城市地下工程监测与反馈技术概述.docx

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城市地下工程监测与反馈技术概述

城市地下工程监测与反馈技术

一城市地下工程主要特点与施工方法

1.地下工程的主要特点

Ø地质条件差

Ø周边环境复杂

Ø结构埋深浅、与临近结构相互影响

Ø围岩稳定性难于判断

2.地下工程的主要施工方法

随着施工技术的不断进步和发展，地下工程开的施工方法越来越丰富，根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备等情况，城市地下工程施工方法一般可分为三大类，即：

明挖、暗挖及沉管法。

具体分类见下图。

二监测的意义与目的

1.监测的意义

在岩土中修建地下工程，由于对地下工程设计合理性进行理论分析牵涉问题很多，比较困难，其主要原因是：

（1）岩土的复杂性，

（2）施工方法难以模拟性，

（3）围岩与支护（围护）结构相互作用的复杂性。

同时考虑城市地下工程的特点，地质条件差、周围环境一般比较复杂，因此有必要通过信息化施工，及时了解施工过程中围岩与支护结构的状态，并及时反馈到设计与施工中去，以确保地下工程施工和周围建（构）筑物安全。

作为信息化施工的最基础工作，监测显得非常重要。

2.城市地下工程监测的主要目的

Ø通过监测了解地层在施工过程中的动态变化，明确工程施工对地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。

