城市地下工程監(jiān)控量測與信息反饋第九部分一.城市地下工程主要特點與施工方法二.施工監(jiān)測的意義與目的三.主要監(jiān)測項目四.控制基準的確定五.信息反饋六.現代化自動監(jiān)測系統七.監(jiān)測工程實例匯報提綱一.城市地下工程主要特點與施工方法1.主要特點地質條件一般較差周邊環(huán)境普遍復雜結構埋深淺、與臨近結構相互影響大圍巖穩(wěn)定性較難判斷2.施工方法二.監(jiān)測的意義與目的1.監(jiān)測的意義在巖土中修建地下工程，地下工程設計理論分析牽涉問題較多，如：(1)巖土的復雜性，(2)施工方法難以模擬性，(3)圍巖與結構——支護（圍護）相互作用的復雜性;同時考慮城市地下工程的特點，地質條件差、周圍環(huán)境一般比較復雜，因此有必要通過信息化施工，及時了解施工過程中圍巖與支護結構的狀態(tài)，并及時反饋到設計與施工中去，以確保地下工程施工和周圍建（構）筑物安全。作為信息化施工的最基礎工作，監(jiān)測顯得非常重要。2.城市地下工程監(jiān)測的主要目的通過監(jiān)測了解地層在施工過程中的動態(tài)變化，明確工程施工對地層的影響程度及可能產生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)。通過監(jiān)測了解支護結構及周邊建（構）筑物的變形及受力狀況，并對其安全穩(wěn)定性進行評價。通過監(jiān)測了解施工方法的實際效果，并對其進行適用性評價。及時反饋信息，調整相應的開挖、支護參數；通過監(jiān)測，收集數據，為以后的工程設計、施工及規(guī)范修改提供參考和積累經驗。三.主要監(jiān)測項目1.監(jiān)測項目分類

（1）從考慮地下工程結構穩(wěn)定及施工對環(huán)境影響出發(fā)，地下工程主要監(jiān)測項目可以分成三類：第一類是支護結構的變形和應力、應變監(jiān)測，第二類是支護結構與周圍地層（圍巖與結構）相互作用監(jiān)測，第三類是與結構相鄰的周邊環(huán)境的安全監(jiān)測。（2）根據監(jiān)測項目對工程的重要程度可分為“必測項目”和“選測項目”兩類。城市地下工程施工多數采用淺埋暗挖法、明挖法、盾構法這三類方法,其監(jiān)測內容見下面表格。淺埋暗挖法工程主要監(jiān)測項目類別監(jiān)測項目監(jiān)測儀器測點布置監(jiān)測頻率應測項目圍巖與支護結構狀態(tài)地質素描及拱架支護狀態(tài)觀察每一開挖環(huán)開挖面距監(jiān)測斷面前后＜2D時1～2次/d開挖面距監(jiān)測斷面前后＜5D時1次/2d開挖面距監(jiān)測斷面前后＞5D時1次/周地表、地表建筑、地下管線及結構物沉降水準儀和水準尺每10～50m一個斷面拱頂下沉水準儀和水準尺計每5～30m一個斷面，每斷面1～3對測點周邊凈空收斂收斂計每5～100m一個斷面，每斷面2～3測點巖體爆破地表質點振動速度和噪聲聲波儀及測振儀質點振動速度根據結構要求設點，噪聲根據規(guī)定的測距設置隨爆破隨時進行選測項目圍巖與結構內部位移多點位移計、測斜儀等選擇代表性地段設監(jiān)測斷面，每斷面2～3個測孔開挖面距監(jiān)測斷面前后＜2D時1～2次/d開挖面距監(jiān)測斷面前后＜5D時1次/2d開挖面距監(jiān)測斷面前后＞5D時1次/周圍巖與支護結構間壓力壓力傳感器選擇代表性地段設監(jiān)測斷面，每斷面10～20個測點鋼筋格柵拱架內力支柱壓力或其他測力計選擇代表性地段設監(jiān)測斷面，每斷面10～20個測點。初期支護、二次襯砌內力及表面應力混凝土內的應變計或應力計每取代表性地段設監(jiān)測斷面，每斷面10～20個測點錨桿內力、抗拔力及表面應力錨桿測力計及拉拔器必要時進行盾構法工程主要監(jiān)測項目

