第一篇：地鐵區間隧道基坑的變形分析[最終版]

地鐵區間隧道基坑的變形

分析

摘 要 通過對南京地鐵明挖段基坑工程變形情況進行 分析 ,指出狹長條形基坑的變形特征,并分析不均勻超載、降水、地表剛度、開挖范圍及開挖時間對基坑變形的 影響 規律 ,提出相應的控制基坑變形的工程措施。關鍵詞 側移 沉降 不均勻超載 降水 地表剛度

近年來,地鐵工程建設在許多城市相繼展開,已成為 現代 城市建設的重要部分。地鐵區間隧道的施工中,較多地采用了盾構法和明挖法,前者主要 應用 于埋深較深的隧道施工,而對于覆土深度淺于5m的隧道,一般則采用基坑支護下明挖法施工。

明挖法地鐵區間隧道基坑一般為狹長條形,周圍環境變化較大,因而影響基坑變形的因素較多,其中許多因素具有不確定性,使得精確 計算 基坑的變形十分困難。在工程實踐中,更多地依靠“ 理論 導向、量測定量、經驗判斷、精心監

控”[1]綜合技術控制基坑的變形。工程實例

南京地鐵為南北走向,全長由高架段、地面段和地下段幾部分組成,其中埋深較淺的TA4標過渡段區間隧道采用明挖法施工,基坑長312.542m,寬12.90~14.00m,北部開挖深度為8.75m,南部3.50m。該工程東邊為城市一主干道,西邊北部為一居民區,住宅樓均為6層磚混結構,筏板基礎,南部為城市道路及部分生活設施管線。主要地層情況如下:

①雜填土,層厚1m左右;

②素填土,層厚3m左右,微透水,Es,1~2=4·36MPa;

③粉土,層厚

2m

左右,微透水,稍密,Es,1~2=7.04MPa,C=23kPa,Φ=22.8°;

④淤泥質粉質粘土,層厚12m左右,不透水,軟流塑,Es,1~2=3.71MPa,C=14kPa,Φ=9.6°;

⑤粉質粘土,層厚7m左右,不透水,可

塑,Es,1~2=7.06MPa,C=61kPa,Φ=9.4°。

該工程北部圍護結構為SMW工法擋土墻,水泥土攪拌樁直徑為

850mm,搭

接

250mm,型

鋼

為700mm×300mm×12mm×14mm的H型鋼,間隔布置(中心距1200mm),水泥土的強度在1.0Mpa以上,設置兩道609支撐;中部水泥土攪拌樁直徑為650mm,搭接200mm,型鋼為500mm×250mm×10mm×12mm的H型鋼,間隔布置,設置兩道Φ609支撐;南部采用由格柵式水泥土素樁組成的重力式擋土墻。根據工程現場情況及要保護的建筑物情況,在現場布置了兩個測斜孔、5個水位觀測孔及18個沉降觀測點,各測點布置圖如圖1所示。圍護結構施工完成1個月后開始進行坑內降水,20天后,預計坑內水位以降至開挖面以下,此時觀測到坑外水位下降了0.38m,穩定水位10天后設置首道支撐(Φ609鋼管),并開始進行開挖。由于基坑較長,采取分段開挖施工的 方法 ,首先開挖北面大約80m長的一段。當開挖至地表下4.5m處時,測得1號沉降觀測點沉降值達36.1mm并報警,但此時1號測斜孔測得的圍護結構最大側移僅為16.2mm,當時認為沉降較大是由于降水引起,可能基坑未開挖部分某處出現了滲漏,而當時水位已滿足施工要求,便停止降水,繼續開挖至地表下6m處,設置第2道支撐,然后開挖至基底,此時測得基坑圍護結構最大側移為58.2mm,超出預估側移

