周容许相对收敛量 (%) 隧道埋深 (m) <50 50~ ~500 Ⅲ 0.1~ ~ ~1.2 围岩类别 Ⅳ 0.15~ ~ ~2.0 Ⅴ 0.2~ ~ ~3.0

39 2.3 施工监测的安全控制标准 盾构法施工的结构安全控制标准 盾构法施工由于适应的地层范围较广, 施工及机械化程度较高, 其结构安全主要由隧道收敛位移 ( 或拱顶下沉 ) 管片应力和预制管片凹凸接缝处法向应力( 或螺栓锚固力 ) 等控制, 根据上海地区的经验, 单线盾构隧道的拱顶下沉量一般控制在 27mm, 变形速率控制在 3mm/d, 上述各应力量测部位所测得的应力值不超过设计许用应力

40 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 围护结构的变形控制标准 当基坑土方开挖过程中, 围护结构的桩墙 ( 如复合式围护结构 地下连续墙等 ) 的变形形态 大体为下图所示 a 基坑开挖较深时的变形形态 b 基坑开挖较浅( 或插入比较大 ) 时的变形形态不同基坑深度条件下基坑地下连续墙的变形形态

41 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 围护结构的变形控制标准上海在总结大量工程实践经验的基础上, 依据周围环境的具体条件, 把基坑的保护等级分为三级 基坑工程设计规程 提出了表 1 的围护结构变形控制标准, 该标准三级基坑的围护墙变形按照二级基坑的标准进行控制, 同时其变形控制标准和基坑的开挖深度无关, 体现出该标准一定的局限性 针对轨道交通基础设施, 尤其是地下车站的建设实际, 上海市市政工程管理局提出了地铁基坑的变形控制标准, 参见表 2, 该标准围护结构的变形控制标准与基坑的开挖深度有关 基坑等级 上海市基坑规程确定的围护体变形控制标准 设计值 /cm 墙顶位移 监控值 /cm 变形速率 /cm.d -1 设计值 /cm 墙体最大位移位移 /cm 监控值 /cm 变形速率 /cm.d -1 一级 二级 三级 上海市地铁基坑规程确定的围护体变形控制标准 基坑等级 围护墙水平位移控制标准 一级最大水平位移 0.14%h 0 二级最大水平位移 0.3%h 0 三级最大水平位移 0.7%h 0 备注 :h0 为基坑的最大开挖深度

42 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 地表变形的控制标准根据围护结构的变形形态会导致坑周地表发生不同的沉降形态, 现场实际的变形形态可以归纳为凹槽型和三角槽型 上海地区地铁基坑大量采用地下连续墙, 由于在开挖前, 均需构筑顶圈梁, 刚度较大, 故在开挖过程中主要沉降形态均为凹槽型, 如下图中的实线所示 上海市基坑规程确定的围护体变形控制标准

43 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 地表变形的控制标准地表沉降主要由于基坑工程施工引起周围地层水水环境和应力环境变化而造成的 围护墙渗漏引起的地表沉降 S1 可以依据土体的固结理论进行计算, 围护墙变形及坑底隆起等引起的地表变形可以用地层损失进行计算, 其计算图示参见下图所示 基坑周围地表的不同沉降形态图

44 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 地表变形的控制标准 渗漏引起的地表沉降 S1 可以依据实测坑外水位变化进行估算 : 式中 :ΔP 为坑外水位下降引发的附加应力,kPa;E1-2 为水位下降范围内土体的压缩模量, kpa;δhw 为坑外水位监测孔实测水位累计下降量,m;γw 为水的容重,kN/m3 基坑周围土体由于围护变形及基坑坑底隆起引起的沉降 S2, 按下式估算 : 式中 :V0 为墙后土体损失量,m3/m;ф 为围护结构深度范围内土体的当量摩擦角, 度 ;h0 为基坑的开挖深度,m

