施工中的若干动态问题Word文档下载推荐.docx

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从目前已经开发的系统看，一个完整的动态施工管理系统应该是一个能够收集传输信息、分析与评价、决策以及实施作业的系统，即由以下子系统构成：

·

信息收集和通信子系统；

信息整理、分析和评价子系统；

决策及实施子系统；

这几个子系统，有机地构成了一个用电子网络联系在一起的大系统。

该系统的概念图示于图1。

图1信息化管理系统的功能

2．各子系统的建立

如前所述，大系统是由3个子系统构成的，因此要独立地建立各个子系统。

1）信息收集、通信子系统

信息应包括隧道设计、施工文件、竣工文件及各种图表、超前地质预报、施工监控量测、掌子面地质素描、地下水及掌子面涌水量、施工管理（质量、进度、材料消耗、成本核算等）、工程实验及试验、运营过程的病害监控及整治等信息。

信息采集应尽可能采用信息技术，如数码相机、自动采集等，以便能够将信息及时可靠、原样地传递到计算机中。

信息的形式是多种多样的，它包括声音、画像、数据、文字、图表等。

应以最简洁、最方便计算机进行处理的形式表示。

信息通信即将各种信息传送到计算机程序系统的通信系统是本系统的关键技术之一，信息通信系统的功能示于图2。

图2情报化通信系统的功能

2）分析、评价子系统

对各种信息进行分析，根据分析结果做出评价。

其重点在于：

·

超前地质预报信息的分析和评价；

量测数据的分析和评价；

设计变更的分析和评价；

施工管理数据的分析和评价；

隧道病害监控数据的分析和评价等。

分析、评价子系统的概貌示于图3。

图3分析、评价子系统功能

3）决策、实施子系统

在分析、评价的基础上作出决策并预以实施。

此系统在某些情况下，可能要采用专家系统的方法编制。

系统的实施部分应包括设计反馈系统和施工反馈系统两部分。

前者是把决策建议，反馈到设计中的系统。

而后者则是根据决策建议，反馈到施工中实施的系统。

有的需要设计后才能实施，有的可以直接反馈到施工中实施。

这两种情况应分别预以考虑。

决策、实施系统的功能示于图4。

图图4决策、实施系统的功能

3．信息获取方法

为了能够实现信息的公共性，应该对获取信息的方法做出规定，例如，

超前地质预报信息由以下方法获取：

。

TSP方法；

超前钻孔方法；

掌子面地质雷达方法；

数码相机超前地质预测、掌子面围岩级别判定等。

监控量测信息由以下方法获取：

隧道断面激光测试仪；

数值相机断面位移测试方法；

空隙水压计；

一般测试方法，如数值收敛计；

有可能的话，建议对光纤维量测衬砌应力、应变的技术进行研究。

实验或试验数据由以下方法获取：

掌子面取样进行室内试验；

掌子面直接进行试验的方法，如回弹仪、射钉枪等方法；

空隙水压计、涌水量测试等；

质量控制数据由以下方法获取：

衬砌厚度检测、喷混凝土厚度检测；

混凝土、喷混凝土的强度试验；

锚杆密实度测试仪；

背后空洞检测方法，如锤击法等。

隧道施工中的病害数据由以下方法获取：

；

隧道开裂的测绘；

开裂数据的采集；

背后空洞的测试；

衬砌厚度的测试等。

但不管采用何种方法，最好首选电子仪器测试方法，以便能够在计算机上进行信息的通信、传输、处理等作业。

4．分析、评价及决策方法

同样地，在本子系统中应该对采用的解析方法、评价方法及基准以及决策方法做出统一规定，以便能够进行比较和分析。

解析方法：

位移、应力的反分析方法；

荷载—结构模式解析方法；

二维、三维FEM分析方法。

决策方法：

专家系统方法；

病害、施工事故诊断方法；

类比方法；

评价方法：

模式化方法；

基准对应方法；

标准模式方法等。

从当前我国的技术现状出发，应该逐步地、有目标地实现上述系统的开发和研究。

施工要点二量测与观察

当前隧道施工的最大特点就是把量测、观察技术和方法引进到施工中，并作为施工一个重要而不可缺少的环节预以实施，其目的之一就是要根据观察、量测等得到的资料对已开挖的区间和掌子面前方的围岩状况进行预测，并反映到施工中去。