Ø通过监测了解支护结构及周边建（构）筑物的变形及受力状况，并对其安全稳定性进行评价。

Ø通过监测了解施工方法的实际效果，并对其进行适用性评价。

及时反馈信息，调整相应的开挖、支护参数；

Ø通过监测，收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验。

三主要监测项目

1.监测项目分类

（1）从考虑地下工程结构稳定及施工对环境影响出发，地下工程主要监测项目可以分成三类：

第一类是支护结构的变形和应力、应变监测，第二类是支护结构与周围地层（围岩与结构）相互作用监测，第三类是与结构相邻的周边环境的安全监测。

（2）根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目”和“选测项目”两类。

城市地下工程施工多数采用浅埋暗挖法、明挖法、盾构法这三类方法,其监测内容见下面表格。

浅埋暗挖法工程主要监测项目

类别

监测项目

监测仪器

测点布置

监测频率

应

测

项

目

围岩与支护结构状态

地质素描及拱架支护状态观察

每一开挖环

开挖面距监测断面前后＜2D时1～2次/d

开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d

开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周

地表、地表建筑、地下管线及结构物沉降

水准仪和水准尺

每10～50m一个断面

拱顶下沉

水准仪和水准尺计

每5～30m一个断面，每断面1～3对测点

周边净空收敛

收敛计

每5～100m一个断面，每断面2～3测点

岩体爆破地表质点振动速度和噪声

声波仪及测振仪

质点振动速度根据结构要求设点，噪声根据规定的测距设置

随爆破随时进行

选

测

项

目

围岩与结构内部位移

多点位移计、测斜仪等

选择代表性地段设监测断面，每断面2～3个测孔

开挖面距监测断面前后＜2D时1～2次/d

开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d

开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周

围岩与支护结构间压力

压力传感器

选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点

钢筋格栅拱架内力

支柱压力或其他测力计

选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点。

初期支护、二次衬砌内力及表面应力

混凝土内的应变计或应力计

每取代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点

锚杆内力、抗拔力及表面应力

锚杆测力计及拉拔器

必要时进行

盾构法工程主要监测项目

类别

监测项目

监测仪器

测点布置

监测频率

必

测

项

目

地表隆沉

水准仪和水准尺

每30m一个断面，必要时加密

开挖面距监测断面前后＜20m时1～2次/d

开挖面距监测断面前后＜50m时1次/2d开挖面距监测断面前后＞50m时1次/周

隧道隆沉

每5～10m一个断面

选

测

项

目

土体内部位移（垂直和水平位移）

水准仪、测斜仪、分层沉降仪

选择代表地段设监测断面

衬砌环内力与变形

压力计和应变传感器

选择代表地段设监测断面

土层应力

压力计和传感器

选择代表性地段设监测断面

明挖法工程主要监测项目（表1）

（上海市工程建设规范《地基基础设计规范》（DGJ07－11－1999

序号

监测项目

监测目的

围护结构施工

基坑开挖

水泥土围护墙

板式支护体系

放坡开挖

1

围护墙（边坡）顶水平位移

了解支护结构的最大水平位移量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；

△

△

△

2

围护墙（边坡）顶沉降

了解支护结构的最大沉降量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；

△

△

△

3

立柱沉降

△

4

围护墙水平位移

了解支护结构的最大水平位移量，必要时调整基坑开挖顺序和速度，确保基坑和周围环境的安全；

☆

△

5

土体深层侧向位移

☆

☆

☆

6

支撑或锚杆轴力

了解支撑或锚杆轴力情况，判断支护结构受力安全状况

△

7

基坑内外地下水位

隧道开挖降水对周围地下水位下降的影响范围和程度

△

△

△

8

孔隙水压力

通过监测孔隙水压力在施工过程中的变化情况，及时为开挖、掘进速度等提供可靠依据

☆

☆

☆

9

围护墙体土压力

监测挡士结构在各种施工工况下的不稳定因素，以便及时采取相应的措施保证施工安全

☆

10

坑底隆起（回弹）

优化施工方案（如挖土速率、底板浇筑时间等）；确保基坑支护结构和周围环境的安全

☆

11

裂缝监测

邻近建筑物

了解施工过程中地表、地下管线、建筑物沉降与倾斜情况，评估周边环境是否安全

☆

☆

△

☆

12

邻近地表

☆

☆

☆

☆

13

邻近建筑物沉降

△

△

△

△

14

邻近地下管线水平、竖向位移

△

△

△

△

《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－9）规定的基坑侧壁安全等级及重要性系数，以及据此等级确定的基坑监测项目。

（表2）

安全等级

一级

二级

三级

破坏后果

很严重

一般

不严重

重要性系数γ。

1．10

1．00

0．90

监测项目

支护结构水平位移

○

○

○

周围建筑物、地下管线变形

○

○

※

地下水位

○

○

※

桩、墙内力

○

※

▲

锚杆拉力

○

※

▲

支撑轴力

○

※

▲

立柱变形

○

※

▲

土体分层竖向位移

○

※

▲

支护结构界面上侧向压力

※

▲

▲

注：

1．破坏后果系指支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境和地下结构施工影响程度，2．有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定；3．○应测；※宜测；▲可测

四监测控制基准的确定

1.控制基准确定原则

（1）监测控制基准值应在监测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、市政、监测等相关部门共同确定，列入监测方案；

（2）有关结构安全的监测控制基准值应满足设计计算中对强度和刚度的要求，一般应小于或等于设计值；

（3）有关环境保护的控制基准值，应考虑被保护对象（如建筑物、地下工程、管线等）主管部门所提出的确保其安全和正常使用的要求；

（4）监测控制基准值的确定应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工速度和减少施工费用；

（5）监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、规范和规程的要求；

（6）对一些目前尚未明确规定控制基准值的监测项目，可参照国内外类似工程的监测资料确定。

在监测实施过程中，当某一监测值超过控制基准值时，除了及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，必要时可对控制基准值进行调整。

2.地表沉降控制基准确定方法

通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表建筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其中最小值作为控制基准值。

