第一篇：隧道圍巖變形分析系統說明書

軟件說明書

隧道圍巖變形分析系統

1.軟件界面說明

軟件總體界面如（圖 一）所示：有菜單欄、工具欄、項目管理區、圖形報表操作區、圖形顯示區等區域。

（圖 一）

各部分簡要說明如下：

菜單欄：該部分提供了該系統軟件所有功能的菜單項，通過點擊這些菜單就可以實現軟件提供的功能。

工具欄：為了使用方便，避免頻繁地打開菜單，軟件將一些比較常用的功能放到了工具欄中，這樣就能快速地使用這些功能了。

項目管理區：該區域是用來管理新建或打開的工程項目的，工程項目可以以隧道名稱來命名，其中包含著該隧道上的各個里程（也即各個斷面），而每個斷面中又包含了該斷面上布設的各條測線或測點。該區域是用樹形結構來管理工程項目的，樹根處是工程項目（系統最多可以管理10個工程項目），工程項目的下一級是斷面名稱，再下一級是測線或測點名稱，總共三級結構。

圖形報表操作區：該區域由三部分組成。首先是直觀顯示測線數據以及收斂值的列表框，見（圖 一）中圖形報表操作區最左部分；

其次是生成各種回歸圖形和報表的各個按鈕和圖形參數設置部分，各個按鈕的具體功能，以及各參數的設置將在“5．圖形報表操作區功能說明”終予以詳細說明；最后見（圖 一）中最右部分的文本編輯框，該文本框用來顯示回歸方程、標準差、相關指數、置信度區間等各項回歸參數。

圖形顯示區：該區域是回歸圖形輸出部分，數據經處理后，就按要求在該部分顯示需要的回歸圖形。軟件提供了各種常用的圖形操作功能，可以對圖形進行編輯，并可以采用屏幕截取的方式保存圖形或將圖形以Auto CAD DXF文件格式導出，還可以將圖形存為系統圖形文件格式(.sd)。

以上便是對軟件界面各部分的介紹。

2.菜單功能說明

主菜單共有如（圖 二）所示六個

（圖 二）

分別是：文件、數據管理、繪圖、圖形操作、屏幕截取、查看和幫助。

※文件菜單※的功能主要是關于工程的建立、打開、關閉，工程和工程組的管理以及圖形文件的打開、導出和打印。

其子菜單如（圖 三）分別為：

（圖 三）

新建工程：用來建立新的工程，點擊之后彈出如（圖 四）新建工程對話框。選定工程類型后填入該工程相關的隧道信息，可以選擇工程保存路徑，單擊‘…’按鈕將彈出對話框（圖 五）,選擇保存工程的路徑，按確定退出。然后單擊‘增加’，則生成了一個新工程。此時系統將彈出消息框提示工程建立完成，按確定后，單擊‘退出’，則工程建立完畢，并返回到 主界面，左邊項目管理區內的樹狀圖應出現剛才建立的工程名稱，并且根據選擇的

（圖 四）

（圖 五）

之后可對該工程導入全站儀的數據，具體導法見‘數據管理’菜單中‘數據導入’子菜單項的詳細介紹。

打開工程：用來打開已經存在的工程文件。選擇此菜單項，會彈出如（圖 六）所示的打開工程對話框。選擇已有的工程，單擊‘打開’，便可打開該工程，以后便可進行數據導入、回歸分析等操作，這與新建一個工程后的操作是一樣的。

（圖 六）

工程（組）管理：這項功能用來同時管理一組工程。如果系統中原先不存在工程，選擇此菜單項，會彈出如（圖 六）所示的打開工程對話框，用戶可以先打開一個存在的工程文件，這樣若系統中已有工程，就會彈出如（圖 七）所示的工程組管理對話框。可以選擇‘導入’按鈕將一已存在的工程加到現有工程中作為工程組管理（圖 八）。注意不可導入同一工程，否則系統將給予提示（圖 九），在工程（組）管理中可以更新已有工程的有關信息，修改有關信息后按‘更新’按鈕即可更新。當幾個工程被組成工程組后，下次打開任一工程，就會把同一工程組中的其它工程同時打開在工程（組）管理對話框中，按‘確定’后則幾個工程就會同時出現在左邊的項目管理區中。要解除同一工程組中各工程的聯系，可以在工程組管理對話框中通過按‘刪除’來刪除某工程組中的工程。其中刪除工程時需要注意1.（圖 十）只將該工程從該工程組中移去，保留該工程的所有信息；2.（圖 十一）除了1中的操作以外，還將該工程的所有信息從硬盤中刪除，不可恢復，故應謹慎操作。

（圖 七）

（圖 八）

（圖 九）

（圖 十）

（圖 十一）

關閉工程：關閉系統中現有的工程。若項目管理區中沒有工程，則此菜單項為灰色，只有新建或打開工程后才能激活。

打開圖形：打開保存好的該系統格式的圖形文件(*.sd)。如何將圖形保存為系統圖形文件格式，見工具欄中

功能的詳細說明。

圖形導出：將圖形以Auto CAD DXF文件格式導出。

打印預覽：該項功能是將當前圖形報表操作區中列表框中的數據和圖形顯示區中的圖形一起以報表的形式打印出來。選擇此菜單后進入打印預覽窗口，可以進行預覽，確認無誤后即可打印。（只有打印機在該軟件所在操作系統上驅動后才有此功能）

打印設置：設置打印的一些參數。這些參數包括：打印機的名稱選擇、屬性設置，紙張的大小、來源，打印的方式等。

最近圖形：顯示最近打開過的系統圖形文件。對于經常調用某一圖形文件比較方便。

退出：關閉系統。

※數據管理菜單※的功能主要是：全站儀數據的導入、隧道斷面信息的輸入、隧道斷面信息的查詢、極限位移規范參考以及全站儀原始數據的管理等。

其子菜單如（圖 十三）所示，分別為：

（圖 十三）

數據導入：把全站儀上傳的數據導入到相應工程的數據庫中。點擊后系統彈出如（圖 十五）的數據導入對話框。

（圖 十五）

(圖 十六)

選擇隧道名稱，單擊‘選擇文件’按紐，如(圖 十六)所示。選擇全站儀數據文件。單擊打開，如果文件格式正確，系統將從文件中讀取信息，并根據所測數據自動畫出測點的示意圖，如（圖 十七）所示，如果文件格式錯誤，將出現（圖 十八），如果錯誤發生，則單擊‘查看該文件’，便可修改該文件為系統的文件格式（注意：凡手工修改了文件，需重新選擇該文件，文件的修改才是有效的）。如無錯誤發生，可按‘導入’便可將該文件導入到系統中。重復‘選擇文件’----?‘導入’，便可將測量數據全部導入。注意：

1.如果想把同一次觀測的兩個測站的數據作為一個時間段的數據使用，需設定‘雙站間隔時間’，系統默認為20分鐘，即前后設站間隔小于20分鐘的，系統將彈出如（圖 十九）消息框給以提示用戶可根據實際情況作出相應選擇。

2.相同里程的某時間段的數據不能導入兩次,否則系統將給予提示。

（圖 十七）

（圖 十八）

（圖 十九）

數據導入后可人工輸入該里程的斷面信息，以便將來管理時的查詢。按‘輸入斷面信息’按鈕后彈出如（圖 二十）所示，點擊隧道名稱和相應的隧道里程，可查看、修改、刪除

（圖 二十）

（圖 二十一）

該斷面的信息，具體操作見菜單‘隧道數據’下‘隧道斷面輸入’菜單的說明，二者的功能是一樣的。另外單擊（圖 十七）中的‘平差’按鈕可直接查看各測線平差后的長度，如（圖 二十一）。數據都導完后，可單擊‘退出’回到主界面，這時點擊項目管理區中工程名稱前的‘+’號，就可看到導入的斷面及測線情況。

