第12章_地下隧洞监测类型和方法

第十二章地下隧洞监测类型和方法§5-1 地下隧洞监测类型和方法1、位移监测（1）单点位移计a 原理b 优点（2）多点位移计a 分类b 原理c 优点2、收敛位移量测3、压力量测a 液压枕b锚杆应力量测§5-2量测方案设计一量测方案设计的基本出发点二内容1 量测项目的确定,手段仪表和工具的选择2 施测部位和测点布置的确定3 实施计划的制定§5-2量测方案设计三量测项目的确定1 确定量测项目的原则：量测简单，结果可靠，成本低，便于采用，量测元件要能尽量靠近工作面安设2 量测项目确定办法：根据具体工程的特点来确定，主要取决于工程规模，重要性程度，地质条件及业主的财力四量测手段和仪表的选择选择原则：主要取决于工程地质条件和力学性质，以及测量的环境条件。五量测部位的确定和测点的布置1 量测部位的确定2 测点的布置形式六观测及其频度的确定位移速度(mm/d)频度151~160.5~11次/天0.2~0.5<0.21~2次/天1~2次/天1次/7天1次/15天七量测数据警戒值及围稳定性判断准则1 容许位移量：指保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害不沉量的条件下，自隧洞开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的隧洞面间水平位移总量的最大容许值，或拱顶的最大容许下沉量。2 容许位移速率：指在保证围岩不产生有害松动的情况下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。注：与岩体条件、隧洞埋深、断面尺寸、地表建筑物有关3 根据位移时间曲线判断围岩稳定性1)基本稳定区2)过渡区3)破坏区§5-3 盾构法和顶管法施工监测一盾构法概念盾构法是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，舱内建立适当压力与开挖面水土压力平衡，盾构推进时舱内土体压力与开挖面上体压力保持动态平衡，以减少对地层土体的扰动，从而控制地表沉降。在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口运输将土渣排出，盾构利用千斤顶进一段距离后，在盾尾内拼装高精度预制混凝土衬砌(管片)，完成后，再次推进，这样周而复始完成整个隧道的推进。盾构比较笨重、造价高，又局限于圆形断面。故仅在江河或城市下的松散地层中修建大型隧道时才采用。二盾构法施工监测1岩地介质和周围环境的监测内容：地表沉降，土中沉降和位移，土中应力和孔隙水压力，邻近建筑物保护监测2 隧道结构的监测内容：隧道应变的监测，隧道收敛位移量测，预制管片凹凸接缝处法向应力的监测二顶管工程1 顶管工程概述顶管机的工作原理先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，同时大刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体；经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来控制，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证开挖面的稳定，防止地面的沉降或隆起。二顶管施工监测内容1 地表沉降2 分层沉降3 水土压力4 地下水位例盾构推进和地表沉降的变化关系探讨目录1、工程概况2、监测内容和监测点布设3、监测数据分析4、分析与结论1.工程概况上海市某改建工程属重点工程，其中区间隧道由上海某公司承担盾构施工建设任务。本区间隧道自4#工作井至2#工作井，盾构线路全长2 262 m，共计1 885环。本工程隧道为单圆隧道，圆形区间隧道的内径为6 000 mm，外径为6 700 mm，管片厚度350 mm。本区间隧道纵断面总体呈“V”字形，最大覆土厚度约为20 m，最大纵坡为19.8‰，隧道水平方向线形为直径320 m曲线出洞，进洞为直线，其之间还含有直径300米的园曲线，隧道竖直方向线形为直径3 000米曲线出洞，进洞为直线。本隧道沿线穿越河流、建筑物密集区及众多地下管线，同时沿线道路交通繁忙，车辆和人流众多，因此难度很大,为了保证盾构机推进时的安全、保证周围已建建筑的安全，必须对其进行监测和分析。图1 盾构推进路线示意图盾构机管片2.