35mm較多,地表沉降最大處(4號點)達43.2mm,地面并出現部分平行于基坑方向的裂縫,此后圍護結構側移在開挖停止后仍在不斷增加,但進展較少,澆筑隧道底板后,圍護結構側移也穩定下來。整個施工過程中周圍的居民住宅樓未發現任何破壞。變形特征

從基坑變形監測結果可看出該基坑的變形具有以下特征:

(1)總體看來,該基坑工程的變形較正常情況大,但基本達到了對周圍建筑物和管線保護的目的。

(2)圍護結構的側移最大處位于開挖面附近稍低于開挖面,總體變化趨勢呈拋物線狀(見圖2)。

(3)基坑周圍地面沉降最大值發生在基坑邊緣,隨著離基坑距離的增大基本上呈線性減小(如圖3)。其最大沉降值與圍護結構的最大側移值之比大約等于0.75,地表沉降范圍大約為30m,這比 文獻 [2]計算結果大了近1倍,基本等于住宅樓所在的范圍。變形原因分析

結合工程現場具體情況,對該基坑的變形特點進行深入分析 研究 ,筆者認為該工程產生較大變形的原因主要有以下幾個方面:

1)不均勻超載

采用文獻[3]的方法對該基坑進行變形估算,如取地面超載q=30kPa,則基坑圍護結構最大側移為31.2mm,如取地面超載q=100kPa,這基本等于6層居民樓基底的壓力,則計算所得的最大側移將達42.3mm。由于本基坑工程西邊建筑物較密集,而東邊較空曠,兩邊超載差別較大,同時基坑采用了內支撐,使得基坑產生部分向東的整體位移,勢必加劇基坑西邊的變形。工程中雖未對東邊圍護結構的側移進行量測,但沉降觀測結果充分說明了這一現象,當4號點沉降達43.2mm時,16號點的沉降僅為13.8mm,預計東邊圍護結構的側移約為20mm。

2)地面剛度

由于本工程周圍住宅樓的基礎采用了筏板基礎,整體性

好且剛度大,這相當于增強了地表的強度與剛度,減小了基坑開挖引起的地表不均勻沉降,但同時增大了基坑開挖影響范圍,使地表沉降范圍擴大到整個建筑物基礎范圍內。同時,有效地增強了地表對基坑變形的耐受能力,雖然開挖后期,地表出現了許多平行于基坑方向的裂縫,但房屋內地坪未發現任何新的破壞。3)降水

坑內降水勢必造成圍護結構側移,引起坑外地面下沉。同時,地下水位下降后,地基附加應力增加,也將造成地面下沉。本工程在開挖前期,進行坑內降水的同時,引起坑外水位降低了0.38m,所以坑外發生了較大的地面沉降,停止降水后,地面下沉明顯減緩。4)時空效應

由于本工程所在的土層透水性很差,根據 文獻 [4]受時間效應的 影響 ,開挖后在相當長的一段時間內,基坑的變形都將緩慢增長。同時,由于本基坑平面為狹長條形,受空間效應的影響,其變形應比一般平面尺寸較小的方形或圓形基坑較大。4 控制基坑變形的工程措施

根據當時基坑變形的特點,筆者認為該基坑支護結構的強度已滿足要求,其變形也未造成需要保護的建筑物的損傷,基本已達到基坑工程支護的目的,但由于變形較大,并且在緩

慢增長,對附近的建筑物仍存在潛在的危險。因此,會同工程技術人員提出了以下控制措施:

(1)加快施工進度,提高隧道底部墊層混凝土的強度等級至C30,并在墊層內加配直徑為16mm,間距為200mm雙向鋼筋網片,以期求盡早在基底施加一道支撐。

(2)由于工程所處土層透水性很差,在施工可行的情況下盡量減少降水,并對基坑滲漏處及時堵漏。

(3)合理組織施工現場,適當在基坑東邊堆載,以緩和基坑兩邊超載不均勻的矛盾。

(4)采取分段施工,減小一次開挖的范圍,每次開挖后,盡快澆筑墊層和底板。

經過采取以上措施,有效地控制了基坑的變形,在后續工段施工的過程中,基坑圍護結構的側移及西邊地表的沉降均有不同程度的減輕。實測基坑圍護最側移控制在41mm內,地表沉降最大處控制在30mm以內,保證了基坑施工及周圍建筑物的安全。結論