隧道數據：主要負責隧道斷面信息的輸入和查詢。該菜單有兩個下級子菜單，如（圖二十七）：

（圖二十七）

選擇‘隧道斷面輸入’菜單，彈出（圖 二十）對話框。單擊‘添加’按鈕，彈出如（圖 二十八）的對話框，選擇隧道名稱，填入參考里程，按‘確定’后，該工程和斷面

（圖 二十八）

（圖 二十九）

就會導入到斷面信息維護對話框中，如（圖 二十九），然后輸入各類信息，按‘保存’按鈕，就能把這些信息存入數據庫中，如果要刪除，可按‘刪除’按鈕。

選擇‘信息查詢’菜單，彈出（圖 三十）對話框。當需要查詢任一工程中的有關信息時，可按以下方式操作，輸入查詢信息以產生查詢條件，如需查詢隧道名稱為‘test1’的工程信息，則可按下列方法查詢：在查詢字段中選擇‘隧道名稱’，在運算符中選擇‘=’，在查詢值中填寫‘test1’,單擊‘語句生成’，再單擊查詢，便可將隧道名稱為‘test1’的工程查出（圖 三十一），單擊‘生成報表’可將結果存為文

（圖 三十）

（圖 三十一）

極限位移規范：這里提供了一個單線隧道初期支護極限相對位移百分表，以供用戶對照數據、圖形作為參考。

原始數據管理：可對全站儀上傳的原始數據進行管理。當需要查看一工程的原始數據時。可按如下操作進行。選擇‘數據管理’菜單中的‘原始數據管理’將彈出（圖 三十二）對話框。

（圖 三十二）

選擇一工程，則右邊顯示該工程的原始數據文件。選中需查看的文件，單擊‘查看’便可觀看該文件內容。也可單擊‘刪除’刪除該文件。

※ 繪圖菜單※的功能主要是：直線、圓弧、文本等圖形的繪制及顏色的選擇。該項菜單如（圖 三十三），具體方法均類似于AutoCAD中的有關操作。

（圖 三十三）

※ 圖形操作菜單※的功能主要是：對圖形顯示區中的圖形進行放大、縮小、漫游、刪除、全圖顯示等操作，具體方法均類似于AutoCAD中的有關操作。菜單如（圖 三十三）。

（圖 三十三）

※屏幕截取菜單※的功能主要是：對圖形進行截取并保存為BMP格式的位圖文件。‘全屏截取’是獲得整個屏幕的圖形，‘用鼠標選取范圍’則可以獲得選定范圍內的圖形。具體菜單如（圖 三十四）。

（圖 三十四）

查看菜單和幫助菜單比較簡單，這里沒有詳細說明。

3.工具欄功能說明

工具欄基本是常用的菜單的快捷方式，但也有菜單不具有的功能，具體情況如下：

新建圖形。該項功能是將圖形顯示區刷新，即清除圖形顯示區的所有圖形，恢復為空白的畫布。

新建工程。具體功能與菜單欄中的‘文件’一〉‘新建工程’一樣。

打開圖形。具體功能與菜單欄中的‘文件’一〉‘打開圖形’一樣。

打開工程。具體功能與菜單欄中的‘文件’一〉‘打開工程’一樣。

保存圖形。該項功能是將圖形顯示區中的圖形保存為本系統軟件的圖形文件格式（*.sd），以后可以用

或菜單欄中的‘文件’一〉‘打開圖形’來打開圖形。

導入。具體功能與菜單欄中的‘數據管理’一〉‘數據導入’一〉‘（測線法）無基準點’一樣。

打印預覽。具體功能與菜單欄中的‘文件’一〉‘打印預覽’一樣。注意：應該按擬合曲線按鈕及時刷新回歸圖，以獲得與數據一致的回歸圖形。

繪圖。這三欄分別是繪制直線、圓以及圓弧的功能。

放大縮小。這兩項功能是對圖形的放大和縮小操作。

刪除物體。該項功能是從圖形顯示區刪除選中的圖形或文字，刪除完后，右擊鼠標回彈出一菜單，選擇‘取消’即可退出刪除操作。

顯示全圖和移動圖形。如果想在圖形顯示區中看到全圖，點擊‘顯示全圖’，系統會自動調節圖形的大小，使圖形能完整的顯示在圖形顯示區中。如不想改變圖形的大小，則點擊‘移動圖形’進行圖形漫游。退出操作如上所述。

全屏顯示和恢復。該功能使系統的框架和菜單隱去，突出顯示系統的視類。

斷面信息查詢。具體功能與菜單欄中的‘數據管理’一〉‘隧道數據’一〉‘信息查詢’一樣。

斷面信息輸入。具體功能與菜單欄中的‘數據管理’一〉‘隧道數據’一〉‘隧道斷面輸入’一樣。

關于。顯示程序信息，版本號。

退出。

4.圖形報表操作區說明

由于前面已對該區作了簡要說明，并指明了列表框和文本框的作用，所以這部分主要詳細說明如（圖 三十五）所示的生成各種回歸圖形和報表的各個按鈕和圖形參數設置部分。呈現為（圖 三十五）。

（圖 三十五）

先說明各報表按鈕的功能，具體如下：

在項目管理區種選擇隧道名稱，并單擊‘測線報表’，則產生該隧道所有的測線報表，如選擇里程，則產生該隧道該里程的所有測線報表，如選擇某測線，則產生該隧道該里程的該測線的報表。其間，如果選擇了‘存為文件’則將結果輸出為文件，否則將打印輸出。‘坐標報表’功能類似。

必須是在項目管理區中選擇里程，此功能才會有效。但擊‘斷面報表’，會產生前面輸入的隧道信息（包括開挖信息、巖體信息、支撐設計、地質描述等）的報表。如果沒有信息，用戶可以單擊‘斷面信息’按鈕對此斷面進行描述，然后保存即可。

單擊‘原始數據報表’，結果如‘測線報表’，根據在項目管理區中選擇的不同，分別產生三種原始數據的報表。

單擊‘工作人員報表’，產生工作人員（負責人和觀測者）的報表。

單擊‘斷面信息’，圖形顯示區中出現如（圖 三十七）界面，在這兒可以輸入所選里程的斷面信息。

（圖 三十七）

回歸分析是本軟件提供的一項重要功能之一。全站儀對各斷面測線經過一段時間的量測，得到測線隨時間變化的數據，其中測線斂值和時間之間具有非線性的相關關系。回歸分析的功能就是對這些數據進行處理以回歸圖的形式顯示在圖形顯示區，以供用戶參考，并對圍巖穩定性進行了預測。系統提供了5種曲線函數，以供用戶選擇最合適形狀的區線來擬合。

各回歸分析按鈕功能的具體說明如下（假設x對應時間，y對應測線收斂以及它們的速率）：

在項目管理區中選中具體測線或測點后，單擊‘對數函數’，系統會對測線收斂以 對數函數為回歸方程進行非線性回歸分析，并在圖形顯示區中顯示回歸圖形（包括原始數據圖、收斂值或位移值圖和收斂或位移速率圖）。

適用情況：當y的增量隨x增大而逐漸減少。

功能類似‘對數函數’，適用情況：根據具體數據而定。

功能類似‘對數函數’，適用情況：當y隨著x逐漸增加而越來越急劇地增大。

功能類似‘對數函數’，適用情況：當y的增量隨x增大而逐漸減少。

功能類似‘對數函數’，適用情況：當y隨x增大而增大的速度與x成比例。

單擊‘自動選擇’，系統會對數據進行分析，自動選擇合適的回歸曲線。

見（圖 三十五）右上角是回歸圖形的一些參數設置，X軸、Y軸和Y負軸分別是所需坐標軸的長度，‘網格’和‘標注’表示圖中是否需要它們，‘穩定條件’是進行穩定性預測所需要的數據。

