地铁隧道施工监控量测技术的应用

地铁隧道施工监控量测技术的应用第 10卷　第 12期　2010年 4月 167121815 (2010) 1223003205　科　学　技　术　与　工　程Science Technology and Engineering 　Vol110　No112　Ap r12010　2010　Sci1Tech1Engng1 交通运输地铁隧道施工监控量测技术的应用周　慧　孙　伟　霍如桃 (黑龙江交通职业技术学院土木工程系 ,齐齐哈尔 161002) 摘　要　在城市地铁施工中 ,保证周围建筑物、地下管线等的安全非常重要...

第 10卷　第 12期　2010年 4月 167121815 (2010) 1223003205　科　学　技　术　与　工　程Science Technology and Engineering 　Vol110　No112　Ap r12010　2010　Sci1Tech1Engng1 交通运输地铁隧道施工监控量测技术的应用周　慧　孙　伟　霍如桃 (黑龙江交通职业技术学院土木工程系 ,齐齐哈尔 161002) 摘　要　在城市地铁施工中 ,保证周围建筑物、地下管线等的安全非常重要。为了安全施工 ,必须建立起有效的监控量测。介绍了地铁施工中监控量测项目、测点布置、监控网的建立及周围建筑物的监控、量测方法及数据的分析及预测。关键词　地铁　　安全施工　　监控量测　　预测中图法分类号　U231. 3; 　　　　文献标志码　A 　　城市地铁工程的建设 ,对解决大城市交通问题 ,缓解大城市交通供需矛盾 ,改善城市交通结构和城市布局结构 ,保证可持续发展 ,满足城市化进程的要求等方面具有重要作用 [ 1, 2 ]。某地铁工程地质条件差 (穿越地层黏结力弱、地层自稳力差、承载力低、开挖后变形快 ,稍有不慎极易产生坍塌或出现大的下沉 )。同时施工影响范围内有多座重要建筑物和地下管线 ,增加了施工难度 ,为确保地面建筑物 ,地下管线及施工本身安全 ,及时掌握隧道施工过程中隧道支护结构的稳定状态 ,和施工对周围环境的影响 ,需对施工全过程进行全面的监控。 2010年 1月 11日收到第一作者简介 :周　慧 ( 1978—) ,女 ,汉族 ,研究生 ,讲师。研究方向 :测绘测量技术应用 ,测绘教育教学管理。E2mail: zhouhui_7888 @163. com。 1　监控量测设计 1. 1　监控量测项目监控量测的项目主要根据工程的重要性及难易程度、监测目的、工程地质和水文地质、结构形式、施工方法、工程周边环境等综合而定 [ 3 ]。本工程的监测项目除考虑上述因素外 ,还要根据设计的要求决定。同时 ,在地下工程中进行量测 ,绝不是单纯地为了获取信息 ,而是把它作为施工管理的一个积极有效的手段 ,因此量测信息应能 [ 4 ] : ⑴确切地预报破坏和变形等未来的动态 ,对设计参数和施工流程加以监控 ,以便及时掌握围岩动态而采取适当的措施 (如预估最终位移值 ,根据监控基准调整、修改开挖和支护的顺序和时机等 )。 ⑵满足作为设计变更的重要信息和各项要求 , 如提供设计、施工所需的重要参数 (初始位移速度、作用荷载等 )。根据本工程的具体情况 ,监测项目以位移监测为主 ,辅以应力监测 ,计算结构实际受力状况 ,同时也使各种监测数据能够相互印证 ,确认监测结果的可靠性。 1. 2　监测测点布置本项目主要进行地表沉降、建筑物沉降、管线沉降、拱顶沉降、结构收敛、围岩压力、初支应力、二衬压力及应力、混凝土应变计、围护桩水平及垂直位移、钢支撑轴力、地下水位及土体测斜等 16类项目的监测。拱顶下沉量测值是反映暗挖结构安全和稳定的重要数据 ,是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的的反映 ,易于实现量测信息的反馈。隧道开挖后 ,周边点的位移是围岩和支护力学形态变化的最直接、最明显的反映 ,净空的变化 (收缩和扩张 )是围岩变形最明显的体现。隧道开挖后 ,围岩的应力变化复杂。监测围岩应力情况 ,可以掌握围岩及支护结构、基坑围护结构的动态 ,验证支护衬砌的设计效果 ,保证支护结构稳定、地表建筑和地下管线的安全。