類別監(jiān)測項目監(jiān)測儀器測點布置監(jiān)測頻率必測項目地表隆沉水準儀和水準尺每30m一個斷面，必要時加密開挖面距監(jiān)測斷面前后＜20m時1～2次/d開挖面距監(jiān)測斷面前后＜50m時1次/2d開挖面距監(jiān)測斷面前后＞50m時1次/周隧道隆沉每5～10m一個斷面選測項目土體內部位移（垂直和水平位移）水準儀、測斜儀、分層沉降儀選擇代表地段設監(jiān)測斷面襯砌環(huán)內力與變形壓力計和應變傳感器選擇代表地段設監(jiān)測斷面土層應力壓力計和傳感器選擇代表性地段設監(jiān)測斷面明挖法工程主要監(jiān)測項目

（表1）

（上海市工程建設規(guī)范《地基基礎設計規(guī)范》（DGJ07－11－1999）序號監(jiān)測項目圍護結構施工基坑開挖水泥土圍護墻板式支護體系放坡開挖1圍護墻（邊坡）頂水平位移△△△2圍護墻（邊坡）頂沉降△△△3立柱沉降△4圍護墻水平位移☆△5土體深層側向位移☆☆☆6支撐或錨桿軸力△7基坑內外地下水位△△△8孔隙水壓力☆☆☆9圍護墻體土壓力☆10坑底隆起（回彈）☆11裂縫監(jiān)測鄰近建筑物☆☆△☆12鄰近地表☆☆☆☆13鄰近建筑物沉降△△△△14鄰近地下管線水平、豎向位移△△△△《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120－9）規(guī)定的基坑側壁安全等級及重要性系數，以及據此等級確定的基坑監(jiān)測項目。

（表2）

安全等級一級二級三級破壞后果很嚴重一般不嚴重重要性系數γ。1．101．000．90監(jiān)測項目支護結構水平位移○○○周圍建筑物、地下管線變形○○※地下水位○○※樁、墻內力○※▲錨桿拉力○※▲支撐軸力○※▲立柱變形○※▲土體分層豎向位移○※▲支護結構界面上側向壓力※▲▲注：1．破壞后果系指支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境和地下結構施工影響程度，2．有特殊要求的建筑基坑側壁安全等級可根據具體情況另行確定；3．○應測；※宜測；▲可測四.監(jiān)測控制基準的確定1.控制基準確定原則（1）監(jiān)測控制基準值應在監(jiān)測工作實施前，由建設、設計、監(jiān)理、施工、市政、監(jiān)測等相關部門共同確定，列入監(jiān)測方案；（2）有關結構安全的監(jiān)測控制基準值應滿足設計計算中對強度和剛度的要求，一般應小于或等于設計值；（3）有關環(huán)境保護的控制基準值，應考慮被保護對象（如建筑物、地下工程、管線等）主管部門所提出的確保其安全和正常使用的要求；（4）監(jiān)測控制基準值的確定應具有工程施工可行性，在滿足安全的前提下，應考慮提高施工速度和減少施工費用；（5）監(jiān)測控制基準值應滿足現行的相關設計、施工法規(guī)、規(guī)范和規(guī)程的要求；（6）對一些目前尚未明確規(guī)定控制基準值的監(jiān)測項目，可參照國內外類似工程的監(jiān)測資料確定。在監(jiān)測實施過程中，當某一監(jiān)測值超過控制基準值時，除了及時報警外，還應與有關部門共同研究分析，必要時可對控制基準值進行調整。2.地表沉降控制基準確定方法