綜合以上 分析 可得出如下結論:

(1)基坑周圍存在不對稱的超載時,將引起超載較大的一邊的變形加大,超載較小的一邊的變形減小,對這類基坑分析應積極探討整體分析 方法。

(2)基坑降水應隨著基坑開挖分階段進行,同時應嚴格控制基坑周圍重要建筑物和管線處的水位。

(3)在軟土地區,基坑開挖步序及開挖后暴露時間均對基坑變形產生一定的影響,在施工中應充分考慮時空效應對基坑變形的影響。

(4)整體性較好的建筑物對基坑變形的耐受能力較強,同時對基坑變形具有一定的抵抗作用。

參考 文獻

[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京: 中國 建筑 工業 出版社,1997·

[2]侯學淵,陳永福.深基坑開挖引起周圍地基土沉陷的 計算 [J].巖土工程師,1989,1(1)·

[3]孔德志.SMW工法土擋墻的性能分析及在南京地鐵工程中的 應用 [D].同濟大學碩士學位論文,2001.[4]劉建航,侯學淵,等.基坑時空效應 理論 和實踐[R].上海市科委課題報告,1997.9

第二篇：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。

第三篇：某市地鐵暗挖區間隧道工程施工組織

目錄

第一章 引言....................................................................2

第二章 工程概況................................................................2

第1節 工程地質及水文地質條件..............................................2

第2節 周圍環境狀況........................................................3

第三章 區間隧道施工及其對樓群的影響............................................3

第四章 主要技術對策及施工方案..................................................4

第1節 采用導洞、隔離樁方法確保樓房基礎安全................................4

第2節 隧道開挖采取洞內水平井點降水........................................5

第3節 修正支護參數、改進隧道施工工藝......................................6

第五章 技術措施的應用效果及分析................................................7

第1節 地表下沉監測結果及分析..............................................7

第2節 樓房基礎沉降觀測結果及分析..........................................8

第六章 結論....................................................................8

第一章引言

北京西直門至東直門的城市鐵路是北京市規劃的第13 號快速軌道交通線,全長約40 km ,其中和平里至東直門為地下段,采用暗挖施工。該區段是13 號線的控制工程,能否順利修通將直接影響到全線是否能夠如期通車。中鐵隧道集團承擔的第14 標段周圍條件極為復雜,尤其是要近距離穿越兩棟高層居民樓,在復雜地質環境下隧道施工必須確保居民樓的絕對安全,而且必須做到施工期間不擾民,因此,安全保障措施必須要絕對可靠,這對施工技術也提出了更高的要求。

第二章工程概況

第1節工程地質及水文地質條件

第14 標段主要由人工雜填土、第四紀沉積層和圓礫層組成。雜填土厚度為0.15～1.00 m ,最大厚度為4.2 m;第四紀沉積層厚度為0.5～18.7 m ,圓礫層最大厚度為3 m;粉細砂層稍密～中密,飽和,厚度為2.9 m;以下為粘土層。

該標段范圍內,上層滯水水位埋深4.0 m左右;潛水水位埋深在地面下7.5 m ,高出隧道開挖拱頂;承壓水水位埋深18.8 m ,位于隧道鋪底以下0.5 m ,對隧道施工無影響。