并提供判断围岩和初期支护基本稳定的依据 ,确定二次衬砌的施作时间。这可以为施工日常管理提供信息 ,保证施工安全。测点布设如图 1、图 2所示。单位 , m。图 1　净空收敛量测测点布置图图 2　围岩压力及主筋应力量测测点布置图在具体监测过程中 ,依据实际监测成果来调整监测频率 ;同时做到及时反馈监测信息 ,确保结构自身及周边环境的安全 [ 5 ]。 1. 3　监测网建立监控量测系统首先建立水平位移和垂直位移监测控制网 [ 6 ]。水平位移监测网利用地面平面控制点做主控点 ,与监测网点组成平面监控网 ,其形式依据结构布设成轴线形 ;其垂直位移监控网利用北京市局部高程控制网做为一级控制点 ,与地表沉降等观测点组成地表高程位移监控网 ,同时将主控点高程通过竖井引测至井底 ,并在井底埋设水准基点 (并定期复测 ) ,与结构监测点组成地下高程控制网。主控点埋设坚固、稳定 ,监控点可埋设在原状土层中 ,并加设保护装置。 1. 4　地表、建筑物、管线等的控制在信息化施工中 ,监测后应对各种监测数据进行整理分析 ,判断其稳定性 ,并及时反馈到施工中去指导施工。当施工中出现下列情况之一时 ,应立即停止施工 ,采取措施处理。根据以往在上海、广州、深圳等地修建城市地铁时施工监测的成功经验 ,采用 Ⅲ级监测管理并配合位移速率作为监测管理基准 ;即将允许值的三分之二作为警告值 ,允许值的三分之一作为基准值 ,将警告值和允许值之间称为警告范围 ,实测值落在此范围 ,应提出警告 ,说明需商讨和采取施工对策 ,预防最终位移值超限。警告值和基准值之间称为注意范围 ,实测值落在基准值以下 , 说明隧道和围岩是稳定的 [ 7 ]。警告包括 : ⑴初支结构有较大开裂。 ⑵监测数据有不断增大的趋势。 ⑶隧道支护结构变形过大 ,超过控制基准或出现明显的受力裂缝并不断发展。 ⑷时态曲线长时间没有变缓的趋势等当监测数据达到管理基准值的 2 /3时 ,定为警戒值 ,应加强监测频率。当监测数据达到或超过管理基准值时 ,应立即停止施工 ,修正支护参数后方能继续施工。见表 1,表 2[ 7 ]。表 1　监测管理表管理等级管理位移施工状态 Ⅲ U0 2U n /3 应采取加强支护等措施　　表 1中 : U0 ———实测位移值 , U n ———允许位移值 U n 的取值 ,也就是监测控制标准 (即基准值 )。表 2　监控量测管理基准值序号监测项目允许变形值 1 地表下沉 30 mm 2 拱顶下沉 50 mm 3 管线允许沉降 10～30 mm 4 建筑物允许倾斜率 0. 002 H 5 洞内水平收敛 0. 005 B 6 围护结构水平位移 ≤30 mm 依据规范、规程、设计文件等注 : ① B为坑道跨度　②管线沉降监测根据管线材质、状况等具体确定。 4003 科　学　技　术　与　工　程 10卷 2　监测方法 2. 1　沉降监测地下工程开挖后 ,地层中的应力扰动区延伸至地表 ,围岩力学形态的变化在很大程度上反映于地表沉降。当附近有建筑物 ,则地表沉降有可能引起房屋、管线的不均匀下沉 ,对房屋、管线造成破坏 ; 且地表沉降可以反映地下工程开挖过程中围岩变形的全过程。本监测设计车站中线地表沉降测点布设原则为临近竖井侧及重要量测地段间距为 10 m布设一组地表沉降测点 ,一般地段布点间距为 (10～30) m 布设一组中线测点 ,特殊情况测点可适当加密 ,对于管线 ,可根据实际情况进行测点布设。根据现场条件布置地表沉降主断面 ,主断面各测点布点原则为 :其距中线距离双层为 3. 6 m、4. 2 m、4. 3 m、2. 0 m、5. 0 m、5. 0 m、11. 0 m;单层为 2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、2. 0 m、3. 0 m ～4. 0 m。由于现场条件较为复杂 ,地表及房屋测点埋设时依据设计 ,根据现场实际情况进行布设。 2. 2　拱顶下沉及净空收敛监测拱顶下沉量测值是反映暗挖结构安全和稳定的重要数据 ,是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的的反映 ,易于实现量测信息的反馈。