45 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 地表变形的控制标准 土体损失量 V0 由量部分构成, 一部分由围护结构变形引起的损失量 V1, 可由基坑结构的变形计算值或现场监测值计算 ; 另一部分为坑底的土体隆起量 V2, 根据上海地区的经验, V2 可由下式计算 : 总地表沉降 S 等于 S1 和 S2 之和 事实上, 由于地下连续墙的止水性能较好, 工程实践表明, 基坑开挖过程中正常的坑外水位下降通常只有 10cm 左右, 故地下连续墙的渗漏水量很小, S1 的量值很小

46 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 地表变形的控制标准 上海市在总结若干现有基坑变形实测数据和理论分析的结果基础上, 提出了下表的地表沉降控制标准 基坑等级上海市基坑规程上海市地铁规程环境保护要求 一级基坑 3cm 0.1%h 0 基坑周边以外 0.7h 0 范围内有地铁 共同沟 煤气管 大型压力总水管等重要建筑或设施, 必须确保安全 二级基坑 6cm 0.2%h 0 三级基坑 6cm 0.5%h 0 离基坑周边 0.7H 无重要管线和建 ( 构 ) 筑物 : 而离基坑周边 0.7H-2H 范围内有重要管线或大型的在使用的管线 建 ( 构 ) 筑物 离基坑周边 2H 范围内没有重要或较重要的管线 建 ( 构 ) 筑物

47 2.3 施工监测的安全控制标准 地铁车站基坑的结构安全控制标准 支撑系统的轴力控制标准城市地铁车站基坑一般采用内支撑体系, 支撑轴力的容许值一般控制支撑轴力的设计值, 或控制最大容许值的 80%, 当实测轴力值略大于设计值时, 应对支撑进行抗压稳定性以及材料承载力的检算 基坑周边地下水位的控制标准在城市基坑的降水及开挖过程中, 保持坑外水位的稳定是相当必要的, 因为当水位出现明显下降时表明基坑的围护结构止水功能出现了问题, 一方面不利于基坑自身的稳定, 如容易出现所谓的管涌等, 另一方面也不利于保护周边的环境安全, 地下水的下降通常意味着基坑周围一定范围内将出现较大的沉降 目前上海市的控制标准主要体现在两个方面, 一是坑外水位的总下降量不超过 1.0m, 二是水位的日下降量不超过 500mm/d

48 2.3 施工监测的安全控制标准 周围环境的安全控制标准 管线的变形控制标准 通常而言, 管线可以分为刚性管和柔性管两大类, 如煤气管及自来水管就大多为刚性有压管 ; 通讯管及电力排管则大多为柔性管 管线的允许变形和管道的材质 接头的设置 管道埋设过程中的初始应力等有关 管道的埋设引起了管内的应力, 加上管道由于土体位移引起的附加应力 这些应力可能是施工应力 上覆土荷载 表面循环荷载或静载 埋设步骤 初始土体位移或环境影响的综合作用的结果 此外由于管道内外压力的不平衡以及周边在管道埋设后修建的建筑物等均会对管道的初始应力产生影响 基坑开挖引起的管道的破坏, 可能由过大的弯曲应力或接头处过大的转角所引起, 故在确定管线的允许应力和允许转角时, 必须考虑以前存在的应力和转角 表 1 给出了不同材质的管道允许应力, 表 2 给出了不同材质管道接头的允许转角

49 2.3 施工监测的安全控制标准 周围环境的安全控制标准 表 1 不同材质管道的允许应力

50 2.3 施工监测的安全控制标准 周围环境的安全控制标准 表 2 不同材质管道的允许转角 综合考虑到上述因素, 并结合上海地层的实际情况, 上海市基坑工程设计规范 (DBJ ) 对于不同材质 不同口径的管线都制定了渗漏水标准, 进而作为管线变形 ( 尤其是不均匀变形 ) 的计算标准 目前上海制定的刚性管线变形监控标准大多在 1.00cm, 最大允许变形速率控制大多在 2mm/d 以内