6.其它注意事項

隧道圍巖三維變形分析系統與自動全站儀配合使用，并對其量測時的測線布置規定如下各圖：

測線布置圖：

3測線

4測線

6測線

7測線

圖 三十八

第二篇：隧道圍巖大變形機理及處治技術研究

隧道圍巖大變形機理及處治技術研究

【摘要】本文結合工程實例，對公路隧道圍巖產生大變形的原因進行分析，并提出合理的處治措施。

【關鍵詞】隧道圍巖 大變形 原因 處治

一、隧道圍巖大變形機理分析及工程實例

1、隧道圍巖產生大變形的原因

各類圍巖在正常施工條件下都會產生一定的變形，不同國家、不同行業對各級圍巖巖及各種支護結構都規定有不同的預留變形量以容納這些變形。大變形是相對正常變形而言，目前還沒有統一的定義和判別標準。產生大變形主要有客觀和主觀兩方面原因，地質條件是客觀原因，技術措施不當是主觀原因，前者是根本原因。

2、工程實例

某公路隧道進口斜井位于溝谷地帶，地形呈左高右低現狀，地形起伏較大。該斜井設計平長140m，開挖范圍上部巖層為粉質粘土，下部為強-全風化頁巖夾砂巖，圍巖分級為V級。本工程地下水為上層滯水、基巖風化裂隙水及構造裂隙水。隧道凈空斷面尺寸為4.7（寬）×5.75（高）m，開挖斷面尺寸為5.82（寬）m×7.62（高）m。

在斜井施工至掌子面里程XK0+113時，通過觀察發現XK0+113～+122.5段初期支護噴射混凝土有開裂剝落現象。此時，仰拱施工至XK0+122.5；加強二襯施工至XK0+125.5。大變形段里程為XK0+113～+122.5，長9.5m，該段右側鋼拱架失穩內斂約60cm，初支砼嚴重剝落，變形過程+115～+118右側拱腳處、+118～+122右側墻角處分別流出黃色、黑色泥漿；地表沉陷深約1.7m，面積約70m2。通過對本段隧道所處地質環境綜合分析，圍巖大變形的主要原因有：

（1）地質因素。隧道圍巖經過多年地質構造運動，圍巖應力處于平衡狀態，一經開挖，潛在應力釋放，應力重新分布，在原生應力已遭破壞，新生應力場尚未穩定前提下，圍巖承受壓大、極易失穩導致坍塌；當通過各種堆積體是，由于結構松散，顆粒間無膠結或膠結差，開挖后引起坍塌；在擠壓破碎帶，巖脈穿插帶、節理密集帶等裂結構地層中，巖塊間互相擠壓鉗制，一經開挖則失穩，常見巖塊掉落、坍塌；在軟弱圍巖節理發育的情況下，或泥質充填物過多，均易產生較大的坍塌；在構造運動作用下，薄層巖體形成的笑摺曲、節理發育地段，施工中常常發生坍塌；巖層軟硬相間，或有軟弱風化夾層的巖，在裂隙水的作用下，軟弱面強度大大降低，因而發生坍塌；裂隙水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用加劇巖體的失穩和坍塌。

（2）結構支護原因。由于圍巖應力變化具有不確定性，結構支護承載應力很難進行精確計算，設計支護強度、剛度是否能夠滿足承載應力的要求是很難進行精確的判斷的，因此，支護參數的偏小，往往也是導致隧道坍塌的主要原因之一，且造成的危害性極大。

（3）施工原因。施工方法與地質條件不相適應，地質條件發生變化，沒有及時改變施工方法；施工支護不及時；地層暴露過久，引起圍巖松動、風化；忽略了圍巖的變形規律，圍巖的變形同時具有連續變形和突然變形的特征。當開挖距離小于D（D為隧道開挖寬度）時，圍巖兩端由于受到二次襯砌砼和開挖掌子面支撐的約束作用，連續變形很小，主要是爆破后的受震動影響的突然變形，而且在這個距離范圍內由于襯砌和開挖面支承的“空間效應”的影響，即使初期支護抗力不足圍巖滑移力亦不至于失穩，當這個距離為1.5D～3D時，“空間效應”的影響完全消失，初期支護抗力小于滑移力的問題即刻暴露出來，圍巖急劇變形，極易引起塌方。

二、隧道大變形段施工處治措施

1、垂直錨桿加掛網噴漿施工

本工程洞外處理措施采用全長粘結型早強垂直錨桿加掛網噴射混凝土。

（1）主要設計參數：錨桿孔深度、孔徑由設計決定，錨桿長度根據隧道埋深深度來確定，設計錨桿φ22螺紋鋼筋組成，間距1.5×1.5m梅花形布置，每根長4m；設置ф6鋼筋網，網格間距20cm×20cm。插入鋼筋束后壓漿機進行灌注1：1.5的水泥砂漿。孔口表面用砂漿護面，砂漿厚度10～15cm。

（2）施工技術要點。

①清除地表植被地表大致整平：人工清除地表植被，大致整平地表，經監理工程師檢查合格后方可進行下一步工序施工。

②測量定孔：工程技術人員根據設計圖紙測定孔位，并用木樁標出，其孔位誤差不得大于10cm；同時對施工人員進行圖紙及現場技術交底。

③鉆孔。露天鉆機精確就位并固定，保證鉆機鉆桿線垂直以及鉆機在鉆進時不產生偏移和傾斜；鉆孔順序由里向外或由外向里，先鉆高位孔。

④制作錨桿鋼筋及鋼筋束。錨桿宜采用錳硅螺紋鋼，直徑為22mm。用鋼筋切割機將鋼筋按設計長度進行切割。

⑤安裝錨桿鋼筋束。在安裝鋼筋前用高壓風進行清孔，以清除孔內粉碴及雜物。安裝鋼筋束：可借助于簡易鋼管架，安裝卷揚機對鋼筋束進行垂直吊放。

⑥灌注砂漿：安裝好鋼筋束后，堵塞孔口，用注漿機結合導管進行孔內灌注水泥砂漿，使孔內砂漿堵塞密實，保證地表錨桿的錨固效果；注漿時，孔口壓力〈0.4Mpa。

2、管棚超前支護施工

本工程洞內XK0+113～+122.5大變形段采用DN65中管棚加固過渡。

（1）主要施工參數：①管規格：內徑65mm，外徑76mm；②管距：環向間距40cm；③傾角：外插角1°～3°為宜，可根據實際情況作調整；④注漿材料：M20水泥漿或水泥砂漿；⑤設置范圍：拱部120°～135°范圍；⑥長度：15m。

（2）施工技術要點：

①開挖管棚工作室。工作室分步開挖，分步施鉆。即先在兩邊拱腳分別開挖兩個工作室Ⅰ，進行鉆孔、安管、注漿之后，再開挖工作室Ⅱ；當開挖工作室Ⅱ時，可棄碴于兩拱腳工作室Ⅰ。這樣既減少開挖工作量、減少搭拆平臺，又便于移動鉆機，有利于鉆孔作業。

②搭設平臺、安裝鉆機、測定孔位。搭設鉆機平臺，鉆機平臺盡量一次搭好。鉆孔順序，有高孔位向低孔位進行，可縮短移動鉆機與搭設平臺的時間，便于鉆機定位、定向。

③鉆孔。鉆孔為便于插管，管棚鋼管鉆孔直徑應比管棚鋼管設計直徑大20～30mm；若圍巖注漿固結好或巖質較好，可以一次成孔；圍巖局部注漿效果不好的，鉆進時可能產生坍孔、卡鉆，則需補注漿后再鉆進。

④安裝管棚鋼管。根據設計，管徑如采用80～180mm壁厚4mm以上碳素無縫鋼管，每節管長4～6m；每節鋼管用8mm厚的管箍連接；15m左右一次成孔的短孔，可用人工將鋼管直接插入鉆孔。管節與管箍的絲扣應提前在專用管床上按規定加工。