根据设计图纸要求 ,拱顶测点埋设时 ,应在掌子面开挖出碴完毕后 ,拱架架立时 ,将预埋件焊接至拱顶 ,待该环砼喷射完毕牢固后 ,将预埋件上砼清除干净 ,即可进行初始值量测。拱顶测点布设原则为临近竖井侧及重要量测地段间距为 10 m布设一组测点 ,一般地段点间距为 (10～30) m布设一组测点。特殊情况测点可适当加密。收敛测线埋设时 ,应在掌子面开挖出碴完毕后 ,拱架架立时 ,将预埋件焊接至拱腰 ,应尽量使两预埋件位于同一轴线上。待该环砼喷射完毕 ,牢固后 ,将预埋件上砼清除干净 ,即可进行量测。测线布设原则同拱顶测点 ,且同拱顶测点布设在同一断面。监测点在支护结构施工时埋设 ,在支护结构完成后最短时间内取得的读数为初始值 ,之后按前述监测频率要求进行日常监测。拱顶下沉量测主要采用精密水准仪 ,量测各测点与基准点之间的相对高程差 ,本次所测高差与上次所测高差相比较 ,差值即为本次沉降值 ;本次所测高差与初始高差相较 ,差值即为累计沉降值。净空收敛监测初次量测在钢尺上选择一个适当孔位 ,将钢尺套在尺架的固定螺杆上。孔位的选择应能使得钢尺张紧时支架与百分表 (或数显表 ) 顶端接触且读数在 (0～25) mm的范围内。拧紧钢尺压紧螺帽 ,并记下钢尺孔位读数。再次量测 ,按前次钢尺孔位 ,将钢尺固定在支架的螺杆上 ,按上述相同程序操作 ,测得观测值 Rn。按下式计算净空变化值 : Un = Rn 2Rn21 ; Un —第 n次量测的净空变形值 ; Rn —第 n次量测时的观测值 ; Rn21 —第 n - 1次量测时的观测值。拱顶下沉监测数据的填写、处理与地表下沉相同。如果拱顶下沉超限 ,可采取以下方法控制拱顶的下沉 :改良拱顶岩体或土体的稳定性 ;改善开挖方法以减小开挖对拱顶围岩的扰动 ;加强支护等等 ,或采取以上几种方法进行综合处理。净空收敛监测则首先作出时间 2位移及距离 2位移散点图 ,对各量测断面内的测线进行回归分析 , 并用收敛量测结果判断隧道的稳定性。如果收敛值过大 ,应改善周围岩体或土体的稳定性 ,改变开挖方法 ,尽量减小开挖对周围岩 (土 )体的扰动 ;加强支护等等 ,以确保收敛值在规范允许的范围内。 2. 3　初支与二衬钢筋应力监测将钢筋计串联焊接在被测主筋上 ,安装时应注意能使钢筋计处于不受力状态 ,特别不应处于受弯状态 ,将钢筋计的导线逐段捆在临近钢筋上 ,引到地面的测试匣中 ,喷砼或二衬砼施作后 ,检查钢筋计的电阻值和绝缘情况 ,做好引出线和测试匣的保护措施。 2. 4　围岩压力监测先根据预测的压力变化幅度来确定压力盒量 500312期周　慧 ,等 :地铁隧道施工监控量测技术的应用　程。压力盒采用直接法埋设在初支与土体、初支与二衬间 ,采用初支喷砼或二衬灌注砼后 12 h的三次读数的平均值作为接触压力测试初始值。 2. 5　桩体及土体水平位移监测将测头放入测斜管 ,测试应从孔底开始 ,自下而上沿导管全长每一个测段固定位置测读一次 ,测段长度为 1 m,每个测段测试一次读数后 ,将测头提转 180°,插入同一对导槽重复测试 ,两次读数应接近 ,符号相反 ,取数字平均值 ,作为该次监测值。在基坑开挖前 ,以连续三次测试无明显差异读数的平均值作为初始值。 2. 6　地下水位监测采用电测水位计测量水位距孔口的距离 ,用水准测量方法测出孔口标高 ,从而确定水位标高 ,进一步计算水位变化情况。施工前 ,对所有观测孔统一联测静水位 ,统一编号 ,量测基准点。从降水开始 ,观测时间分别采用 30 m in、1 h、4 h、8 h、12 h以后 24 h观测 (1～2)次 ,直到降水工程结束。开始施工后 ,正常监测地下水位变化情况。 3　监控量测数据的分析、预测取得各种监测资料后 ,需及时进行处理 ,排除仪器、读数等操作过程中的失误 ,剔除和识别各种粗大、偶然和系统误差 ,避免漏测和错测 ,保证监测数据的可靠性和完整性 ,采用计算机进行监控量测资料的整理和初步定性分析工作 [ 8 ]。 3. 1　数据整理把原始数据通过一定的方法 ,如按大小的排序用频率分布的形式把一组数据分布情况显示出来 , 进行数据的数字特征值计算 ,离群数据的取舍。 