对于观察的方法，我们在认识围岩、了解围岩中已经详加说明。

这里仅对量测方法中的一些问题做进一步地说明。

1．量测项目的选择

量测项目的选择要充分考虑各个量测项目的作用。

我们通常把量测项目分为两大类。

即日常施工管理所必需进行的必测项目和考虑围岩条件而需要增补的项目。

目前的问题是在施工中如何根据围岩的状态来选择应该实施的项目。

例如在硬岩中，洞壁位移量测究竟有多大的意义就值得商榷，而在软岩和土砂围岩中，它的作用是非常显著的。

表1列出了在各种围岩条件下量测项目的重要性，可以选择实施项目时的参考。

表1围岩种类和量测项目的重要性

量测项目

围岩种类

必测项目

增补项目

洞内观察

净空位移

拱顶下沉

洞地

外表

地面

中下

位沉

移

洞内

地中位移

锚杆轴力

衬砌应力

钢支撑应力

锚杆拉拔试验

围岩试件试验

洞内弹性波

硬岩

◎

○

△

*△

软岩

软岩（有大塑性地压发生）

土砂

◎：

必须实施的项目；

○：

可以实施的项目；

△：

必要时实施的项目；

*：

根据量测结果认为判断减少支护量有重要影响的项目。

2．管理体制及基准值的设定

在量测中最重要的是要有一个基准，以便评价设计、施工是否妥当，并根据基准值进行施工管理。

管理基准值中有测定锚杆轴力而根据构件强度的，也有评价隧道周边围岩稳定性，基于解析、经验并在施工中不断修正的，因此，应根据不同的量测项目，规定合适的基准值。

管理基准值多数是按有量测可能的净空位移值、位移速度、岩石变形等加以规定的，以确保围岩稳定，不能使围岩强度和支护功能急剧丧失（考虑初期支护的承载力富裕），能够确保衬砌厚度线在位移内收敛等为前提条件设定的。