通常地表沉降控制基準值應綜合考慮地表建筑物、地下管線及地層和結構穩(wěn)定等因素，分別確定其允許地表沉降值，并取其中最小值作為控制基準值。（1）按環(huán)境保護要求確定最大允許地表沉降值.（2）從考慮地下管線的安全角度確定最大允許地表沉降值.（3）從考慮地層及支護結構穩(wěn)定角度確定最大允許地表沉降值.3.地下工程支護結構（圍巖）穩(wěn)定控制基準確定方法（1）根據支護結構的穩(wěn)定性確定.（2）根據地表沉降控制要求確定.（3）利用現場監(jiān)測結果和工程經驗對預先確定的位移值進行修正.4.國內外主要監(jiān)測項目控制基準值（1）暗挖隧道主要監(jiān)測項目控制基準值我國鐵路隧道采用允許相對位移值的方法。隧道周邊任意點的實測相對位移值或用回歸分析推算的最終位移值均應小于《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50086-2001）規(guī)定值，即下表所列的數值。覆土厚度（m）圍巖級別<5050～300>300Ⅱ0.1～0.30.2～0.50.4～1.2Ⅲ0.15～0.50.4～1.20.8～2.0Ⅳ0.2～0.80.6～1.61.0～3.0

法國工業(yè)部制定的隧道位移基準值如下表（隧道斷面50～100m2），可作為初選位移基準的參考值。隧道埋深（m）洞內拱頂允許下沉（mm）地表允許下沉（mm）硬巖軟巖硬巖軟巖10～5010～2020～5010～2020～5050～10020～60100～20020～60150～300100～50050～10050～100200～400500～75040～120200～40040～120300～600

日本“NATM設計施工指南”提出按測得的總位移量值，或根據已測值預計的最終位移值，給出圍巖的類別，然后確定與圍巖相應的支護系統。下表給出了隧道施工中各類圍巖容許收斂值。圍巖類別凈空變化值（mm）單線雙線Ⅰ～Ⅱ>75>150Ⅱ～Ⅲ25～7550～150Ⅲ～Ⅴ<25<50

我國北京、廣州根據地區(qū)經驗，提出地鐵工程施工相應的監(jiān)測控制基準。北京地鐵淺埋暗挖法施工監(jiān)測控制基準值監(jiān)測項目基準值位移平均和最大速度控制值（mm/d）地表沉降區(qū)間30平均：2最大：5車站60拱底隆起區(qū)間10車站10拱頂下沉區(qū)間60平均：2最大：5車站120水平收斂區(qū)間20平均：1最大：3北京地鐵盾構法施工監(jiān)測控制基準值監(jiān)測項目基準值位移平均和最大速度控制值（mm/d）地表沉降20平均：1最大：3拱頂下沉20平均：1最大：3廣州地鐵施工監(jiān)測控制基準監(jiān)測項目控制范圍控制基準地表沉降Ⅰ、Ⅱ類圍巖30mmⅢ、Ⅳ類圍巖19mm拱頂下沉Ⅰ類圍巖50mmⅡ類圍巖30mmⅢ、Ⅳ類圍巖19mm變形速度Ⅰ、Ⅱ類圍巖5mm/dⅢ、Ⅳ類圍巖3mm/d建筑物傾斜全線3‰（2）明挖基坑工程變形控制基準確定上海市和深圳市基坑設計規(guī)程規(guī)定將基坑工程按破壞后果和工程復雜程度區(qū)分為三個等級，各級基坑變形的設計和控制值見下表?；庸こ痰燃墑澐旨白冃沃瓶鼗鶞手?/p>