51 2.3 施工监测的安全控制标准 周围环境的安全控制标准 周围建筑物的变形控制标准基坑周边建筑物的变形控制标准与建筑物的基础类型 高度 结构类型等密切相关, 上海市根据大量的调查研究, 制定的建筑物变形控制标准如表 1 及表 2 所示 表 1 不同结构类型允许的差异变形建筑结构类型 δ/l(l- 建筑物长度,δ- 差异沉降 ) 建筑物反应 一般砖墙承重结构, 包括有内筐架的结构 ; 建筑物长高比小于 10; 有圈梁 ; 天然基础 ( 条形基础 ) 一般钢筋混凝土框架结构 达 1/150 达 1/150 达 1/50 分隔墙及承重墙发生相当多的裂缝, 可能发生结构破坏 发生严重变形 开始出现裂缝 高层刚性建筑 ( 箱型基础 桩基 ) 达 1/250 可观察到建筑物倾斜 有桥式行车的单层排架结构的厂房 ; 天然地基或桩基 达 /300 桥式行车运转困难, 不调整轨面水平难运行, 分隔墙有裂缝 有斜撑的框架结构达 1/600 处于安全极限状态 一般对沉降差反应敏感的机器基础达 1/850 机器使用可能会发生困难, 处于可运行的极限状态

52 2.3 施工监测的安全控制标准 表 2 不同结构类型允许的差异变形 变形特征 地基土类别中 低压缩性土高压缩性土 砌体承重结构基础的局部倾斜 工业与民用建筑柱基的相对沉降差框架结构砖石墙填充的边排柱 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构单层排架结构 ( 柱距为 6m) 柱基的沉降量 (mm) (120) 200 桥式吊车轨面的倾斜 ( 按不调整轨道考虑 ) 纵向 横向 多层和高层建筑物基础的倾斜 Hg <Hg <Hg Hg>

53 2.3 施工监测的安全控制标准 表 2 不同结构类型允许的差异变形 变形特征 高耸结构基础的倾斜 中 低压缩性土 地基土类别 Hg <Hg <Hg <Hg <Hg <Hg 高耸结构基础的沉降量 Hg 100 高压缩性土 <Hg 200 (200) <Hg 注 :1 有括号者仅适用于中压缩土 ;2l 为相邻柱基的中心距离 (mm),hg 为自室外地面起算的建筑物高度 (m);3 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值 ; 4 局部倾斜指砌体承重结构沿纵向 6~10m 内基础两点的沉降差与其距离的比值

54 三 监测数据的处理

55 3.1 监测数据的统计回归预测 现场监测通过测定某个物理量的数值及其分布规律, 或是测量两个 ( 或多个 ) 物理量之间的相互关系 ; 进而对实际工程的施工参数和设计参数调整提供参考意见, 以使工程顺利进行 然而, 现场测试的原始数据往往具有一定的离散型, 必须对原始数据进行误差分析 整理归纳及回归分析等综合处理后, 监测数据才能真正为工程所用 为克服和减小测量误差, 在保证合理监测设计和良好设备状态条件下, 必须强化测量人员的素质, 并坚持在测量过程中定人员 定仪器 定观测路线 定观测方法等技术措施 对获得的测试精度较高的数据, 需进行进一步的处理才能更好的为工程服务 如在上文论述的工程安全标准中, 其中容许位移速率是一个重要指标, 要求的某一点的位移变化速率, 如下图所示, 正确的做法是对量测得到的位移 - 时间数据, 经回归分析后获得位移 - 时间曲线 u=f(t), 然后计算该函数在时刻 t 的一阶导数 du/dt 值, 即为该时刻的位移速率 现场监测的一个重要功能是对所测物理量的变化值和变化速率值的预测预报功能, 进而指导设计 施工参数调整, 确保工程成功, 预测和预报离不开数学上的数值拟合和回归分析