在埋深小和膨胀性围岩的条件下，对地表面下沉和地中位移、锚杆轴力等也要设定管理基准值。

应该指出，在不连续性围岩中，量测结果不一定能够完全反映围岩的动态，应结合洞内观察的结果设定管理基准。

设定管理基准值时，基本上考虑对隧道周边围岩不要产生有害的松弛为前提。

但明确地推定发生有害松弛的位移值是很困难的。

要进行多方面的研究才行。

基准值的设定可以采用以下方法。

（1）参考类似工程实例设定

参考过去的工程实例，并考虑围岩条件、断面大小、施工方法、支护构件的数量等确定基准值。

表2是日本铁路隧道的净空位移管理基准值，可供参考。

表2净空位移值的管理基准

围岩级别

净空位移值

单线

双线、新干线

A

大于75mm

大于150mm

B

25mm~75mm

50mm~150mm

C

小于25mm

小于50mm

（2）根据解析方法设定

采用FEM解析等方法，求出位移值作为管理基准。

（3）根据极限应变设定

调查试件的极限应变，作为开挖中的隧道达到该应变时的基准值

表3是拱顶下沉的管理基准值例。

表3拱顶下沉的管理基准值（隧道半径：

5m）

级别

水准

I

0.3~0,5

0.5~1.0

1.0~3.0

II

1.0~1.5

1.5~4.0

4.0~9.0

III

3.0~4.0

4.0~11.0

11.0~27.0

注：

1）位移基准值是开挖引起的总位移，量测拖后时应注意；

2）本基准是指埋深大的情况，埋深小时，要采用比表列更小的数值；

3）岩块硬、裂隙影响显著的围岩，采用时要加以注意。

（4）根据支护构件的变异设定

喷混凝土、锚杆的变异可以反映当时的荷载、位移情况，因此可以将喷混凝土的破坏应变和锚杆破断的位移作为大致基准。

（5）采用上述各种方法组合的综合方法。

3．量测管理

量测得到的结果应迅速地反馈到设计施工中去，力求提高施工的安全性和经济性。

把量测结果反映到设计施工中的目的，首先是确认施工的安全性，其次是提高工程的经济性。

前面提到的量测管理基准值，在实际施工中应通过一定的管理体制预以管理。

如图1的设定所示，根据不同阶段的管理水平进行管理。

设计阶段设定的基准值，可作为施工初期的管理基准，随着施工的进展，应适当修正管理基准值。

通常体制注意体制要注意体制严重注意体制

管理基准值（管理基准I）

管理基准值（管理基准II）

管理基准值（管理基准III）

A：

通常体制指定时量测、洞内观察程度；

B：

注意体制指加强观察·

量测频率、现场检查、强化作业人员的注意

C：

要注意体制指加强观察·

量测体制、根据管理基准值预测最终位移值、实施对策；

D：

严重注意体制指停止掌子面开挖、解析变异原因及趋势、再研究支护模式等。

图1量测数据的评价和安全管理体制的关系

（1）净空位移和拱顶下沉测定

净空位移和拱顶下沉值是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要量测项目。

此项目的量测结果可用以判断周边围岩的稳定性、初期支护是否妥当及衬砌、仰拱的灌注时间等。

变更支护模式时，要考虑最终位移的预测值、掌子面观察、掌子面前方围岩的情报、埋深等，并与其他量测结果一起进行综合判断。

表4是根据工程实测的分析说明围岩级别和净空位移、洞内状况等的关系，可在变更支护模式时参考。

在良好的围岩条件下，只用位移值是很难划分的，最好根据掌子面观察来判断。

最大位移速度和最大净空位移值的关系与围岩条件、施工方法有密切关系，是很离散的，但也有一定的相关关系，在施工的初期阶段预测最终位移值是有可能的。

在采用台阶法施工的围岩条件中，最大位移速度超过20mm/d时，最终位移值是相当大的，因此应及早采取措施（图2）。

图2最大位移与最大位移速度的关系

根据初期位移值预测最终位移值或变更支护模式或修正设计的判断基准时，上述的数值可以作为大致的标准，并根据隧道的施工实践加以修正。

表4施工阶段的围岩分级基准

最大位移值

δ

mm

掌子面状态

毛开挖面状态