⑤安裝管棚鋼筋籠及管外注漿。管棚鋼管安裝好后，放置鋼筋籠并注漿。管內設置的鋼筋籠，由四根長4m的螺紋鋼筋焊接在壁厚8mm、長8cm的管節上而成，鋼筋直徑、管節外徑應根據管棚鋼管直徑大小而定。在鋼管鋼筋籠安好后，進行注漿。注漿用泥漿泵壓注，根據所要求的凝固時間決定采用水泥漿或水泥水玻璃雙液，分二次進行，第一次對二個工作室Ⅰ各個鉆孔注漿；第二次對工作室Ⅱ各個鉆孔注漿。

三、結束語

隧道圍巖大變形施工處治關鍵在于弄清軟弱圍巖的變形規律特征，找出其變形原因，采用合理的施工方法和支護參數。該隧道施工中有效地控制了大變形，整個施工過程中未發生一起安全事故，而且質量均在控制要求范圍內，表明軟弱圍巖采用的大變形施工處治技術是成功的可供同類工程施工參考。

參考文獻：

1、孫劍峰，秦嶺灞源隧道圍巖大變形處理方法，《中國科技博覽》2014年第19期

第三篇：(2P 城軌交通)淺議軟弱圍巖隧道變形地段施工

淺議軟弱圍巖隧道變形地段施工

席亞濱

軟弱圍巖是指飽和抗壓極限強度在30MP以下、巖體完整性系數在0.4以下的圍巖，其工程性質主要表現在圍巖自穩性差、節理發育、巖石風化嚴重。通常情況下，我們把以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主的隧道都稱之為軟弱圍巖隧道。軟弱圍巖隧道施工面臨的風險大于一般隧道，普遍存在初期支護變形、破壞、侵限換拱；結構下沉，噴射砼開裂掉塊剝落；突水涌泥、塌方，甚至是二襯破壞等現象，其出現的頻次和產生的破壞力大小與地質本身、施工能力和技術管理水平的高低等都有很大的關系。

在對軟弱圍巖隧道施工的時候，首先在要樹立一個全新的思想觀念，更要樹立一個堅強的信心。另外，在在項目最艱難的時候體現技術管理的龍頭作用，項目管理人員要做到思路清晰，以身作則，保持整個團隊的團結協作。一個項目團隊，如果長期牢固樹立好這些思想觀念的話，這個項目就至少成功了一半。當然，在實際的工作面前，我們更要講究科學的方法。

應遵循的原則

軟弱圍巖隧道施工中，我們要解決的核心問題就是控制變形。面對頻繁的變形開裂和由此導致的諸多問題，我們所有的努力都是為了實現一個目標，就是通過采取一定的初期支護補強措施和加強施工現場過程控制，將拱部的下沉和周邊的收斂控制在一定范圍內，確保每月最大有效施工天數，嚴防一切形式的變形開裂導致的換拱，杜絕塌方，確保施工安全；為此，我們在施工過程中必須要有一個很大的責任心。

責任心是戰勝軟弱圍巖隧道施工各種困難的法寶。各層次領導，任何一個部門，每一個參建人員都應立足本職工作，建立堅強責任心，才能應對好各種困難，才能解決好現場的各種問題。當然，除一個責任心外，在軟弱圍巖隧道施工過程中我們應該在技術上把握三個基本原則。

原則一：方案不失誤

我們在軟弱圍巖隧道施工中，應在不同階段根據不同的材料編制施工方案，施工前，我們可按照設計或業主提供的“風險評估報告”和相關設計文件編制專項的施工方案，該方案應具備一定的指導性；施工過程中通過超前地質預報成果和日常技術工作積累的一線資料，及時對“風險評估報告”進行細化和調整完善，同時根據其制定更為細化的施工方案，方案中的措施應滿足施工現場的需要，必須具備很強的可操作性并及時傳達給現場，必要時做相關的專題講座，讓方案深入人心；

解決軟弱圍巖隧道變形開裂控制問題，不能僅僅依靠技術手段，施工現場的嚴密組織和強有力的管理至關重要，只有平行解決才能從根本上起到作用。施工方案一旦確定，必須嚴格執行到位；實施過程務必規范、步步到位。

原則二：工序不失衡

在項目管理上，均衡是一個重要理念，在軟弱圍巖隧道施工過程中，不可控的因素有很多，例如地質變化快、局部失穩滑塌、突水涌泥等情況；掘進與仰拱和二襯要均衡，上、中、下三個臺階的施工要始終保持均衡；能力和目標要均衡（這主要體現在掘進進尺和仰拱開挖長度的控制上，你沒有配套的人員和設備，你就不能隨意加大工序循環進尺，這一點是需要特別注意的）；時間和空間要均衡（要發揮人員和設備最大潛力，施工組織十分重要，什么工序能平衡、什么工序必須獨立作業等等），一旦失衡就會帶來危險的后果，隧道施工上臺階過快會導致臺階長度加大，安全問題自然突出；我們在老東山隧道施工時，統計的大量循環時間記錄表就反映出單循環使用時間量的差異很大，下一步施工中，我們將繼續做好單循環作業時間記錄并進行認真細致的分析，及時提出問題所在，下力度解決這個時間差異。

原則三：圍巖量測不造假 所有隧道的塌方，都是一個由量變到質變的發展過程，量測是指導施工的“眼睛”，通過掌握拱頂下沉及周邊收斂的規律，發現異常立即采取加固措施，根據量測數據分析成果及時調整預留沉落量對于控制隧道初支變形開裂是非常有效的。我們要求各個隧道工區都要做好四個方面的工作；首先是嚴格按照規范要求，在開挖后及時預埋圍巖量測點并獲得初始讀數，困難地段及時增加測點密度，加大觀測頻率并將獲得的數據及時添加到“變形時態變化散點圖”中，據以及時考察變形發展動態，修正回歸系數；其次是不斷對兩圖進行回歸分析，并根據兩圖發展趨勢，預測可能出現的最大值和變形速率；三是根據變形最大值和變形速率預報圍巖穩定性和安全性并對其做出具體的規定，以便及時采取措施加強支護措施；四是建立“零”報告制度和實行嚴格的獎罰考核制度；最終實現量測工作全面、及時、準確和真實有效，確保施工安全。

應注意的幾個問題

在軟弱圍巖隧道施工過程當中，以下幾個問題是我們必須特別注意的：

由于軟弱圍巖地質較為復雜、變化頻繁，要成功的渡過軟弱圍巖的前提就是地質工作，只有做好地質工作，掌握準確的地質情況，才能正確選擇好施工方案；

“心之官則思”。要善于觀察并思考問題，“針尖大的窟窿能透過斗大的風”。在軟弱圍巖隧道施工中，地質一旦變化或有水的影響就該敏銳的感覺到它的嚴重性并迅速采取措施，不能熟視無睹、若置罔聞，要堅定不移地把施工安全放在壓倒一切的突出位置；

施工過程中，應嚴格按照“重地質、管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”的二十四字方針組織施工，它是軟弱圍巖隧道施工成敗的關鍵；

對于支護系統，應嚴格控制好拱架的縱向間距，加強鋼架的縱向連接；按要求做好超前支護和鎖腳錨桿（管），結合實際揭示圍巖的巖層產狀確定鎖腳錨桿（管）的角度，同時提高安裝焊接的質量。噴射砼時要控制好噴射距離和角度，嚴防出現空洞；總之要確保支護系統的有效性；