工程復雜程度一級二級三級基坑深度（m）＞149～14＜9地下水埋深（m）＜22～5＞5軟土層厚度（m）＞52～5＜2基坑邊緣與鄰近已有建筑淺基礎或重要管線邊緣凈距（m）＜0.5h0.5～1h＜1h監(jiān)控值設計值監(jiān)控值設計值上海市墻頂位移（mm）305060100宜按二級基坑標準控制，當環(huán)境條件許可時可適當放寬墻體最大位移（mm）608090120地表最大沉降（mm）305060100最大差異沉降6/100012/1000深圳市墻體最大水位移（m）排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻0.0025H0.0050H0.0100H鋼板樁、深層攪拌樁一0.0100H0.0200H深圳市建設局還對深圳地區(qū)建筑深基坑的地下連續(xù)墻作了穩(wěn)定判別標準，見下表。深圳地區(qū)深基坑地下連續(xù)墻安全性判別標準

注：1.F2上行適用于基坑旁無建筑物或地下管線，下行適用于基坑近旁有建筑物和地下管線。2.F6、F7上、中行與F2同，下行道用于對變形有特別嚴格的情況。

工程建設行業(yè)標準《建筑基坑工程技術規(guī)范》（JGJ12-99）規(guī)定重力式擋墻最大水平位移的控制值見下表。重力式擋墻最大水平位移控制值墻的縱向長度＜30m30～50m＞50m地層條件良好地基（0.005～0.01）H（0.010～0.015）H＞0.015H一般地基（0.015～0.02）H（0.02～0.05）H＞0.05H軟弱地基（0.025～0.035）H（0.035～0.045）H＞0.045H五.信息反饋

1.信息反饋的內容（1）對設計的反饋內容（2）對施工的反饋內容在施工過程中，通過對監(jiān)測結果的分析判斷，及時調整施工方案，必要時增加輔助施工措施，以確保施工安全。2.監(jiān)測數據的處理方法（1）散點圖與回歸分析法一元線性回歸分析非線性回歸分析（2）地下工程監(jiān)測數據分析中常用的回歸函數地表沉降橫向分布規(guī)律地表沉降橫向分布規(guī)律回歸函數采用Peck公式，Peck在1969年提出了地層損失的概念，即在不考慮土體排水固結和蠕變的條件下，得出了一系列與地層有關的沉降槽寬度的近似值。位移歷時回歸方程對地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂等變形的歷時曲線一般采用如下函數進行回歸。（1）指數模型：；（2）對數模型：；（3）雙曲線模型：；式中：t——監(jiān)測時間（單位：日）；S——t時間對應的位移值；a、b——回歸系數。沉降歷程回歸方程由于地下工程開挖過程中地表縱向沉降、拱頂下沉及凈空收斂等位移受掌子面的時空效應的影響。采用單個曲線進行回歸時不能全面反映沉降歷程，通常采用以變彎點為對稱的兩條分段指數函數式或指數函數進行近似回歸分析。式中：A，B——回歸參數；x——距開挖面的距離；S——距開挖面x處的地表沉降；x0、u0——變彎點x0處的沉降值u0。