3. 2　插值法在实测数据基础上 ,采用函数近似方法 ,求得符合测量规律而又未实测到的数据。 3. 3　采用统计分析方法对监测结果进行回归分析寻找一种能够较好反映监测数据变化规律和趋势的函数关系式 ,对下一阶段的监测物理量进行预测 ,防患于未然。如预测最终位移值 ,预测结构物的安全性 ,并据此确定工程技术措施等。因此 , 对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移变化速率 (mm /d)等综合判断结构和建筑物的安全状况 ,并编写周、月汇总报表 ,及时反馈指导施工 ,调整施工参数 ,达到安全、快速、高效施工之目的。 4　结论在通常采用的力学分析、数值计算、室内试验模拟等工程技术手段中 ,地下结构和相邻土层总是在不同程度上做出近似或简化处理。为突出主要因素忽略了其他次要因素 ,这样做 ,对于工程问题求解是必需和适当的 ,但在真实刻画自然界客观事物的变化规律上面 ,不可避免地掺入了人为的假定因素 ,在这方面 ,现场监测技术显示了极大的优势 , 每一个工程的施筑 ,都是一次 1: 1的实体实验 ,所取得的数据是各种复杂因素影响和作用下结构系统的综合体现。地铁工程一般施筑于城市建筑物和地下管线密集分布的区域 ,其成败维系着国家财产和人民生活的安全和稳定 ,尽可能避免各类事故 , 确保工程安全与顺利 ,是每一个工程技术人员的职责。参　考　文　献 1　孙　伟、谢飞鸿. 监控量测在地铁施工工程中的应用. 河南建材 , 2007; 6: 53—55 2　张永红 ,掌机贤 ,龚文瑜. 基于 SAR干涉点目标分析技术的城市地表形变检测. 测绘学报 , 2009; 12 (6) : 482—487 3　侯学渊 ,钱达仁 ,杨林德. 软土工程施工新技术. 合肥 :安徽科技出版社 , 1999 4　李永宽 ,崔江余 ,李永平. 北京地铁光华路站风道暗挖工程监控量测技术. 探矿工程 , 2005; 3 (9) : 59—61 5　王明波. 地铁车站桩基托换施工及监控量测技术. 河北交通科技 , 2006; 9 (3) : 9—12 6　方朝刚. 北京地铁中关村车站辅助通道基坑明挖施工位移监控量测. 工程科技 , 2006; (2) : 23—30 7　铁路隧道喷锚构筑法技术规则 ( TBJ 108—92) . 北京 ,中国铁道出版社. 2003 8　汪延彬 ,张献州. 京沪高铁天津地区地表沉降空间插值方法研究. 测绘通报 , 2009; 12 (12) : 19—22 6003 科　学　技　术　与　工　程 10卷 The Applica tion of M on itor ing Project in Subway Con struction ZHOU Hui, SUN W ei, HUO Ru2tao (Civil Engineering Department, Heilongjiang Communications Polytechnic, Q iqihaer 161002, P. R. China) [ Abstract] 　 In city subway construction, ensure the vicinity building and the underground p ipelinepis security are very important, for security construction, must build up effective site monitoring. The monitoringpis item, measuring point layout are p resented. The establishment of monitoring network and monitoring of other building, measuration method and analysis and p rediction of data in subway construction are p resented. [ Key words] 　subway　　safety construction　　monitoring　　p rediction (上接第 2994页 ) 3　冈萨雷斯 , 阮秋琦 ,阮宇智 ,等. 