區間隧道在粘質粉土和粉細砂地層中穿過,上層滯水和潛水已進入隧道斷面。

第2節周圍環境狀況

北京城市鐵路東直門地下區間為雙跨連拱隧道,采用淺埋暗挖中洞法施工。典型斷面開挖寬度為12.05 m ,開挖高度為7.397 m ,支護形式為復合式襯砌。區間隧道在里程K39 + 505～K39 + 585 之間,從兩棟Y形高層居民樓中間下穿。兩座高層樓房地面以上22 層、66 m高,地下兩層,樓房基礎為現澆鋼筋混凝土箱型基礎(無樁基),箱型基礎持力層為2.7 m厚的換填級配砂石,暗挖隧道外輪廓線距樓房基礎水平距離最小為1.6 m。隧道與高層樓群地平面及剖面關系

分別如圖1、圖2 所示。

圖1 樓房與區間隧道的平面位置關系

圖2 樓房與區間隧道的剖面位置關系

第三章區間隧道施工及其對樓群的影響

由于暗挖隧道開挖跨度達12 m ,覆土僅為1 倍洞徑左右(7～12 m),上覆地層難以形成承載拱，上覆土柱荷載較大。設計采用中洞法施工,工況要求中隔墻形成承載能力后,方可進行側洞開挖,最后施作側洞襯砌形成雙連拱結構。由于區間隧道兩側為不對稱布置,基礎持力層位于隧道拱腰部位,樓房靜載和靜載偏壓可能對隧道施工安全和結構安全構成威脅。

區間隧道采用雙連拱隧道施工對高層居民樓安全是不利的,主要表現在:(1)區間隧道為雙連拱結構,采用中洞法施工,施工步序多加之需降水,造成對樓房基礎地層的多次擾動,如沒有穩妥可靠的技術措施保證,疊加后可能產生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來致命的危害。

(2)區間雙連拱隧道中洞、側洞為瘦高型結構,在初支施工過程中隨著開挖在樓房靜載作用下土層應力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎產生不均勻沉降。

(3)相鄰地段的監測表明,僅中洞通過后最大累計沉降量即為73.2 mm ,距中洞6.0 m范圍內地表沉降量均在40 mm以上,沉降曲線拐點距中洞中線79.7 m。類比可知高層居民樓區域中洞施工引起地表沉降量可達23 mm ,沉降曲率為3.8 %。可見,若不采取可靠的措施,將對樓房造成較大危害。

第四章主要技術對策及施工方案

第1節采用導洞、隔離樁方法確保樓房基礎安全

為確保樓房的絕對安全,用兩排鋼筋混凝土樁墻將樓房基礎與隧道隔離,以此對樓房進行防護。在高層居民樓南側已建成的1 # 豎井內開挖兩個小導洞,在樓房之間隧道上方通過。導洞開挖完成后,在兩個導洞內施作灌注樁,樁長14.0 m ,錨入隧道底板深度為6.0 m ,導洞與隔離樁連成整體高出隧道4.2 m ,形成樁墻、帽梁將樓房基礎與隧洞隔離,如圖3、圖4 所示。

圖3 導洞及隔離樁法平面布置圖

圖4 導洞及隔離樁法剖面布置圖

導坑凈空高3.0 m ,寬2.5 m ,初期支護厚度300 mm ,采用上下臺階法施工。灌注樁直徑0.8 m ,間距1.0 m ,樁長14.0 m ,現澆C20混凝土。為在狹小的導洞內同時完成鉆機成孔、鋼筋籠搬運吊裝、混凝土灌注、泥漿外運等工作,分別采取了異型反循環鉆機成孔、擠壓鋼套筒連接以及卷揚機吊裝等措施。同時將防塌孔貫穿于每根灌注樁的施工過程中,控制泥漿護壁質量,以最快速度完成鉆孔,把隔離樁施工對樓房的影響減至最小。

第2節隧道開挖采取洞內水平井點降水

過高層樓群段無水施工是控制沉降保證樓房安全的前提。從前期施工采取地表深井降水來看,在此段地層特殊分層情況下降水效果不理想,特別是隧道仰拱位于兩層粘土中間的夾層粉細砂