56 3.1 监测数据的统计回归预测 位移速率的确定示意图 预测位移随时间的变化是工程上较为常用的内容, 同时运用较多的是利用最小二乘法的一 元线性回归, 因为诸多的常用非线性函数均可经过简单的变化, 转化为线性函数, 如下表 所示

57 3.1 监测数据的统计回归预测 常用非线性函数转化为线性函数的变换方法

58 3.1 监测数据的统计回归预测 假设通过现场监测获得某点的位移和时间的测量数据系列为 (t1,y1), (t2, y2),, (tn,yn) 一元线性回归的目的就是找出一条能反映上述数据系列变化趋势的 直线, 同时使该直线和各散点的残差平方和最小 令回归直线的方程为 : 则任一点 ( ti,yi) 与直线方程在 y 方向的残差 (ei) 和残差平方和 (Q) 为 : 为了使残差平方和 (Q) 最小, 根据极值定理, 则有下述方程组成立 :

59 3.1 监测数据的统计回归预测 上述方程的解为 : 其中, 在求出系数 a b 后, 回归的一元线性方程便确定了, 此时需进一步检验位移和时间两个变量的密切程度, 此时残差平方和可进一步变化为 : 当 Q=0, 则表示所有测量点均位于回归所得的直线上, 但大多数情况下,Q 往往不等于 0, 此时, 不妨令 :

60 3.1 监测数据的统计回归预测 上述方程的解为 : 其中, 在求出系数 a b 后, 回归的一元线性方程便确定了, 此时需进一步检验位移和时间两个变量的密切程度, 此时残差平方和可进一步变化为 : 当 Q=0, 则表示所有测量点均位于回归所得的直线上, 但大多数情况下,Q 往往不等于 0, 此时, 不妨令 :

61 3.1 监测数据的统计回归预测 上式中的 r 就是线性相关系数,r 的值约接近 1, 表示线性相关程度高, 当 r=0, 则表示位移和时间线性不相关 在大多数的现场监测工程中, 当相关系数大于 0.8 便基本认为是可靠的 在利用一元线性方程回归时, 还需对一些可疑监测数据进行处理, 当实测数据位于下式以外范围时, 该数据再进行分析时必须舍去 在有些情况下, 位移随时间的变化趋势较为复杂, 用一元线性方程进行回归会存在较大的偏差, 此时可采用多项式的拟合方法, 数学上可以证明, 多项式可以描述任一连续函数 当用多项式对位移时间函数来拟合 ( t1,y1),(t2,y2),,(tn,yn) 数据系列时, 同样最小二乘法进行, 不妨令 : 则残差平方和 Q 为

62 3.1 监测数据的统计回归预测 为了使残差平方和 Q 最小, 其实只是求上式的极值问题, 令 可得关于 αα i 的线性方程组, 该方程组可解出 αα i 的值, 进而获得位移和时间的多项表达式 多项式拟合的复相关系数 r 为

63 3.2 围岩的稳定性判别准则 位移 - 时间曲线的选定 对于浅埋暗挖法和盾构法施工的地下洞室, 位移 - 时间曲线常选用下面三种非线性函数中拟合精度的最高者进行回归分析, 位移与时间的对应观测数据不宜少于 25 组次 1 对数函数 2 指数函数 3 双曲线函数 式中 u- 位移值 ;t- 检测时间,d;A,B- 回归常数 上述的三种非线性函数, 均可以通过简单的数学变化, 转化为一元线性方程, 从而运用一元线性回归方法进行数据的分析和处理 值得指出的是, 对数函数主要用于软弱围岩隧道开挖后初期变形, 通常不能用于预估围岩变形的最终值, 而指数函数 双曲线函数通常用于预计最终位移值