数字图像处理. 北京 :电子工业出版社 , 2004: 98—105 4　张光年 ,葛庆年. 基于 Marr2H ildreth算子多尺度图像边缘检测. 首都师范大学学报 , 2005; 26 (3) : 17—21 5　龙　公 ,王玉平 ,谈　正. 具有方向性 ,变尺度的过零交叉特征检测算子. 数据采集与处理 , 1995; 10 (3) : 175—180 6　贾云得. 机器视觉. 北京 :科学出版社 , 2000: 97—103 7　王　植 ,贺赛先. 一种基于 Canny理论的自适应边缘检测方法. 中国图象图形学报 , 2004; 9 (8) : 957—962 8　王怀野 ,张　科 ,李言俊. 各向异性滤波在红外图象处理中的应用. 红外与毫米波学报 , 2005; 24 (2) : 109—113 Im proved Self2adaptable An isotrop ic Laplac ian of Gaussian O pera tor GUAN B in (College of Electronic Information Engineering, South2Central University for Nationalities, W uhan 430074, P. R. China) [ Abstract] 　Being the classical isotrop ic Lap lacian of Gaussian (LOG) operator is not used in directional differ2 ence occasions, the parameters of multi2scale, multi2angle were introduced into classic LOG operator to Effective detection of the edge in all directions, and then an adap tive anisotrop ic LOG operator was p roposed. In thismethod, the scale of filterpis long axes was determ ined by Intensity2Dependent2Sp read model in each p ixel, and the ratio be2 tween filterpis long axes and short axes was determ ined by the degree of local smoothness, then the orientation of the filterpis long axeswas calculated according to the 8 neighborhood first2order partial derivatives. The experiment show that compared with the traditionalLOG operator, this algorithm not only solves the edge extraction in different direc2 tions, but also comp letely retaines the advantages of classic original LOG operator. [ Key words] 　image p rocessing　　Lap lacian of Gaussian operator　　edge detection 700312期周　慧 ,等 :地铁隧道施工监控量测技术的应用　

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