I：

水的劣化

其它

洞内的围岩状态

单线：

25>

双线：

50>

1

几乎没有裂隙,密着，没有掉块的可能

F=2的情况

有裂隙,开口夹有黏土，局部掉块,有涌水

2

裂隙发育,不密着,随时间会发生松弛，可能掉块，但掌子面稳定；

岩质软，裂隙少，密着，、随时间可能松弛，正面稳定

2、3

裂隙发育，开挖后要及早支护；

岩质软，随时间会松弛，壁面可能挤出；

正面面积大时，稳定性稍差

1、2

岩片坚硬，但破碎、混有黏土等，或风化、脆弱开挖后需立即支护，掌子面松弛，要保留核心；

均质、软弱，周边围岩有挤出趋势，掌子面松弛需保留核心

In

单线：

75>

δ>

25

150>

50

1、2、3

Il

3、4

即使涌水很小，也要保留核心，为保证掌子面稳定；

在开挖前要先行支护，开挖后立即支护。

Is

75

300>

150

3

一开始虽然没有看到开口，但随时间分离显著、挤出显著产生剥离。

正面挤出、剥离也显著。

特L

特S

300

4

伴随涌水，围岩流动、挤出，掌子面清楚不能自稳

A、B、I、F及1~4见图7-7（a）。

最终位移的预测方法如下：

吉川等的方法

利用量测初期阶段出现的最大位移速度（mm/d）和该点的最终位移值（mm）的相关关系进行预测，考虑开挖断面、施工方法时，可按图7-15求出。

吉田等的方法

根据开挖3d的位移速度X1~X3，按下式求出最终位移值Y。

Y=A+BX1+CX2+DX3

常数A、B、C、D根据量测结果采用重回归分析方法求出。

近藤等的方法

在任意距离L的位移实测值U1,同样，取对应Lk的位移Uk。

设Lk=2L1,则最终位移值A可由下式求出。

A=U1/1U1-Uk

拱顶下沉值，对确认围岩稳定性，特别是对预测拱顶崩塌是非常重要的，在埋深小的隧道中应和地表面下沉测定一起进行。

（2）地表面下沉和地中位移测定

地表面下沉、地中位移测定，是在埋深比较小的隧道中实施的，是为了掌握地表面产生下沉及其影响范围或周边围岩的松弛区域而进行的。

从周边围岩稳定性的观点出发，确定评价基准是很难的，但根据下沉曲线的形状和最大下沉值还是可以直接判断周边围岩稳定性的。

此外，接近结构物时的管理基准可采用容许倾斜值，但该值与结构物的种类、用途、构造等有关，根据日本的一些规定，如国铁结构物检查基准提出：

结构物的倾斜，不管是横向或纵向，如在1/150以下，就不会影响结构物的功能和构造。

此外在建筑基础结构设计指南中也规定以下的变形角的容许值。

钢筋混凝土结构：

1/1000~2/1000；

混凝土砌块结构：

0，5/1000~1/1000；

参考上述基准，以下各值可以作为大致的标准：

钢筋混凝土：

2/1000；

1/1000；

木结构：

5/1000；

横断方向的地表面下沉曲线是左右非对称的，出现下沉值异常大的场合，多数是由于偏压地形、接近施工等造成的，因此应增加其他量测项目，仔细研究地形、地质构造等。

下沉值也受到地下水的影响，因此也要注意与地下水外、降雨等有关的条件。

（3）地中位移测定

地中位移发生的模式，如表5所示，因围岩条件、施工方法而异。

如果不与地质状况及净空位移值一起研究，可能会得出错误的判断，因此，进行综合判断是很重要的。

例如该表最下面的图，净空位移值大，但地中位移值小的情况，这是因为地中位移计的基准点设置在松弛区内，没有进行正确的量测所致。

净空位移值比预计的大，松弛区比锚杆长度深时，在研究锚杆轴力中，或是加长锚杆或是增加根数。

反之，净空位移值小，松弛区也小，要研究或是缩短锚杆长度或是减少根数的问题。

表5地中位移模式

地中位移发生模式

发生原因和现象

对策

发生不连续面为弛区的最大位置

研究增打锚杆

在隧道壁面附近发生松弛区，有产生后期荷载的可能

修正锚杆长度；

修正锚杆根数；

修正支撑尺寸；

研究改良地层

地中位移计的长度不足，端点在松弛区内，不能看作不动点

变更支撑尺寸

（4）锚杆轴力测定

可以根据锚杆轴力分布的峰值位置或峰值的大小，一般可做出表6的判断。