（1）按环境保护要求确定最大允许地表沉降值

1）从考虑地表建筑物安全角度确定最大允许地表沉降值

地下工程施工引起地层的差异沉降所引发的建筑物倾斜，则是判断建筑物是否安全的一个重要标准。

根据实际经验总结地层差异沉降与建筑物的反应见右表。

建筑物结构类型

δ/L（L为建筑物长度，δ为差异沉降）

建筑物反映

一般砖墙承重结构，包括有内框架及建筑物长与高之比小于10，有圈梁，有基础

1/150

分隔墙和承重墙出现相当多的裂缝，可能发生结构破坏

一般钢筋混凝土框架结构

1/150

发生严重变形

1/500

开始出现裂缝

高层刚性建筑（箱型基础、桩基）

1/250

可观察到建筑物倾斜

有桥式行车的单层排架结构的厂房，浅基础或桩基

1/300

桥式行车运转困难，若不调整轨面水平方向，行车难以运行，分隔墙有裂缝

有斜撑的框架结构

1/600

处于安全极限状态

对差异沉降反应敏感的机器基础

1/850

机器使用可能发生困难，处于可运行的极限状态

从建筑物安全角度分两种情况介绍最大允许地表沉降值的确定方法。

Ø地表建筑物基础位于沉降槽一侧

一般来说，浅埋地下工程施工时，在其两侧存在着潜在的破裂面，如果破裂面与地表交点位于建筑内，则应考虑不均匀沉降对建筑物的影响。

假设破裂面与地表的交点为地表沉降的不动点，则有：

式中，H-工程覆土厚度，h1-开挖高度，D为开挖直径，A-受影响的横截面宽度。

不均匀沉降由Peck公式求得：

如果令△u等于建筑物不均匀沉降的最大允许地表沉降值，而i通常位于边墙所在的铅垂线上（i＝D/2），于是，按下式计算最大允许地表沉降值。

根据建筑物的容许不均匀沉降差计算出的最大允许地表沉降值。

如下式：

根据建筑物的容许倾斜率计算出的最大允许地表沉降值。

如下式：

Ø地表建筑物基础位于沉降槽中间

建筑物相邻柱基L小于（等于）沉降槽拐点位置I

由沉降槽曲线可知，在拐点i处，曲线斜率最大，当建筑物位于如图所示时，差异沉降（不均匀沉降）达到最大故以此极限条件下的坡度值一一极限坡度小于相应建筑物允许倾斜值作为限制条件。

即：

式中：

L一一建筑物相邻柱基础间距

[f]一一建筑物的允许倾斜

△S——差异沉降值

由极限条件得允许最大沉降差：

△S≤[f]i，同时，由peck曲线可知，当x=i时，可得出地表下沉的最大斜率：

假定建筑物最大允许倾斜与Qmax相等，此时，地表最大允许沉降量：

B建筑物相邻柱基L大于（等于）沉降槽拐点位置2i

这种情况下，沉降对建筑物的影响引起倾斜，同时基础受弯。

当建筑物处于受弯最不利位置，沉降量过大时，可能导至建筑物基础结构的断裂及上部结构压性裂缝的产生。

影响基础变形的因素，如受力条件、荷载分布、建筑物等级不尽相同，难以进行分析，这里仅根据建筑物基础的极限应变采用下式计算最大允许沉降值。

（2）从考虑地下管线的安全角度确定最大允许地表沉降值

管线与隧道的位置关系比较复杂，仅以管线与隧道轴线垂直为例进行说明。

沉降槽上方的管线变形类似于建筑物地基梁L>2i的情况，随着地层的沉降，其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的梁来考虑。

根据结构在正常使用时受到的应力应小于其允许的设计应力这一标准：

由：

[ε]=[σ]/E

式中：

[ε]——允许拉应变；

[σ]——允许拉应力；

E——材料弹性模量；

可知，管线在地层沉降时产生的变形应小于（或等于）其允许应力的相应变形范围。

即可按下式计算沉降允许值。

式中：

m——计算长度。

当管线走向垂直于地下工程纵向时，m=i，[S]值最小，此时，上式可简化为如下式。

（3）从考虑地层及支护结构稳定角度确定最大允许地表沉降值

从考虑地层及支护结构稳定性确定最大允许地表沉降值就是从保证施工安全的角度，以地下工程侧壁正上方土体不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降值作为控制基准，这时采用“地层梁理论”，诱导出剪应变的方法来确定最大允许地表沉降值。

城市地下工程浅埋暗挖法施工经验及国内外的经验均表明，软弱地层浅埋地下工程典型的地表沉降曲线可用Peck公式描述：

对Peck公式求导可得沉降曲线的最大斜率计算公式如下（发生在x=i处）：

如设定地层的极限剪应变Yp与η相等，则：

于是得到最大允许地表沉降计算公式如下。

即从地下工程施工本身的安全稳定性推求的最大允许地表沉降值为：

式中：

[τ]——地层抗剪强度，

G——地层剪切摸量。

Smax一一最大允许地表沉降值；

i一一曲线拐点到中心的距离，可通过回归求得；

从上面的分析可知，地表沉降控制基准值随工程条件，尤其是周边环境条件而变，目前多数招标文件中笼统的要求地表沉值小于某一数值是不适宜的，应针对具体工程，通过类比和计算相结合的办法找出相应的控制基准值。

2.地下工程支护结构（围岩）稳定控制基准确定方法

（1）根据支护结构的稳定性确定

对初期支护结构稳定性起决定作用的是结构的抗弯刚度。

为研究方便，对隧道参数Em、D等进行处理，使其变成无量纲的新参数，如下式。

式中：

ur——地层某点位移；

D——隧道跨度；

EI——支护结构抗弯刚度；

Em——围岩（地层）的变形系数；

R——隧道的等效半径。

根据设计，绘制围岩位移——支护刚度曲线，为了便于现场监测进行验证，仅取隧道拱顶位移A、起拱线位移B两条曲线，并在图上绘制u=[u]（直线C），如图所示。

从图中可看：

围岩位移——支护刚度曲线存在一个明显的拐点，如果围岩控制位移较小，C与A、B相交在拐点左侧，要达到控制围岩位移的目的，必然支护刚度要求很大，而C与A、B相交在拐点右侧，随着支护刚度的减小，围岩位移迅速增大，交点在拐点附近，则既让围岩产生一定的位移，又使支护结构在较小的刚度条件下安全工作，从而达到经济、安全的目的。