無論采用哪種施工方法，軟弱圍巖施工應嚴格控制好施工步距，仰拱施工必須先行，要確保二襯緊跟掌子面施工，安全距離任何時候不能超標；

高度重視水對軟弱圍巖隧道施工的影響；在做好超前探孔排水的同時，對初期支護表面潮濕段落應及時埋設Φ42小導管作為排水管，以便及時將地下滲水集中排出。

需要繼續研究的問題

對于軟弱圍巖隧道施工面臨的變形開裂問題，我們未來還會遇到很多，情況可能會更加復雜和多變。如，鋼支撐對于抵御變形開裂有多大的作用，占的比例有多少？如何有效提高支護體系的整體性？如何提高支護體系中鎖腳施工的質量？超前支護對控制拱部下沉有多大作用？每一種支護措施分別在控制變形開裂中起什么作用？噴射砼的工藝調整在抵御變形開裂問題上能起到什么樣的作用？注漿在以泥巖和砂巖為主的隧道施工中，對于抵御變形開裂有多大的作用嗎？通過研究各種變形量測的數據，可推測出變形開裂在某時刻可能達到的數值，于是引出了時間差，如何在施工中利用好這個時間差？對于擴大拱腳的實施在控制變形開裂中是否有效，其操作的可行性如何進一步的優化？預留沉落量在控制變形開裂中的作用及所占的比例？如何實現軟弱圍巖隧道施工的快速施工？

這些問題是要求我們需要在后續的施工過程中不斷的加強研究。可以說，不同的時空條件、不同的外部環境、不同的生產要素、不同的管理能力，所采取的方法都有所不同；在軟弱圍巖隧道施工的過程中，我們無法完全遏制變形開裂，但要確保其受控、不換拱；我們無法完全的避免塌方，但能夠防止出現人員傷亡。所以說，對于軟弱圍巖隧道施工，我們施工單位需要投入更多的心力，仔細研究，確保軟弱圍巖隧道施工的安全進行。

作者單位 中鐵十二局集團第二工程有限公司

第四篇：上海地鐵盾構隧道縱向變形分析

上海地鐵盾構隧道縱向變形分析

【摘 要】隧道若發生縱向變形將嚴重影響到隧道結構的安全。分析探討了縱向變形的發生、變化情況以及隧道結構和防水體系所允許的縱向變形控制值。結合工程實踐,對隧道發生的典型沉降曲線規律進行了深入的分析,其結論對有效控制隧道縱向變形具有指導意義。【關鍵詞】隧道;通縫拼裝;縱向變形;環縫;錯臺;防水;失效

至2020年,上海將建成軌道交通運營線路達到20條、線路長度超過870 km以及540余座車站的網絡規模。這其中,以盾構隧道結構為主的地下線路幾乎占到一半。控制隧道縱向變形是確保隧道結構安全的重要因素之一。在研究隧道縱向變形時,我們首先要關注這種變形是以何種方式發生、又是如何發展變化以及隧道變形控制值是多少等問題,本文對這些問題進行了分析探討。

1、盾構隧道結構和構造設計

盾構法隧道是由預制管片通過壓緊裝配連接而成的。與采用其它施工方法建成的隧道相比,盾構隧道明顯的特點就是存在大量的接縫。1 km長的單圓地鐵盾構隧道需要五~六千塊管片拼裝而成,接縫總長度約是隧道長度的20余倍。因此,盾構隧道的多縫特點已成為隧道發生滲漏水最直接或潛在的因素之一(見圖1)。在盾構拼裝結構中,接縫有通縫和錯縫之分,現以單圓通縫盾構隧道為例進行隧道縱向變形分析。1.1 盾構隧道結構與構造設計 1.1.1 管片厚度、分塊及寬度

單圓通縫隧道管片厚度350mm,管片為C55高強混凝土,抗滲等級為1 MPa。一環隧道由6塊管片拼裝而成(一塊封頂塊F、兩塊鄰接塊L、兩塊標準塊B和一塊拱底塊D),圓心角分別對應16°、4×65°和84°(見圖2a)。封頂塊拼裝方便,在拱底塊上布置了兩條對稱的三角形縱肋。整個道床位于拱底塊內,底部沒有縱縫,對底部環縫滲漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低處理底部滲漏水的難度。

1.1.2 縱縫和環縫構造

在管片環面中部設有較大的凸榫以承受施工過程中千斤頂的頂力,可有效防止環面壓損,既利于裝配施工,又易于整個環面凹凸榫槽的平整密貼,提高管片外周平整度;并可提高環間的抗剪能力,控制環與環之間的剪動,同時也可減少對盾尾密封裝置的磨損。靠近外弧面處設彈性密封墊槽,內弧面處設嵌縫槽。環與環之間以17根M30的縱向螺栓相連,在管片端肋縱縫內設較小的凹凸榫槽,環向管片塊與塊之間以2根M30的環向螺栓壓密相連,能有效減少縱縫張開及結構變形,環、縱向螺栓均采用熱浸鋅或其它防腐蝕處理。

這種構造設計使得隧道在拼裝完成后形成具有一定剛度的柔性結構,環向面之間以及縱向面之間可以達到平整密貼裝配,既能適應一定的縱向變形能力,又能將隧道縱向變形控制在滿足列車運行及防水要求的范圍內;同時,滿足結構受力、防水及耐久性要求。

錯縫拼裝與通縫拼裝略有不同,其拼裝方式是隔環相同,拱底塊不設三角肋,在道床底部有一條縱縫, 6塊管片所對應圓心角分別為20°、2×68.75°、3×67.5°(見圖2b)。不論是通縫還是錯縫拼裝,隧道總體上呈“環剛縱柔”的特點。

1.2 裝配隧道對縱向變形的適應性分析

錯臺是指兩環隧道之間發生的徑向相對位移,隧道縱向變形的適應性是指在保障隧道結構安全前提下各組成構件所允許的最大環間錯臺量。從以下幾方面分析各自對環間錯臺量的適應情況。1.2.1 環面構造對錯臺量的適應性

如圖3a示,在管片環面中部設了較大的凹凸榫槽。因環面裝配部位的凹槽比凸榫稍大,存在約8mm的極限裝配余量,可允許凸榫在凹槽內沿著徑向作微量移動或滑動。這種環面間的相對移動表現在隧道壁上就是錯臺現象(見圖3)。無論環面凹凸榫槽的初始裝配關系如何,當環間錯臺達到4~8mm時,凸榫的頂部邊緣將與凹槽的底部邊緣相接觸,若繼續發生錯臺,凹凸榫槽將發生剪切。應當說環面上設置的凹凸榫槽對提高環間的抗剪切能力是有益的。從環面構造可知,當環間錯臺量超過4~8mm時,環面縫隙將按線性張開。所以, 4~8 mm錯臺量應是環面裝配和錯臺的控制值。1.2.2 密封墊對錯臺量的適應性

在環面上靠近外壁約30 mm處設有密封墊(現多為三元乙丙橡膠材料),按照設計構想,理想裝配條件下密封墊徑向寬度的重疊達23 mm,并可抵御環面間張開4~6 mm而不會發生滲漏水。通過對密封墊試驗和數值計算分析發現,當環面之間發生錯臺時,密封墊表現出復雜的形狀,不同部位呈拉壓剪等十分復雜的受力狀態。從理論上講,當環間錯臺量為4~8 mm(甚至更大一些)時兩塊壓緊狀態的密封墊是不會產生滲漏水的。由于環面上的密封墊不是完整的(分別粘貼在12塊不同管片上),裝配后單側整環密封墊長達19.415 m,且存在許多棱角組合,加之防水材料質量及施工技術條件等制約因素,多數滲漏水發生在錯臺量<8 mm(甚至更小)的情況下(見圖4)。