3.監(jiān)測信息反饋（1）監(jiān)測反饋的程序右圖（2）信息反饋方法1）采用收斂限制法2）參數控制法3）工程類比法4）數值計算方法5）反分析法六.現代自動化監(jiān)測系統1.近景攝影測量系統近景攝影監(jiān)測的主要問題在于地下工程內施工條件下不易實施，而且精度目前尚難達到要求。但隨著技術的進步，它仍值得進一步研究探索。三維隧道影像掃描儀（簡稱DIBIT系統）做以下簡單介紹。DIBIT為可攜帶式隧道影像記錄器，近年來奧地利ILF與TuneiConslt公司合作開發(fā)成功，曾應用于德、奧境內施工中高速鐵路隧道。采用三維隧道影像掃描儀除可全面并精確地記錄隧道開挖面地質與支撐施作結果之影像與幾何資料，改善目前本地傳統工法中有關監(jiān)測或記錄方法之缺點外，并可提供隧道開挖高精度資料與建立施工品質資料庫，有助于提升國內施工品質控制與工程管理效率。DIBIT系統外觀2.光纖監(jiān)測系統光柵傳感器是近幾年正在研發(fā)的新型傳感器，光纖光柵傳感器可集信息的傳感與傳輸于一體，與傳統的傳感器相比它具有很多優(yōu)勢：如防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便。特別適合在惡劣環(huán)境下使用。它克服了電阻應變片的易受電磁干擾、易損壞、壽命短和不能重復使用的缺點。通過此項技術可準確的將地震、不均勻沉降、建筑物的動荷載等等帶給結構的危害程度，做到實時、長期、直觀的監(jiān)控。我集團在北京地鐵5號線05標和廣州地鐵5號線小北站成功試驗。計算機傳感器1傳感器2傳感器3傳感器n3.自動全站儀非接觸監(jiān)測系統全站儀非接觸監(jiān)測系統采用先進全自動全站儀，具有自動目標識別、自動跟蹤、無棱鏡測距的功能、將全站儀置于固定測站，通過數據線與遠處控制室連接，通過控制室電腦發(fā)出指令控制全站儀對目標進行監(jiān)測。該系統具有獲取信息及時、監(jiān)測精度高。其具有以下優(yōu)點：（1）適應隧道惡劣環(huán)境；（2）克服了傳統接觸量測在大跨度隧道中速度慢、誤差大等缺點；（3）自動化程度高，能夠實現數據自動采集、觀測安全快速。我集團應用此項技術較早，在內昆鐵路曾家坪隧道首次試驗成功，后在磨狗嶺隧道、北京城鐵14標等多個工程應用，效果良好。全站儀非接觸監(jiān)測洞內監(jiān)測圖對于一些特殊結構，如；樁基托換過程中的高層建筑物，運營中的地鐵線路，交通繁忙的鐵路、公路橋梁等，常規(guī)監(jiān)測方法實施的難度特別大，必要時可采用遠程監(jiān)測系統進行監(jiān)測。遠程監(jiān)測系統由現場采集系統和遠程控制系統兩部分組成。將各類傳感器埋設在待測結構上，并連接在數據采集儀上，即構成數據采集系統，可在無人值守狀態(tài)下，實現各類監(jiān)測數據的自動采集。靜力水準儀北京地鐵五號線靜力水準儀布置圖4.遠程監(jiān)測系統（重要建（構）筑物變形監(jiān)測）