層中,由于夾層粉細砂厚度較小,此處深井降水不能形成降水漏斗,仰拱處于含水粉細砂層中,開挖過程中形成流砂,引起大量周邊土層流失,造成地表超量下沉,近樓段地表最大下沉量達到73.2 mm。

經認真分析研究之后,決定根據此段特殊地質情況采取水平降水方法,利用已施工中洞底板向下和向左右側洞方向開挖水平降水基坑,在水平降水基坑內用水平鉆機成孔,埋設水平降水管,將中洞和側洞范圍內地下水降至仰拱以下1.0 m左右,確保無水施工。

第3節修正支護參數、改進隧道施工工藝

4.3.1 增設臨時仰拱及時封閉步步成環雙連拱隧道中洞、側洞形狀為瘦高狹長結構,分Ⅳ部臺階開挖,設計中部施作I22橫撐,橫撐間距1 m ,從Ⅰ部開挖至Ⅳ部才能完成斷面封閉(5～7 天)的客觀現實不利于掌子面的穩定,為控制拱頂及地表沉降,遵循淺埋暗挖及時封閉步步成環的原則, 增設臨時仰拱, 技術參數為: C20 噴射砼(厚22 cm),布縱向拉結筋規格Ф22 @500、雙層鋼筋網片規格Ф6 @150 ×150。

4.3.2 仰拱基底換填碎石和注漿

根據已施工地段仰拱情況來看,由于地質特殊分層情況,受降水時間限制仰拱部位有滯留地下

水,基底粉細砂層浸泡和人工擾動后,造成基底液化軟弱,減小了地基承載力,使仰拱封閉后沉降仍不收斂。為控制沉降,在仰拱基底換填30 cm厚的碎石,噴砼封閉后及時回填注水泥-水玻璃雙液漿。從量測資料反饋情況來看,基底換填有效控制了沉降,仰拱噴砼封閉后沉降很快收斂,確保了過樓段的施工安全。

4.3.3 加密拱部超前管棚、增設邊墻超前管棚

加密拱部超前管棚,由原設計3.0 m長、環向間距0.3 m、縱向每兩米排設一次變更為2.0 m長、環向間距0.2 m、縱向每0.5 m(每榀)排設一次,增設邊墻超前管棚,原設計無邊墻超前管棚,為控制中洞、側洞每部開挖施工產生的沉降,在中洞、側洞邊墻排設2.0 m長、環向間距0.5 m、縱向間距0.5 m的超前管棚。

4.3.4 加強超前注漿和背后回填注漿

拱部開挖前超前管棚間隔一個作為注漿管加強超前注水泥-水玻璃雙液漿,噴砼封閉后滯后掌子面3～5 m進行拱部、邊墻、底部背后回填注漿,控制開挖面土層流失,使隧道結構與周邊土體密實,擠密隔離樁間土層和樓房基礎下土層。

第五章技術措施的應用效果及分析 第1節地表下沉監測結果及分析

地表沉降監測結果可以看出, 地表最大沉降量為-45.20 mm ,導洞施工引起沉降量平均為6.45 mm ,中洞施工引起沉降量平均為18.00 mm ,側洞施工引起沉降量平均為14.58 mm ,地表最大沉降量發生在隧道中線位置,中洞施工引起沉降占總沉降量的46 % ,較側洞稍大。從沉降槽曲線來看,斷面沉降槽比較狹窄,寬20 m左右,沉降曲線變曲點(拐點)至隧道中線距離大約6 m ,基本位于隔離樁之內,說明隔離樁隔離作用明顯。通過主斷面量測結果比較可以看出,改進的暗挖雙連拱隧道施工工藝有效控制了沉降。

第2節樓房基礎沉降觀測結果及分析

樓房基礎最大沉降值為18.90 mm ,發生在東樓JN6 點,平均沉降為12.70 mm ,初期降水和導洞施工引起沉降平均為3.38 mm ,中洞施工引起沉降平均為6.35 mm ,側洞施工引起沉降平均為2.98 mm ,從以上數均分析,中洞施工引起樓房基礎沉降最大,占總沉降量的50 %。