1.2.3 螺栓孔和螺栓對錯臺量的適應性

為便于管片拼裝緊固,一般螺栓孔設計的要比螺栓稍大,螺栓孔徑為35mm,螺栓直徑為30 mm,在管片拼裝或產生錯臺時可允許螺栓適當調整。當環間錯臺量較小時,螺栓會隨管片發生移動,螺栓拉伸量相當有限。不論螺栓與螺栓孔的初始裝配關系如何,在錯臺量達到6~12 mm后,螺栓孔與螺栓的對應位置關系都趨于極限,螺栓將發生拉彎,同時對手孔部位的混凝土產生壓剪作用。因手孔部位增強了配筋,螺栓會在手孔部位的混凝土壓壞之前先于拉壞。

通過以上分析可知,隧道環面構造、防水體系及螺栓等在隧道發生變形過程中所起的作用不盡相同,對錯臺量的適應性也并不完全一樣。但將它們裝配成一條完整的隧道后就必須要求管片間的變形要協調,即只有當錯臺量同時滿足結構抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求時,隧道安全才有保障。受管片制作、拼裝施工、密封墊質量等因素的影響,通常在隧道投入運營之初,環縫、十字縫或管片接縫處就已發生了滲漏水,隧道在施工過程中已經用掉了大部分結構變形和防水預留量,而留給運營期間允許發生的變形余量非常少。因此,綜合多方面因素,將環面間的錯臺量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。

2、隧道縱向變形分析

在隧道防水設計中,一般取縱縫和環縫張開量來確定密封墊的性能,彈性密封墊在隧道張開量達到4~6 mm時還具有防水能力。但隧道縱向變形究竟是以隧道頂底部剛性張開方式還是以環面錯臺方式進行的?或是兩者兼之?下面分別對兩種情形進行討論分析。

2.1 假定隧道縱向變形是以剛體轉動的方式進行的

將單環隧道假定為一個理想的剛體,允許環與環之間發生小角度θ的剛體轉動,隧道頂(底)部張開量Δ,形成隧道縱向沉降變形(見圖5)。當隧道發生沉降時,隧道頂部壓緊,底部張開(或閉合)量Δ;反之,隧道頂部張開Δ,底部壓緊。根據剛體轉動幾何條件,隧道環寬w、直徑D、環間張開(或閉合)量Δ及隧道縱向沉降曲線半徑R之間有如下幾何關系:

當取環寬為1.0 m、隧道外徑為6.2 m,隧道縱向沉降(或隆起)與環縫張開關系見表1。若依此計算,當環縫張開量為6 mm時,隧道防水已經失效。但在隧道實際變形中,如此小沉降半徑(甚至更小)是存在的,但防水體系并沒有發生失效現象。這說明將隧道縱向變形視作整環隧道剛體轉動的假定與隧道實際發生的縱向變形有著較大出入。在已建隧道中,隧道長度與直徑之比L/D>150,隧道縱向端點與車站錨固聯結,車站剛度較大,而且隧道與周圍土層之間存在一定的抗剪力,對隧道沿縱向移動有較大約束,加之管片之間螺栓緊固作用等,對隧道整環發生剛體轉動或沿縱向產生較大的水平位移(縫隙)起到極大約束作用。一般情況下,沿隧道縱向難以產生較大的環間縫隙或剛體轉動。

2.2 假定隧道縱向變形是以環間錯臺方式進行的

從上述分析得知,隧道環與環之間可以發生小量級的錯臺而不破壞隧道的安全性,假定隧道縱向變形曲線視作是由環與環之間發生不同錯臺而形成的,現分析沉降曲線為等圓的錯臺情況。將最下部的一環定為第1環,稱之為基準點,第1環隧道底部與沉降曲線最低點之間沉降差定義為初始錯臺變形δ1,第2環與第1環之間的錯臺變形量δ2,第i環隧道與i-1環之間的錯臺變形量δi。根據圖6a示,第一環的初始錯臺量為δ1,則有:

根據表2和圖6分析可知:①沉降曲線半徑越大,沉降影響范圍越大,環間錯臺發展速度越緩慢;反之,沉降曲線半徑越小,沉降影響范圍越小,環間錯臺發展就越快(即錯臺很快就超出安全控制值)。②沉降曲線半徑越大,沉降范圍內的累積沉降量越大。由式(3)可以看出,即使環間的錯臺量是一個較小的數據,但在一個較大范圍的隧道累計變形量來說仍然很可觀。③即使在等半徑沉降曲線上,不同距離的環間錯臺量是不同的。由式(2)可知,距離基準點越遠,環與環之間的錯臺變形量就越大。

隧道安全取決于隧道結構和防水體系的安全,通過對隧道的長期現場監護監測發現,隧道結構沉降變形和防水之間又是相互影響和相互促進的,隧道滲漏水會引起隧道變形加大,隧道變形加大又會加劇隧道滲漏水,形成惡性循環。

在隧道發生滲漏水的許多部位,沉降曲線半徑超過15 000m,滿足隧道縱縫張開的設計要求;在發生較大沉降變形區段,沉降曲線半徑遠小于15 000m,隧道沒有發生滲漏水,也未發現隧道頂底部的轉動張開;在幾處發生過險情的隧道區間,隧道沉降半徑遠小于500 m,發生漏水的整環隧道多位于沉降曲線的直線段,個別環間錯臺量達數厘米,在隧道內壁上表現為明顯錯臺形式。理論分析和隧道發生滲漏水的實際情況都證明了隧道縱向變形方式是以環間錯臺方式進行的,將隧道縱向沉降曲線視作是由一系列環間錯臺構成的這一假定是合理的。

2.3 隧道縱向變形過程分析 在隧道發生沉降(隆起)后,隧道總長度增加,沉降變化越多,變化量越大,隧道總長度增加量就越大。當錯臺量較小時,隧道縱向增加量較小,可用下式來表達:

當錯臺量超過4~8 mm時,隧道縱向長度計算還應考慮縱向環面縫隙的增加量w0。下面根據不同程度的錯臺量對隧道結構安全和防水影響進行分析:(1)當環間錯臺量為1~4 mm時,這個量級的錯臺可以通過隧道環面構造設計本身加以調整,但會對密封墊產生一定的拉壓作用。從幾何意義上講,變形前密封墊徑向重疊厚度至少可達約23 mm,發生錯臺后密封墊仍可保持約19 mm的重疊厚度。根據式(4)計算,若錯臺為1 mm,單環隧道增加長度0.005 mm;若環間錯臺4 mm,單環隧道增加長度0.008 mm。這個量級的小錯臺量引起隧道縱向長度的增加非常小,環間縫隙寬度不增加。

隨著環間錯臺量的增大,密封墊不同部位表現為十分復雜的拉壓剪等受力狀態,密封墊一般不會發生滲漏水現象,但環面間的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道發生滲漏水的概率大為增加。縱向連接螺栓或將進一步發揮抗拉作用,對手孔部位的混凝土施加低水平的壓剪作用。

(2)當環間錯臺量達4~8 mm時,即在前一階段變形基礎上繼續發生錯臺4 mm(見圖3b)。不論環面凹凸榫槽最初裝配位置如何,此刻凹凸榫槽處在極端配合狀態,凸榫頂邊緣與凹槽底邊緣相接觸,凹凸榫槽直接發生剪切,螺栓也處在進一步拉緊狀態,密封墊的變形和受力狀態也隨錯臺量的加大而加劇,但密封墊徑向重疊厚度仍可達15 mm。根據式(4)計算,若錯臺達到4~8 mm,單環隧道長度增加將達0.032 mm。這個級別的錯臺引起隧道總長度的增加量依然很小,環間縫隙寬度不增加,但密封墊之間、密封墊與管片之間都可能會直接發生滲漏水現象,環間防水能力被極大削弱,隧道發生滲漏水的幾率成倍增加,必須引起警惕,采取措施控制錯臺的進一步發展。