监测内容和监测点布设本工程现场主要进行以下项目的监测：（1）地表沉降和地下管线安全监测；（2）地面房屋沉降和倾斜观测；（3）水位测试；（4）土体水平位移监测；（5）局部地段隧道沉降、净空收敛监测。2.1监测点的布设地表沉降和地下管线：地表沉降点在区间隧道两端各50 m范围内及穿越河流地段沿轴线按10 m间距布设；其他地区按20 m间距布设。地表横向沉降槽测点按50～80 m间距布设。沉降槽测点的布设如下图2所示。图2 地表沉降槽测点及水位、深层土体水平位移监测孔示意图沿区间隧道施工影响范围内（一般离开隧道边线约15 m～20 m）的主要地下管线（上水、煤气管道等）上方地表纵向每隔30 m左右布设一个测点。地面房屋沉降和倾斜：在区间隧道两侧距隧道边线约15m，特别是对隧道两侧10m范围内地面建筑物进行监测，测点主要布设在建筑物的四角及其周围基础上。水位测试及土体水平位移：在两个测试断面上共布设3个水位孔，5个土体深层水平位移测点。隧道沉降、净空水平收敛：在盾构始发处和到达处按50 m范围内及盾构隧道通过河流段每10环管片布设1个测试断面，其他地段原则上按50 m～80 m间距布设测试断面，每断面设一组管片收敛和底板沉降点，图3 隧道净空收敛、如图3所示。沉降点布设示意图3.监测数据分析从盾构初推段和沿线重点保护区，对地表变形、土体变形等进行了监测，由量测结果所得的沿线盾构行进方向地表的变化示意图4，横断面上地表沉降槽的变化曲线示意图5。图4 盾构推进地表变化曲线图图5 地表横向沉降槽变化曲线3.1 隧道纵向沉降（1）盾构到达前（离开切口3 m以外）地表已经产生变形影响范围约在10～15 m以内，基本相当于覆土厚度与盾构直径之和。在切口面前4 m～15 m处，地表升沉量小于5 mm，3 m～5m处，在10 mm以内。（2）盾构到达时（切口前3m至切口后1m），在初推段，切口前土体略有沉降，200m后，略有隆起，隆起峰值一般在15mm以内。（3）盾构通过时（切口后1m至盾尾脱出），在初推段地表表现为下沉，沉降量达10mm～15mm，占总沉降量的15%～25%；在推进200m以后，地表出现先隆起后沉降的现象，前3m为隆起，隆起量可达到10mm～15mm，后2m为沉降，沉降量为一般约10mm左右。（4）盾尾通过以后（盾尾脱出至继续推进4 m），土体和地表因压浆不及时或压浆不足而下沉，沉降速率较大，沉降量可达15 mm～25 mm，占总沉降量的20%～35%。（5）盾尾通过以后，挠动后的土体产生固结沉降，10 d后沉降速率约为1 mm/d，30 d后沉降速率降为0.3 mm/d，100 d后沉降速率降到0.03 mm～0.06 mm/d，这100 d内的固结沉降量达到25 mm～30 mm，约占总量的45%～50%。100 d以后可以认为沉降已经基本稳定。3.2地表横断面上的变化规律根据观测数据分析可得在横断面上，地表变化的形状一般如下图6所示。其特点是在与隧道轴线垂直的平面上形成沉降槽，隧道上方沉降量大，向两侧逐渐减小。沉降槽的大小，一般随时间而增大。图6 地表横向沉降变化曲线图7 地表等沉降变化线盾构推进时地层移动的规律有明显的三维空间特征，使地表沉降槽的形状为锥形。按每日测量数据对地表沉降可绘出如图7所示的“等变化线”，锥形所指方向为盾构推进方向。在盾构推进过程中，锥形沉降“等变化线”逐步向外扩展。从图6可以看出，沉降槽基本沿轴线呈“正态分布”，沉降槽宽度一般与盾构的埋深、直径有关，一般影响宽度是覆土厚度和盾构直径之和（近似）。在一倍直径范围内影响最大，为主沉降区（轴线两侧3 m～5 m），在一倍到二倍直径范围（轴线两侧5 m～10 m）沉降略小，为次沉降区，在此以外为影响区。3.3 盾构施工对建筑物的影响位于主要影响区内房屋沉降一般在-15mm～-20mm，在预期估算的范围内。房屋沉降特征与地表沉降变形基本一致，在主沉降区的房屋沉降大、新、基础较好的建筑沉降相对较小。同时由于房屋基础的作用，沉降比相应位置的地表沉降略小。如下图8表示房屋沉降量和切口距监测点的距离示意图。图8 房屋沉降量和切口距监测点关系曲线由图8可以看出，切口离开监测点5 m～20 m，房屋沉降明显，当盾构离开超过20 m以后，沉降相对稳定，变化较小。4.分析与结论泥水加压式盾构在推进过程中所引起的地表沉降, 根据大量的实测资料分析，按地表沉降变形曲线的形态，大致可分为五个阶段。4.1 前期沉降阶段4.2 开挖面前的隆沉4.3 通过期间沉降阶段4.4 盾尾间隙沉降阶段4.5 后期沉降阶段4.1前期沉降阶段盾构向前推进时,当盾构开挖面尚未到达测点以前的沉降或隆起,它主要是因泥水压力的波动而引起。