由上可見,在采用了既定的技術對策及施工措施后,成功實現了暗挖區間穿越樓群區的施工。

第六章結論

(1)北京城市鐵路東直門暗挖區間在地面條件受限制、地層構造復雜、富水的情況下,采取穩

妥可靠的技術對策,安全通過淺基礎高層居民樓區,確保了居民的正常生活和高層建筑的安全,表明該工程施工是成功的,同時也拓寬了淺埋暗挖技術在復雜環境下的應用前景,為今后類似工程提供了有益的經驗。

(2)既有建筑物的基礎遮斷防護采用隔離樁,技術上是可行的。利用地下導洞施作灌注樁,是一種新的嘗試,有助于解決修建地鐵日益突出的施工與環境的干擾問題。

(3)加強超前管棚、超前預注漿和初支背后回填注漿是控制沉降重要有效的措施,是防塌、改善地層、防止地面建筑物破壞的關鍵環節。

(4)全過程監控量測并確定適宜的監測內容,是指導施工和控制地表下沉、監視土體及結構的穩定、保證施工安全的重要手段,為修正設計和變更施工方法提供了科學依據。(收稿:2003 年6 月;作者地址:北京市西外上園村;北京交通大學隧道及地下工程試驗研究中心;郵編:100044)參考文獻 王暖堂,陳瑞陽,謝箐.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖施工技術.巖土力學,2002(2)2 范國文,王先堂.暗挖雙聯拱隧道穿越淺基礎高層樓群區施工技術.現代隧道技術,2002(增刊)吳昭永.復雜環境條件下城市暗挖隧道施工技術研究.隧道建設,2003(1

第四篇：運行中的地鐵隧道變形動態監測

運行中的地鐵隧道變形動態監測

摘 要 文章結合廣州市“倉邊復建綜合樓項目”工程施工監測方案，對受緊鄰基坑施工擾動影響的運行中地鐵隧道變形的動態監測方法進行了分析，采用TCA2003全站儀的全自動動態監測系統，可以24 h無人值守、連續監測運行中的地鐵隧道變形，且每次監測可在地鐵運行間隔內迅速完成。監測到的數據可以實時提供給施工方，以指導當前及下一步的施工，在工程應用中取得了良好的效果。

關鍵詞 地鐵隧道 連續運行 基坑開挖 變形動態監測 概述

在我國已有地鐵的城市中，地鐵沿線（非常靠近地鐵隧道）的深基坑越來越多，如何在基坑開挖中保護正在運行中的地鐵隧道，是一個十分現實的問題。采用信息化施工及監測方法，可以有效地指導基坑施工過程，施工中采用的時空效應法、逆作法、注漿法和基坑加固方法等均可達到保護鄰近隧道、控制變形的目的。而常規的地鐵變形監測如連通管法、巴塞特法等，在運行的地鐵隧道中進行監測相當困難，主要是因為地鐵運行間隔很短，運行期間絕對不允許測量人員進入，為此，須有一種簡便的、無人值守、自動的動態監測方法，可在很短的時間間隔內，迅速完成隧道的變形監測，并為鄰近基坑的施工提交監測數據。

廣州市 “倉邊復建綜合樓項目”與廣州地鐵1號線平行，西側基坑距區間隧道（公園前站～農講所站）北線最近處約4 m，東側基坑距北線隧道最近處約8 m，基坑開挖深度約為10.5 m，采用地下連續墻圍護，兼做承重結構。基坑開挖將對地鐵1號線構成威脅，為保證地鐵的安全運行，必須在基坑開挖過程中對運行中的隧道變形進行不間斷監測。自動化動態監測系統 2.1 監測要求