(3)當環間錯臺量達8~13 mm時(見圖3c),環面凹凸榫槽已發生直接剪切,凹凸榫槽局部會出現裂縫,而導致防水失效,這個錯臺量會引起環面凹凸榫槽出現“艱難爬坡”現象,環間縫隙呈線性擴大,螺栓被拉流。盡管密封墊徑向重疊厚度仍有10~15 mm,但因管片局部發生破壞、環面間縫隙超過防水標準而失去防水作用。根據式(4)計算,若環間錯臺量達到13mm,隧道長度增加迅速,單環隧道增加量也達13.083mm,環縫張開量將迅速增加超過6 mm,環間防水體系基本失效,將會有大量水土流入隧道,環縫漏水嚴重。圖7是整環隧道發生豎向錯臺示意圖,當環間發生豎向錯臺時,依附于管片上的密封墊將隨同管片一起發生錯臺。在隧道頂底部位錯臺最為顯著,其它部位并不明顯,但此時環面上凹凸榫槽還處在咬合狀態,錯臺將呈直線方式發展。隧道處于此種狀態十分危險,若變形繼續發展,后果不堪設想。

(4)當環間錯臺量為13~23 mm時(見圖3d),環面間持續剪切導致凹凸榫槽結構進一步破壞,防水體系完全失效,凹凸榫槽還處在咬合狀態,錯臺將呈線性發展直至結構失穩,尤其當隧道下臥土層是砂性土層的狀況時風險性更大。

分析表明:①若錯臺量在幾毫米以內,隧道總長度增加量很少,環間縫隙寬度并不增加,隧道結構安全尚處在可控狀態,但會大大削弱密封墊的防水效果;②若錯臺量超過環面凹凸榫槽配合極限之后,環間縫隙按線性發展,管片會發生破損、防水失效等現象,給隧道安全帶來災難性威脅。因此,徑向錯臺的增加不僅會引起隧道環面發生剪切,還將導致隧道縱向水平位移(環面縫隙)的增加。

以上僅是對隧道豎向發生徑向錯臺進行分析,實際上隧道發生縱向變形遠比此復雜。隧道在裝配完成受力后其環面并不是一個真圓,環面凹凸榫槽的裝配關系隨之發生變化,這些變形會沿著隧道縱向進行傳遞,隧道縱向和橫向變形在一定范圍內相互影響。

3、隧道縱向變形典型曲線及工程實例 3.1 隧道縱向沉降典型曲線

圖8是典型縱向沉降曲線,沉降曲線呈對稱漏斗型。一半曲線是一條反S沉降曲線,曲線的上部向下彎曲,下部向上彎曲,中間呈直線段變化。可將曲線劃分成三段,現逐一分析如下: 第一段為向下彎曲段(沉降加速段)。該段隧道受擾動影響較小,環間錯臺較小,縱向變形量小,環與環之間的錯臺迅速變大,環間縫隙基本上沒有張開,也不發生滲漏水,此階段的縱向變形累計量較小。

第二段為直線變形段(沉降均速段)。該階段隧道受擾動影響較大,該段環與環之間的錯臺量較大,凹凸榫槽相扣處在剪切狀態,錯臺基本上呈直線型發展,沒有明顯彎曲,縱向沉降累積量迅速變大,環間縫隙防水失效,有大量水土涌入隧道。

第三段為向上彎曲段(沉降減速段),也是最后一個階段。該段環與環之間的錯臺變形由大變小,曲線呈向上彎曲狀,此階段的縱向累計沉降量達到最大。

近年來發生的幾起隧道險情大沉降與上述隧道縱向變形曲線非常吻合。3.2 工程實例

(1)圖9是上海軌道交通2號線某停車場出入庫線下行線隧道泵站發生事故后形成的沉降曲線。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道發生了較大錯臺變形,個別環間錯臺量達到數厘米,最大累計沉降量達26 cm,后經及時搶險才得以控制隧道危情。

(2)4號線大連路區間隧道因結構存在固有缺陷導致隧道漏水漏砂,環間發生了較大錯臺沉降,縱向累計和差異沉降變形都很大,環間發生錯臺量達到3~5 mm,累計沉降達9 cm,影響范圍超過100m,后經及時發現搶險并最終得到根治。環間過大的錯臺變形勢必會引起隧道結構開裂,導致隧道受損或破壞,防水體系失效,給隧道結構安全帶來直接威脅,多處隧道發生的縱向大變形驗證了這一變形過程。

4、結語

本文通過對地鐵盾構隧道縱向變形進行分析,得到如下結論:(1)地鐵盾構隧道縱向變形基本上是以徑向錯臺方式進行的。

(2)徑向錯臺的增加不僅會引起隧道環面發生剪切,同時會引起環縫間隙按線性發展,導致隧道結構損壞、防水失效。必須嚴格控制各類因素引起的環間錯臺量。

(3)研究了不同沉降曲線半徑的環間錯臺變化規律,等半徑沉降曲線上不同位置的錯臺量是不同的。結合工程險情研究了典型的隧道沉降曲線。

(4)隧道安全與隧道結構變形和防水密切相關,防水的成敗關系到其長久安全,“見水就堵”是十分重要的。這些分析結論進一步加深了對隧道發生沉降方式和變形控制值的認識,對指導地鐵盾構隧道安全監控具有重要的意義。

第五篇：地鐵隧道變形監測信息管理系統的開發

地鐵隧道變形監測信息管理系統的開發

摘要：地鐵隧道結構變形監測的特殊性、周期性和長期性,使其信息量非常龐大。信息管理是地鐵隧道結構變形監測中一項重要的工作,現有的管理方式效率很低。為了高效、準確地管理監測信息,及時分析預報地鐵隧道結構的穩定狀況,本文結合南京地鐵運營期隧道結構變形監測實例,開發了一套具有變形監測資料存儲、預處理、管理分析、可視化分析、預測預報及限值預警等功能的信息管理系統,保證了準確及時快速的數據處理和信息反饋,具有良好的運用和推廣前景。

關鍵詞 地鐵隧道 變形監測 信息管理系統 引 言

隨著經濟的發展,越來越多的城市開始興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質復雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心,其安全問題不容忽視。無論在施工期還是在運營期都要對其結構進行變形監測,以確保主體結構和周邊環境安全。

地鐵隧道是一狹長的線狀地下建構筑物,監測點數量比較大,其周期性和長期性,使數據量非常龐大。面對這些繁雜而又龐大的數據能否管理利用好,關系到監測隧道結構變形和預測預報結構變形工作能否實現和實現的質量。為此,如何有效地管理原始信息,并進行相應的處理顯得尤為重要。目前多數監測信息的管理和應用存在不直觀、不及時、自動化程度較低等缺點,根據地鐵隧道結構自身特點研制一套高效率的、使用方便的監測信息管理系統是必要的,它與變形監測一樣具有重要的實用意義和科學意義。系統設計思想

以地鐵隧道結構變形監測信息為管理對象,根據地鐵隧道結構變形監測的實際情況,綜合運用監測數據處理分析技術、數據庫技術和信息管理技術,實現對地鐵隧道結構變形信息的存儲、預處理、管理分析、可視化分析監測信息、預測預報及限值預警,為結構分析提供數據資源,以及時反饋地鐵隧道結構安全狀況,使安全監測管理人員更為方便和高效的管理監測信息,為確保地鐵隧道結構的安全運行提供有效的決策支持。地鐵隧道結構變形監測數據管理系統主要應滿足如下要求: 1.1 提高地鐵隧道結構變形監測數據處理分析與

管理的科學化和自動化水平,滿足輔助決策需求 1.2 構建地鐵隧道結構變形監測信息管理基礎平臺

1.3 為后期自動化監測的開展及安全監測專家系統的建立提供基礎。3 系統功能

地鐵隧道結構變形監測信息管理系統包括文檔管理、數據預處理、數據庫管理、監測數據分析、信息預警預報和系統管理六大模塊,內容不僅涵蓋了相關技術規范的所有要求,而且具有地鐵隧道自身的特點,全面、標準、專業,有良好的應用前景。