因此而C与A、B相交在拐点附近最合理，交点对应的支护结构（围岩）位移作为变形的控制值[u]。

（2）根据地表沉降控制要求确定

城市地下工程多为软弱地层，且埋置深度浅，因此确定支护结构（围岩）允许位移基准值时必须考虑周边环境安全，即要考虑地表沉降要求的影响。

1.城市地下工程通过城市建筑群要求地表沉降控制严格时，位移基准值应当控制得尽量小些。

2.山岭隧道对地表沉降没有严格要求，位移基准值可以适当定大些。

世界各国根据在实践经验基础上，给出了相应的控制基准。

但作为城市地下工程变形控制基准时，应考虑周边环境的承受能力，通常要考虑地表沉降控制要求确定。

（3）利用现场监测结果和工程经验对预先确定的位移值进行修正

在预先确定位移允许值的条件下，应根据具体工程的现场监测结果和工程经验，分析围岩及支护结构的稳定状态及周边环境的安全状况。

对预先确定位移允许值进行修正，以确保最终确定的位移基准值是安全、经济、合理的。

3.国内外主要监测项目控制基准值

（1）暗挖隧道主要监测项目控制基准值

我国铁路隧道采用允许相对位移值的方法。

隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）规定值，即下表所列的数值。

覆土厚度（m）

围岩级别

<50

50～300

>300

Ⅱ

0.1～0.3

0.2～0.5

0.4～1.2

Ⅲ

0.15～0.5

0.4～1.2

0.8～2.0

Ⅳ

0.2～0.8

0.6～1.6

1.0～3.0

法国工业部制定的隧道位移基准值如下表（隧道断面50～100m2），可作为初选位移基准的参考值。

隧道埋深

（m）

洞内拱顶容许下沉（mm）

地表容许下沉（mm）

硬岩

软岩

硬岩

软岩

10～50

10～20

20～50

10～20

20～50

50～100

20～60

100～200

20～60

150～300

100～500

50～100

50～100

200～400

500～750

40～120

200～400

40～120

300～600

日本“NATM设计施工指南”提出按测得的总位移量值，或根据已测值预计的最终位移值，给出围岩的类别，然后确定与围岩相应的支护系统。

下表给出了隧道施工中各类围岩容许收敛值。

围岩类别

净空变化值（mm）

单线

双线

Ⅰ～Ⅱ

>75

>150

Ⅱ～Ⅲ

25～75

50～150

Ⅲ～Ⅴ

<25

<50

日本新宇佐美隧道对软弱膨胀性岩体位移基准值的规定如下表所列。

地层条件

覆盖层厚度（m）

位移基准值（cm）

开挖半径（m）

变质安山岩等

0～100

5

3.45

100～200

5

3.50

200以上

10

3.60

温泉余土

0～100

10

3.50

100～200

15

3.60

200以上

20

3.70

我国北京、广州根据地区经验，提出地铁工程施工相应的监测控制基准。

北京地铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值

监测项目

基准值

位移平均和最大速度控制值（mm/d）

地表沉降

区间

30

平均：

2

最大：

5

车站

60

拱底隆起

区间

10

车站

10

拱顶下沉

区间

60

平均：

2

最大：

5

车站

120

水平收敛

区间

20

平均：

1

最大：

3

北京地铁盾构法施工监测控制基准值

监测项目

基准值

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

拱顶下沉

20

平均：

1

最大：

3

广州地铁施工监测控制基准

监测项目

控制范围

控制基准

地表沉降

Ⅰ、Ⅱ类围岩

30mm

Ⅲ、Ⅳ类围岩

20mm

拱顶下沉

Ⅰ类围岩

50mm

Ⅱ类围岩

30mm

Ⅲ、Ⅳ类围岩

20mm

变形速度

Ⅰ、Ⅱ类围岩

5mm/d

Ⅲ、Ⅳ类围岩

3mm/d

建筑物倾斜

全线

3‰

（2）明挖基坑工程变形控制基准确定

上海市和深圳市基坑设计规程规定将基坑工程按破坏后果和工程复杂程度区分为三个等级，各级基坑变形的设计和控制值见下表

基坑工程等级划分及变形制控基准值

工程复杂

一级

二级

三级

很严重

严重

不严重

基坑深度（m）