由于地鐵隧道在一天中的三分之二以上的時間是處于全封閉的運營狀態，絕對不允許監測人員進入隧道內工作，所以要求必須在隧道內設置自動化監測系統代替人工操作，實現對隧道水平、垂直位移的連續、精確監測。考慮到地鐵運行的間隔很短，所采用的監測系統應能在3～5 min內完成隧道（受影響的區間段）的變形監測，以掌握基坑開挖施工引起地鐵1號線隧道變形規律及特性。2.2 監測范圍

地鐵1號線下行線“農講所站～公園前站”區間隧道沿基坑的60 m及兩端各向外延伸45 m（約150 m）的范圍。監測內容為隧道的水平和垂直位移。2.3 自動化動態監測系統的構成

一個完整的自動化動態監測系統是指在無需操作人員干預的條件下，實現自動觀測、記錄、處理、存儲、報表編制、預警預報等功能，它由一系列的軟件和硬件構成，整個系統配置包括：TCA自動化全站儀、棱鏡、通訊電纜及供電電纜、計算機與專用軟件。

2.3.1 TCA自動化全站儀

TCA自動化全站儀能夠自動整平、自動調焦、自動正倒鏡觀測、自動進行誤差改正、自動記錄觀測數據，其獨有的ATR（Automatic Target Recognition，自動目標識別）模式，使全站儀能進行自動目標識別，操作人員一旦粗略瞄準棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標，并自動瞄準，不再需要精確瞄準和調焦，大大提高工作效率。

TCA2003是Leica TCA自動化全站儀中的一種（見圖1），該儀器測角精度為0.5〞，測距精度為1 mm±1 ppm。可通過專用的控制軟件來控制觀測目標、設定觀測周期。

2.3.2 Leica標準精密測距棱鏡

棱鏡作為觀測標志，利用膨脹螺絲固定在隧道內側（見圖2），其數目可按實際需要設定，該標志能被TCA2003全站儀自動跟蹤鎖定，以實施精密測角和測距。

2.3.3 計算機

計算機利用電纜和全站儀連接，并裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，既能控制全站儀按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，杜絕返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報告。2.3.4 其它設備

其它設備包括溫度計﹑氣壓計﹑濕度計、連接電纜、外接電源等；溫度計﹑氣壓計﹑濕度計用于測定空氣的溫度、壓力和濕度，將測定結果輸入到計算機中，對觀測結果進行修正，以提高觀測精度。2.3.5 實時控制軟件

GeoMos Monitor是專門用于監測的、與TCA2003全站儀配套的變形測量軟件，其在Windows環境下運行，并將數據存儲在SQL Server數據庫中，它既可按操作者設定的測量過程和選定的基準點、觀測點進行相應的測量處理，也可快速建立三維坐標、位移量以及其它相關數據庫，實現數據的快速存儲、檢索、編輯，可實時顯示量測數據，并進行實時處理或后處理，能實時顯示圖形或事后顯示。2.3.6 后處理軟件

采用自己編制的軟件，利用和GeoMos的軟件接口，對測量數據進行后處理，按施工方要求的格式將監測點的位移變化轉化為標準圖表的形式直觀地表達出來，繪制出監測報表和位移曲線，自動實現數據分析、報警以及報表生成的功能，可以根據用戶的要求提供報表的形式。3 施工監測 3.1 測點布設

測點分為測站點、基準點以及觀測點3類，測點布設在區間隧道K9+920~K10+070約150 m的范圍之內。基準點用來檢驗測站是否產生位移，位于基坑影響區域外的東、西2點；觀測點沿隧道每隔約10 m布設1個，如圖3所示。

觀測點和基準點都采用棱鏡作為觀測標志（可實現在水平方向上和垂直方向上的旋轉），固定在支座上，支座采用膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝高度低于2 m（以確保安裝時不需要停電作業，并不對行車造成影響）。儀器設置在施工影響區域的中央（隧道的南側），固定在觀測臺上（避免對中誤差），并在旁邊放置穩壓電源。