64 3.2 围岩的稳定性判别准则 围岩稳定性的判别 一般围岩和初期支护结构基本稳定应具备下列条件 : 隧道周边收敛速度有明显减缓趋势 收敛量已达总收敛量的 80% 以上 收敛速度小于 0.15mm /d 或拱顶位移速度小于 0.1mm /d 如隧道施工中出现下列情况之一时, 应立即停工, 采取措施进行处理 : 周边及开挖面塌方 滑坡及破裂 监测数据有不断增大的趋势 支护结构变形过大或出现明显的受力裂缝且不断发展 时态曲线长时间没有变缓的趋势

65 3.2 围岩的稳定性判别准则 车站基坑的安全性判别 基坑的安全判别标准由于涉及的因素众多, 难于制定统一的标准, 但有几条基本的原则是必须遵守的 对于围护结构而言, 对坑内变形的控制要求为 : 围护结构向坑内位移不得影响车站底板的平面尺寸和形状 围护结构向坑内位移不得影响工程桩的使用条件 对坑外周围环境的控制要求为 : 基坑周边地面沉降不得影响相邻建筑物 构筑物的正常使用或差异沉降允许值 基坑周边土体变形不得影响相邻各类管线的正常使用或变形曲率允许值 当有共同沟 合流污水管道 原水管道 地铁等重要设施时, 土体位移不能造成结构开裂 发生渗漏或影响地铁的正常运行

66 3.2 围岩的稳定性判别准则 车站基坑的安全性判别 实际工程中, 基坑工程安全性判别准则和方法一般参照以下三方面的数据确定 : 设计预估值通常而言, 围护结构的设计单位往往会对实际开挖过程中的桩墙位移 支撑轴力 相邻环境变形进行过设计计算, 尽管这种计算未能计入影响工程的全部因素, 但其计算结果应该成为特定工程的基坑安全判别标准的基础 工程类比法由于基坑工程是一个较为复杂的岩土工程问题, 类似工程的经验显得相当重要, 根据已建的类似工程的受力和变形规律, 提出并确定相应的判别准则, 往往是十分有效的 有关规定值对于基坑工程的施工过程的安全判别, 深圳市建设局的规定较有代表性, 各判别标准均是相对量, 参见下表 值得指出的是, 各地的规定值仅适用于当地的基坑工程, 在其它地区仅供参考, 不能生搬硬套

67 3.2 围岩的稳定性判别准则 车站基坑的安全性判别深圳地区深基坑地下连续墙安全判别标准 量测项目 安全性判别 判别标准危险注意安全 侧向水土压力 设计用侧压力 F 1 = 实测 ( 预测 ) 侧压力 墙体变形 实测 ( 预测 ) 变形 F 2 = 开挖深度 钢筋拉应力 钢筋抗拉强度 F 3 = 实测 ( 预测 ) 拉压力 支撑轴力 容许轴力 F 4 = 实测 ( 预测 ) 轴力 F 1 < F F 1 > 1.2 F 2 > 1.2% F 2 > 0.7% 0.4% F 2 1.2% 0.2% F 2 0.7% F 2 < 0.4% F 2 < 0.2% F 3 < F F 3 > 1.0 F 4 < F F 4 > 1.0 实测 ( 预测 ) 隆起值坑底隆起 F 5 = 开挖深度 F 5 > 1.0% F 5 > 0.5% F 5 > 0.2% 0.4% F 5 1.0% 0.2% F 5 0.5% 0.04% F 5 0.2% F 5 < 0.4% F 5 < 0.2% F 5 < 0.04% 实测 ( 预测 ) 沉降量沉降量 F 6 = 开挖深度 F 6 > 1.2% F 6 > 0.7% F 6 > 0.2% 0.4% F 6 1.2% 0.2% F 6 0.7% 0.04% F 6 0.2% F 6 < 0.4% F 6 < 0.2% F 6 < 0.04%

68 思考题

69 1. 信息化施工的含义是什么? 2. 监测频率的确定受哪些因素影响? 3. 请谈谈监测项目选取的原则及原因?

70 QUSTION AND DISCUSSION

71 谢谢!

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