數據采集儀為連接遠程監(jiān)控中心及各類監(jiān)測傳感器的中繼站，直接控制各類傳感器，并將傳感器的信號進行編譯傳輸至監(jiān)測中心。遠程監(jiān)測在北京地鐵五號線的數據采集儀數據采集儀遠程監(jiān)測在北京地鐵五號線的應用主控電腦主控電腦

遠程監(jiān)測中心由主控計算機，通過數據采集儀，控制監(jiān)測傳感器的工作。通過設置參數，可實現高頻自動監(jiān)測，通過強大的數據后處理系統，可實現大量監(jiān)測數據的實時分析，及時反映監(jiān)測對象的各類信息，為施工控制提供參考數據。5.巴賽特結構收斂系統巴賽特結構收斂系統可以進行隧道斷面變形的連續(xù)監(jiān)測，該系統可安裝在隧道典型斷面用于監(jiān)測因結構變形而引起的變形破壞。能夠適應隧道交通、防震、水流、溫度變化以及電磁輻射環(huán)境。巴賽特結構收斂系統七.監(jiān)測實例廣州地鐵一號線楊體區(qū)間隧道工程1．工程概況該區(qū)間隧道工程位于中山路東端南側，周邊環(huán)境復雜，天河自來水廠和天河村密集居民區(qū)，隧道穿越I~III類圍巖，主要為強中風化帶巖層及殘積土層，地下水豐富。區(qū)間內有極易液化的流砂層，穿越常年流水的楊淇涌。為廣州地鐵一號線地層最復雜，施工難度最大的區(qū)間之一。隧道埋深12．2～18．5m，左右線雙洞隧道，左右隧道中線間距為13．3～16．2m，隧道斷面為鵝卵形，采用淺埋暗挖法施工，采用復合式襯砌支護結構，即初期支護為噴錨支護，永久襯砌為C30防水混凝土。2．監(jiān)測項目及控制基準（1）監(jiān)測項目序號監(jiān)測項目監(jiān)測儀器監(jiān)測目的監(jiān)測頻率1地表沉降水準儀和水準尺了解施工過程中地表沉降情況開挖面距監(jiān)測斷面前后＜2B時1～2次/d開挖面距監(jiān)測斷面前后＜5B時1次/2d開挖面距監(jiān)測斷面前后＞5B時1次/周2地表建筑沉降與傾斜水準儀和水準尺了解施工過程中建筑物沉降與傾斜情況，評估建筑物建筑物是否安全3拱頂下沉水準儀和水準尺計了解施工過程中初期支護結構變形情況4周邊凈空收斂收斂計了解施工過程中初期支護結構變形情況5地中土體垂直位移NC－50型分層沉降儀，沉降管了解施工過程中地層不同深度的垂直變形情況6地中土體水平位移SINCO測斜儀、測斜管等了解施工過程中地層不同深度的水平變形情況7圍巖壓力壓力傳感器了解施工過程中初期支護結構的荷載分布情況8鋼筋格柵拱架應力支柱壓力或其他測力計了解施工過程中初期支護結構的內力分布情況9地下水位水位計、水位管等了解施工對地下水位影響10爆破振動速度聲波儀及測振儀了解爆破引起地表及建筑物的震動情況隨爆破隨時進行（2）控制基準監(jiān)測項目控制范圍控制標準地表下沉I、II類圍巖3OmmIII、IV類圍巖19mm拱頂下沉及凈空收斂I類圍巖50mmII類圍巖32mmIII、類圍巖19mm位移速度I、II類圍巖5mm/dayIII、IV類圍巖3mm/day建筑物傾斜全線3%。3.監(jiān)測結果分析（1）地表沉降1）地表縱向沉降規(guī)律從圖中可以看出，地表沉降的變化過程可分為四個階段：地表測點沉降歷程曲線圖微小沉降階段：當掌子面開挖到與測點距離－2．0D～－1．0D時，開始對地表產生一定的影響，沉降值約占總沉降值的10～15%左右。主要是由于隧道開挖引起前方地層應力場發(fā)生變化，以及地下水的流失而引起的微小沉降。沉降急劇增大階段：隨著掌子面向前推進，距測點在－1D～3D內時，地表沉降速率加速增長，沉降值急劇增大，此階段沉降值約占總沉降值的60～70%左右。該階段沉降主要是由于隧道的開挖而造成邊界條件發(fā)生改變，對覆蓋土體產生擾動，引起應力場的重分布，產生卸載效應，為施工過程中主要沉降階段。緩慢沉降階段：當掌子面向前開挖超過測點3．0D以后，沉降速率開始減小，沉降值緩慢增加，沉降曲線開始收斂，一直延續(xù)到5．0D，此階段沉降值約占總沉降值的10～15%左右。沉降基本穩(wěn)定階段：當掌子面距測點5．0D后，沉降增長緩慢，直至延續(xù)時8．0D，地層趨向穩(wěn)定狀態(tài)，此階段沉降值約占沉降值的5%左右。

采用非線性最小二乘法進行回歸分析，得到Ⅱ、Ⅲ類圍巖的地表沉降曲線的回歸方程如下：Ⅱ類Ⅲ類2）橫向地表沉降Ⅱ～III為類圍巖地表橫向沉降實測曲線Ⅱ類圍巖地表橫向沉降曲線Ⅲ類圍巖地表橫向沉降曲線

采用Peck公式法對實測數據進行橫向地表沉降規(guī)律分析，得到各類圍巖橫向地表沉降曲線參數見下表：圍巖類別δi橫向