為了更好地掌握地鐵運行狀況和控制隧道受基坑施工的影響，在不同位置設置典型觀測斷面（斷面具體數目結合基坑開挖深度及影響范圍設定）。坐標系設置為自定義坐標系。3.2 觀測方法

通過控制軟件，在每個觀測周期開始前，利用東、西2個基準點，4測回推算出測站點的坐標，然后，四測回對所有的點進行自動觀測，得到觀測點的坐標。基坑開挖深度較淺時，可以減少觀測頻率。隨著基坑開挖深度的不斷增加，24 h實時觀測，并加大重點部位的觀測頻率。3.3 測量數據

表1為不同測點的監測報表，圖4是D12點的累計位移—時間的曲線圖。

3.4 測量誤差分析 3.4.1 誤差來源

測量的誤差來源于儀器的系統誤差、測站和目標的對中誤差、外界環境的影響、測量儀器的影響。

⑴ 儀器的系統誤差主要是由儀器本身構造引起的，為保證精度，需在測量前對儀器進行檢校，儀器即使在檢校后還有殘余的系統誤差。但由于監測需要得到的是2次測量之間的位移值，因此系統誤差可以基本消除。

⑵ 由于測站點、觀測點均采用強制對中措施，而且標志埋設后在整個觀測過程中不再重新安置，因此，測站、目標的對中誤差可忽略不計。

⑶ 由于本次監測需要實時監測，而地鐵隧道的濕度較大，對測距的精度會有影響，但地鐵隧道內的溫度﹑氣壓﹑濕度均比較穩定，因此，可不考慮這些外界環境因素對觀測結果的影響，可在觀測過程中利用數學模型進行修正。而列車運行帶來的震動卻對觀測結果的影響較大，故應盡量避免在這一時段進行觀測。

⑷ 本次測量采用TCA2003全站儀觀測，其測角精度0.5″，測距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影響測量的主要誤差源。3.4.2 誤差分析

此次監測主要的誤差來源是儀器的測角誤差和測距誤差，儀器的測角精度為0.5″，100 m的監測范圍內由測角所引起的最大誤差為±0.12 mm；儀器的測距精度為1 mm±1 ppm，其中1 mm為固定誤差，±1 ppm為比例誤差(1 mm/km)，即100 m的距離由測距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測量采用四測回觀測儀器引起的誤差為±0.5 mm；根據各點給定的初始坐標估算，點位的平面精度約±0.5 mm，Z方向的精度與豎直角的大小有關，精度略低，但仍可以保證±1 mm的精度，能夠滿足施工及甲方對地鐵保護的要求。結論

廣州市“倉邊復建綜合樓項目”基坑開挖對地鐵1號線構成威脅，施工中采用的監測系統對運行中的隧道變形進行不間斷監測，監測結果為基坑開挖施工提供了準確、及時的指導數據，保證地鐵的安全運行。這是一種簡便、靈活、無人值守、實時、動態的監測系統。工程應用表明，該監測系統能滿足工程的要求，且監測速度快、精度高、受人為影響少、自動化程度高，可在地鐵運行間隔內迅速完成隧道的變形監測。

參考文獻

1.劉立臣.廣州地鐵二號線新-磨區間土建工程施工監測.西部探礦工程.2004 年第8 期

2.白素珍.淺談廣州地鐵二號線鷺中區間隧道施工監測.西部探礦工程.2004 年第3 期

3.梁禹.廣州地鐵一號線隧道結構變形監測及成果分析.施工技術.2002年6月第31卷第6 期.4.曹宇寧.廣州地鐵二號線琶洲站基坑工程的監測及信息化施工.廣東水利水電.2001年12月第6期.5.北京城建勘測設計研究院.地下鐵道、輕軌交通工程測量規范.北京: 中國計劃出版社.1999

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