表6锚杆轴力分布模式

锚杆轴力发生模式

轴力峰值的深度可以作为松弛区，左图，峰值在锚杆中心附近，锚杆长度超过松弛区，长度是适当的

左图，峰值的位置在锚杆的头部附近，可以判断松弛区已达到锚杆的头部

应修正锚杆长度

左图，峰值位置相对地靠近壁面附近，可以判断松弛区与锚杆长度相比是比较小的。

是不经济的，应修正锚杆长度

（5）衬砌应力测定

衬砌应力的测定，重要的是测定隧道径向的背后土压力和切向的喷混凝土应力。

（6）钢支撑应力测定

根据钢支撑应力测定的结果，可以按钢材的容许应力作为大致标准检验已施工区段的支护妥当与否。

综合考虑钢支撑的断面力和喷混凝土的断面力，能够评价两者的荷载负担率，来适当地选定钢支撑的间距、尺寸等。

同时，根据钢支撑应力测定结果可以计算出轴力、弯矩、剪力，并推断土压力的分布状态。

（7）锚杆拉拔试验

锚杆拉拔试验是在施工前的露头处，或是在施工初期阶段进行，求出破断时的抗力，作为设计承载力，来选择材质、形状、锚固方式等。

（8）洞内弹性波测试

洞内弹性波速度测定，主要是在隧道洞内侧壁发射地震波，而后记录该地震波，说明传播（屈折波）的状况，并推断围岩的性质。

与净空位移、地中位移的测定结果一起可以评价松弛区的范围。

此外，与初期的地表面弹性波速度测定结果比较，可以重新评价围岩级别，与围岩试件试验一起，可以推断围岩的强度。

量测结果是获取的定量数据，很容易识别其变化动向和量测地点的不同差异，是极为有用的指标。

但量测条件不会是一样的，评价时要考虑这种量测上的限制，在数据处理上要极为慎重。

4．设计的修正

施工阶段应基于观察、量测结果，判断预设计不合适时，应毫不迟疑地修正设计。

考虑到地质条件的复杂性和隧道结构的特性，要想事前进行全线的、详细的调查，在技术上、经济上都是有困难的。

为此，根据初步设计的围岩条件进行设计，要在施工中根据对掌子面及洞内观察等量测结果的分析，进行必要的修正是极为重要的。

特别是量测结果与初期预测有较大差异，而确认必须进行设计变更时，应毫不迟疑地根据围岩的变化修正设计。

支护结构变更的程度，受到地质条件、涌水等围岩状况、位移值、位移速度、位移的收敛性、掌子面的稳定性、周边环境条件等因素的影响。

在支护构件的变形上，对锚杆数量、形状尺寸、喷混凝土厚度、材质、一次掘进长度、钢支撑的大小等进行局部修正或进行围岩分级、支护模式、变形富裕量、开挖断面形状、施工方法、衬砌厚度等根本性的修改。

当量测结果出现与初期预计很大差异时，应补充进行包括掌子面前方钻孔调查在内的地质补充调查。

支护结构的变更，如下所述可分为两种情况考虑：

（1）变更未开挖部分的预设计

根据地质调查结果等设计，的初期支护模式是标准的支护模式，应根据观察、量测结果和具体的围岩状况进行合理的修正。

此时，因围岩条件、位移值和当初预计的差异大小和前方预测的情况等有很大差异，变更的内容和规模也不同，同时，为确保施工的安全与效率，也要修正辅助工法。

（2）变更已开挖部分的预设计

开挖后位移不收敛时，可增打锚杆、增加喷混凝土厚度、仰拱临时闭合等，要充分研究所增加的支护构件的形状、材质等从而采取适当的对策。

同时，要求地表面下沉、对周边结构物的限制收敛到某一限度内时，应分析研究量测结果和当前的支护结构的力学性能，在这种情况下，必要时可采取隔断壁等防护措施。

判断修正的必要性，除根据量测结果外，一般的修正方法和注意事项，列于表7。

表7设计的修正方法和注意事项

现象

修正方法

注意事项

净空

位移

值比

预计

大的

情况

扩大变形富裕量

应确认喷混凝土等没有开裂；

应确认锚杆轴力有富裕；

应确认变形是收敛的

增强支护构件

增加喷混凝土厚度、锚杆长度、根数；

缩短支护构件间距；

在破碎带、塑性化显著的围岩，提高支护构件刚性，有时会收到控制变形的效果

断面闭合

用仰拱或临时仰拱尽快闭合；

控制变形是最有效的措施

加强掌子面及掌子面前方

掌子面自稳性差的情况，采用超前支护等辅助工法

变更开挖工法

即使采用环形开挖和辅助工法也不能使