当开挖面泥水舱的泥水压力偏低时,造成盾构开挖面应力释放,从而引起地表沉降,当开挖面泥水舱内泥水压力偏高时,使开挖面土体受挤压,从而引起地表隆起。地层软弱程度不同，较大时，先行沉降表现为隆起，隆起值较小，在l mm左右。先行沉降影响距离也不一样，淤泥质粉质粘土层在地面房屋附加荷载的作用下，影响距离最远，达到30 m以上，其他依次为可塑粉质粘土、粉细砂、硬塑粉质粘土层。盾构机掘进对淤泥质粉质粘土层扰动较大，先行沉降约-2 mm，其他地层则有-l mm的先行沉降，但在盾构机土压设置较大时，先行沉降表现为隆起，隆起值较小，在l mm左右。4.2 开挖面前的隆沉自开挖面距观测点约几米时起，直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象，多由于开挖面的崩塌、盾构机的推力过大等所引起的开挖面土压力失衡所致，是由土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的地基塑性变形。沉降大小主要与盾构机正面压力平衡状态有关，盾构机土仓内压力小于土体正面压力时，盾构机开挖产生地层损失，盾构机上方地面会出现沉降；相反，当土仓内压力高于土体正面压力，则盾构机上方地面会出现升隆现象。这一阶段淤泥质粉质粘土层仍表现为–3 mm的沉降，其余如粉细砂层、可硬塑粉质粘土层也有-2 mm的沉降，沉降数值不大，说明盾构机土压设置合理，在土压设置较大时(粉细砂层无房地段，盾构机土仓压力在5 5 2.2×10Pa, 其他地层土压在2.0×10Pa以上)，则稍有隆起，一般情况下，盾构机土压设置应使这一阶段的地表隆起5～1O mm为好，这也说明盾构机掘进时土压仍可调整得大一些。4.3通过期间沉降阶段盾构继续向前推进,当盾构切口达到测点起至盾尾离开测点期间发生的地表沉降或隆起。在这期间地表变形主要是由盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩擦和剪切作用所引起。盾构外壳表面在施工过程中被粘附上一层粘土或浆液,使盾构壳体外周尺寸实际增大,从而增大了盾构建筑空隙面积,亦增加地表变形。有房屋荷载作用的淤泥质粉质粘土层通过沉降最大，有6～8 mm；其次为粉细砂层，有4～6 mm的沉降。这两种地层在盾构机通过阶段沉降速度快，数值大，与其地层特性有关。可硬塑粉质粘土层通过沉降2～6 mm。4.4盾尾间隙沉降阶段盾构继续推进,盾尾通过测点后产生的地表沉降。由于盾构掘进机的外径大于管片外径,盾尾通过测点后，在地层中遗留下来的建筑空隙就需及时壁后注浆充填，以控制地表变形。但是往往因盾尾壁后注浆没有能够及时充填建筑空隙，或是注浆量、注浆压力、注浆部位、浆液配比和材料方面不适当，使建筑空隙中的浆液不能及时形成环箍，盾尾脱出后,无支撑能力的软土在不能自立的情况下就很快自行充填入建筑空隙，造成土层应力释放。除此以外，盾构在平面或高程纠偏过程中所引起的单侧土体附加压力在盾尾脱出后亦发生应力释放,于是又增加了盾尾部分的建筑空隙，这些情况终将最后反映到地表变形上来。沉降大小与盾尾同步注浆压力、浆液充填率密切相关，充填较理想时，沉降就小，反之就大。有房屋荷载作用的淤泥质粉质粘土层盾尾空隙沉降为9 mm；粉细砂层和可塑粉质粘土层盾尾空隙沉降分别为6 mm和3～7 mm；硬塑粉质粘土层地层稍硬，沉降有滞后现象，实际由盾尾空隙引起的沉降在5～6 mm。4.5后期沉降阶段盾尾脱出一周后的地表沉降。后期沉降是固结和徐变引起。粉细砂层有2-4mm 的后期沉降，盾构机刀盘过测点20m后稳定，稳定时间短而快；淤泥质粉质粘土层属高灵敏度、高压缩性地层，这一阶段主要为固结沉降，沉降量大，后期沉降有15～2O mm，占总沉降量的50% 以上，且沉降具长期性、缓慢性特征，刀盘过测点80m以上趋于稳定；可塑性粉质粘土层后期沉降有2～4mm，刀盘过测点20～30mm后稳定；硬塑性粉质粘土层后期沉降有4～6mm，由于地层较硬，沉降具有滞后性，刀盘过测点40～50m后稳定。结论在不同地层中，除有房屋的淤泥质粉质粘土层的沉降总值约40mm外，其他地层的沉降总量相差不多，基本都在15～2O mm内，各阶段沉降除与地层有重要关联外，盾构机掘进参数对其有重要影响。从总体上看，沉降量和沉降速率较大阶段发生在第②、④阶段，即盾构法施工过程中，控制沉降的第②阶段和第④阶段最为关键。第②阶段变形控制要素是土仓内的压力，第④阶段变形控制要素是盾尾间隙注浆的及时性和充填率。主要是各阶段沉降数值有差别。