3.1 文檔管理模塊 3.1.1 變形監測資料 地鐵隧道結構變形監測根據地鐵隧道結構設計、國家相關規范和類似工程的變形監測以及當前地鐵所處階段來確定,主要內容包括[3]:垂直位移監測(區間隧道沉降監測和隧道與地下車站沉降差異監測);水平位移監測(區間隧道水平位移監測和隧道相對地下車站水平位移監測);隧道斷面收斂變形監測等。

對于不同的地鐵隧道結構變形監測項目內容,所用監測方法和儀器也不相同。通常,對于隧道垂直位移和水平位移監測,可通過大地測量或者自動化測量的方法利用精密水準儀、精密全站儀或智能全站儀進行;而對于隧道斷面收斂變形監測,則要通過物理量測的方法利用收斂儀(計)進行。

變形監測資料包括歷次變形監測的原始數據,監測報告及鑒定報告等。3.1.2 工程概況資料

工程概況資料主要有工程概況、工程特性參數、重要技術資料和安全監測系統檔案等。

(1)工程概況:包括地鐵地理位置,車站布置,沿線主要建筑物概況,工程地質與水文地質條件,結構特性、施工情況等。(2)重要技術資料:主要結構設計文件、圖紙,運行設計報告,竣工驗收報告,隧道加固改建或觀測更新改造專題報告,重要工程圖形和圖像。(3)變形監測系統檔案:主要包括監測儀器運行、維護和歷次檢查、鑒定記錄及報告。

(4)其他資料:主要包括水文、氣象和地震資料等。3.1.3 巡檢資料

包括對隧道結構的各個部位和斷面的滲漏、變形和裂縫等的日常巡查記錄表,隧道安全情況和隧道重大事故報告等。3.2 數據預處理模塊

通過不同的方式導入原始監測資料,并對其進行粗差檢驗,若有粗差則提示警告,以便查找原因返工重測,然后再進行初步處理分析。對基準點和工作基點的穩定性進行檢驗,不同的穩定性檢驗結果決定平差方法的選取。最后對所得監測結果進行整理,存儲至相關數據庫。3.2.1 數據導入

目前嵌入式操作系統發展特別迅速,根據監測手段和方式不同,用戶可以通過系統的接口程序實現系統和觀測電子手簿直接相連,自動導入或手工導入。3.2.2 粗差檢驗

依據相關規范規程應用相應檢驗粗差的方法對其進行檢驗,若有粗差則給出提示警告和可能原因,以便查找原因返工重測;若沒有粗差則提示檢驗通過,可進行下一步處理計算。3.2.3 穩定性檢驗

通過對監測資料的計算分析,應用統計方法(F檢驗和t檢驗)對基準點和工作基點的穩定性狀況進行分析,為平差計算采用何種平差方法提供依據。3.2.4平差計算

根據基準點及工作基點穩定性檢驗結果,對變形監測網相應的選用經典平差、擬穩平差或自由網平差;如果監測資料(如隧道收斂變形監測資料等)無需平差計算的則直接進行相關成果計算。

3.2.5 資料整理入庫

根據前述各部分處理計算所得結果,對所得監測成果以及檢驗結果進行整理和存儲入庫。此外,可根據需要對相關監測屬性信息進行相關編輯、修改,然后再整理入庫。3.3 數據庫管理模塊

對數據庫相關數據進行查詢、添加錄入、修改和刪除,同時可根據需要進行數據報表生成輸出。3.3.1 數據查詢

根據不同監測項目特點,采用不同的查詢方式對測點的屬性信息和監測成果進行條件查詢和遍歷查詢,并可根據需要將查詢結果以不同的方式輸出。3.3.2 數據錄入添加

根據實際需要對測點屬性數據和監測單位所提供的直接成果數據進行錄入添加,同時可對屬性數據信息進行編輯、修改添加。3.3.3 數據修改

考慮到操作的規范性,系統只允許對監測點屬性進行修改。通過查詢所要修改的監測點,對其屬性信息進行修改,同時可以動態顯示數據庫中的監測點屬性信息,方便用戶及時看到修改結果。3.3.4 數據刪除

與數據修改功能相似,通過對數據信息查詢后再進行刪除,刪除前須經確認,然后才能操作,確保準確無誤。

3.3.5 報表生成

可根據用戶需要,查詢相關監測信息,然后以相關的報表形式輸出監測信息。3.4 監測數據分析模塊

通過應用不同的數據分析方法和方式對各種監測數據進行處理分析,分析過程和方式采用表格和曲線圖形方式進行。

3.4.1 監測點穩定性分析

應用相關穩定性分析方法及指標,結合監測現場實際,對不同類型監測點穩定性進行分析評判。3.4.2 可視化分析

針對監測信息反饋分析的需要,提供可視化的變形監測圖形報表,輔助測點穩定性分析評判,以便使用者更直觀具體地了解隧道結構整體變形趨勢。

以南京地鐵西延線垂直位移監測為例,除提供每期沉降量曲線圖、沉降速率曲線圖、撓度曲線圖、相對撓度曲線圖外,還可提供任意兩期累積沉降量、累積沉降速率、撓度及相對撓度的對比曲線圖。3.5 信息預警預報模塊

僅僅將監測的信息錄入系統中是不夠的,還要根據穩定性分析以及前n期的監測成果模擬監測點的變形曲線,并結合相關資料預報今后的變化趨勢。由于影響變形體的因素錯綜復雜,考慮到系統的通用性,模塊提供了回歸分析、灰色系統、kalman濾波等傳統的模型供選擇。

根據系統給出的限值進行預警,提供相關區間段的工程圖紙及地質、水文氣象資料,便于隧道結構變形情況的進一步分析。3.6 系統管理模塊

為保證系統的安全,系統運行和數據操作過程中都不能出現任何差錯,必須對系統進行有效的管理,這主要是指對系統用戶的管理及日常使用日志的管理。3.6.1 系統用戶管理

為保證監測信息的完整性、正確性和安全性,必須對系統的用戶進行有效的管理。用戶登錄系統的過程必須在系統日志中進行登記,包括用戶名、登錄時間、對系統的操作過程以及在系統中滯留的時間等。系統管理員定期將系統的用戶使用情況向主管領導匯報。在征得主管領導的同意后,系統管理員可以根據實際情況添加用戶或提升、降低某些用戶的用戶使用級別,必要時可以禁止某些用戶的使用權力。系統用戶管理包括系統用戶登錄管理和用戶權限管理兩個部分。3.6.2 系統日志及安全管理

本系統為系統管理員提供系統日志的檢查和備份功能,使系統管理員通過對系統日志的查看了解系統的使用情況以及存在的不足和問題,及時地處理系統存在的隱患,保證系統的高效運行。3.6.3 數據庫備份與恢復

為了保證管理系統或計算機系統經災難性毀壞后,能正常恢復運行,必須進行數據庫的備份與恢復。系統采用自動備份與人工備份結合的方式,確保系統的安全穩定運行。4 結 語

地鐵隧道結構變形監測信息管理系統采用C/S結構設計,各功能模塊間具有相對地獨立性,便于進行功能擴充,為后期自動化監測的開展及安全監測專家系統的建立提供支持和鋪墊[4,5]。該系統已在南京地鐵中應用,不僅準確及時快速的數據處理和信息反饋,提高了地鐵運營的管理水平,而且為地鐵的安全運營提供了保證,具有顯著的社會經濟效益和良好的應用前景。

參考文獻

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[4]趙顯富.變形監測成果數據庫管理系統的研制[J].測繪通報,2001,4:28—32 [5]張其云,鄭宜楓.運營中地鐵隧道變形的動態監測方法[J].城市道橋與防洪,2005,7:87—89