＞14

9～14

＜9

地下水埋深（m）

＜2

2～5

＞5

软土层厚度（m）

＞5

2～5

＜2

基坑边缘与邻近已有建筑浅基础或

重要管线边缘净距（m）

＜0.5h

0.5～1.Oh

＜1.Oh

监控值

设计值

监控值

设计值

上

海

市

墙顶位移（mm）

30

50

60

100

宜按二级基坑的标准控制，当环境条件许可时可适当放宽

墙体最大位移（mm）

60

80

90

120

地表最大沉降（mm）

30

50

60

100

最大差异沉降

6/1000

12/1000

深

圳

市

墙体最大水平

排桩、地下连续墙、土钉墙

0.0025H

0.0050H

0.0100H

位移（m）

钢板桩、深层搅拌桩

一

0.0100H

0.0200H

深圳市建设局还对深圳地区建筑深基坑的地下连续墙作了稳定判别标准，见下表。

深圳地区深基坑地下连续墙安全性判别标准

工程建设行业标准《建筑基坑工程技术规范》（JGJ12-99）规定重力式挡墙最大水平位移的控制值见下表。

重力式挡墙最大水平位移控制值

墙的纵向长度

＜30m

30～50m

＞50m

地层条件

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

软弱地基

（0.025～0.035）H

（0.035～0.045）H

＞0.045H

五.信息反馈技术

1.信息反馈的内容

（1）对设计的反馈内容

Ø通过对监测资料的反分析，修正设计用围岩物理力学参数。

Ø通过对监测资料的反分析，修正设计用地应力、渗水压力、围岩压力等基本荷载。

Ø通过对围岩和支护结构的位移、应力应变、地表及周边建筑物位移等监测，修正设计用变形控制基准；安全监测方法和监控判据指标的校核。

Ø在上述修正基础上调整支护结构参数即进行信息化设计。

（2）对施工的反馈内容

在施工过程中，通过对监测结果的分析判断，及时调整施工方案，必要时增加辅助施工措施，以确保施工的安全性和经济性。

2.监测数据的处理方法

（1）散点图与回归分析法

◆一元线性回归分析

◆非线性回归分析

（2）地下工程监测数据分析中常用的回归函数

◆地表沉降横向分布规律

地表沉降横向分布规律回归函数采用Peck公式，Peck在1969年提出了地层损失的概念，即在不考虑土体排水固结和蠕变的条件下，得出了一系列与地层有关的沉降槽宽度的近似值，

◆位移历时回归方程

对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等变形的历时曲线一般采用如下函数进行回归。

（1）指数模型：

；

（2）对数模型：

；

（3）双曲线模型：

；

以上3式中：

t——监测时间（单位：

日）；

S——t时间对应的位移值；

a、b——回归系数。

◆沉降历程回归方程

由于地下工程开挖过程中地表纵向沉降、拱顶下沉及净空收敛等位移受掌子面的时空效应的影响。

采用单个曲线进行回归时不能全面反映沉降历程，通常采用以变弯点为对称的两条分段指数函数式或指数函数进行近似回归分析。

式中：

A，B——回归参数；

x——距开挖面的距离；

S——距开挖面x处的地表沉降；

x0、u0——变弯点x0处的沉降值u0。

4.监测信息反馈

（1）监测反馈的程序

（2）信息反馈方法

1）采用收敛限制法

1978年法国首次提出了收敛限制法（又称特征曲线法或变形法），为新奥法的理论计算提供了方向，收敛限制法是根据地下工程周边位移监测值来反馈设计与施工。

收敛限制法是一种以理论为基础、实测为依据、经验为参考的较为完善的地下工程设计方法。

其基本原理如图所示。

图中纵坐标表示结构承受的地层压力，横坐标表示沿洞周径向位移（一般采用净空收敛值）。

图中曲线①为地层特征线，曲线②为支护特征线，两条曲线交点的纵坐标即为作用在支护结构上的最终地层压力P，交点的横坐标为衬砌的最终位移u。

u、P值即可作为设计计算的依据。

2）参数控制法

城市地下工程在施工前，根据周边环境条件制定地表沉降、周边净空收敛等参数的控制值，作为判断围岩或地层稳定的标准和进行施工反馈的依据。

Ø根据位移判别围岩稳定与否，据此作出增强和减弱支护参数的对策

位移变化速率是判断地层和结构稳定性的重要指标，如下图所示图中曲线①位移变化速率不断下降，最后趋于稳定，围岩是稳定的；曲线②位移变化速率大，而且收敛很慢，则应加强支护，若曲