监控量测施工技术浅析.ppt
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1、监控量测施工技术浅析,中铁隧道集团有限公司二O一O年十月二十日,一.监控量测是喷锚构筑法施工的重要内容,1岩体是隧道结构体系中的主要承载单元,在施工中必须充分保护岩体,尽量减少对它的扰动,避免过度破坏岩体的强度。2 充分发挥岩体的承载能力,允许并控制岩体的变形。3 改善支护结构的受力性能,施工中尽快闭合,而成为封闭的环形结构。(隧道断面形状应尽可能圆顺,以避免拐角处的应力集中。),4 量测工作的特殊性 5二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的,围岩和支护结构形成一个整体,因而提高了支护体系的安全度。由上所述,可总结:围岩是载物体,是承载结构;围岩承载圈和支护体组成巷道的统一
2、体,是一个力学体系;隧道的开挖和支护是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。基本要点可概括为:“少扰动、早喷锚,勤量测、紧封闭”。,附1:新奥法简介“新奥地利隧道施工法”(NATM)法,由奥地利学派创始人之一米勒教授提出的。包括三方面的内容:1、支护-围岩共同作用原理。2、柔性支护观点/锚喷网综合支护主要支护手段。3、设计、施工、监测一条龙作业方式。优点:较好利用岩体力学特性,充分发挥围岩的自身的承载能力,合理设计支护结构和施工顺序。,1、支护-围岩共同作用原理,围岩既是生产支护荷载的主体,又是承受岩层荷载的结构,支护-围岩作为整体相互作用,共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷
3、载采用厚衬砌的传统做法。围岩压力是变形压力和松动压力的组合,大部分压力(特别是变形压力)由围岩自身承担,只有少部分转移到支护结构上;支护荷载既取决于围岩的性质,又取决于支护结构的刚度和支护时间;围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。,支护-围岩共同作用原理图,围岩特性曲线,支护特性曲线,支护,时间,刚度,早,晚,刚,柔,2、柔性支护观点,支护刚度不必太大,当支护做完后,能与岩体一起生产一定的位移,释放部分变形能,但又能使支护足以保持平衡,保持围岩稳定。柔性支护,尽早支护,既及时封闭围岩,防止风化,又能释放变形能,合理利用围岩与支护共同承担应力调整过程中的所有作用。
4、支护结构为闭合环,锚喷网综合支护主要支护手段。,3、设计、施工、监测一条龙作业方式,工程地质调查与相关实验,工程开挖与支护设计,施工与监测,是否稳定,返回,附二、隧道围岩中的自承体系及其变化 隧道开挖是个4维问题:3维空间+时间 在掌子面前方14倍洞径远,岩体已经变形,沿切向、径向都受压缩。隧道开挖断面是在已经被压缩的岩体状况下进一步变形。隧道一开挖,周边岩体向洞内移动,发生张性变形,这样就在隧道周边岩体中形成由外向内的一个自承结构,最外层为松弛带,中间经过一个过渡带到压密区,然后是未受扰动的原岩,隧道周边围岩自承体系,松弛带岩体靠近临空面的部分,岩体受爆破、自重影响,变形最严重;靠里的一部分
5、,则主要是受应力解除影响的变形。松弛带岩体在开始时并未松动,除局部或特殊情况外还是自稳的。而压密区的岩体,是在三维空间中受压缩的。岩体强度大于单轴抗压强度。因此,压密区岩体有很高的强度,形成岩拱,与原岩应力相平衡或承载原岩压力。,压密区通过过渡带受松弛带的支护,如果松弛带不破坏,不发展,压密区就会渐趋完善,保护岩体整体稳定。松弛带、过渡带、压密区,广义的加上支护,形成一个围岩自承体系。,自承体系随时间如何变化?由支护,即对自承体系的保护来决定。若不作支护,松弛带岩体张性变形将继续发展,直至由松弛带发展到松动,同时松弛带向深部发展,不仅使过渡带变成松弛带,而且使压密区逐渐消失,岩体因承载力大大减
6、弱,而出现整体失稳,如果及时做支护,及时保护了松弛带,随着对岩体径向和切向变形的约束,松弛带就可能情况改善,张性变形减少,松弛带缩小,过渡带成为压密区的一部分,压密区扩大并均匀化,最后达到稳定,支护中的几个现象,每一个开挖步骤都可引起围岩中的一次调整,所以每一个步骤的影响是好是坏,要作评估;洞形可以影响一开挖就形成的自承体系的形态,自承体系形态好,调整得就快,所以开挖的洞形是能促进围岩自承体系的手段之一;开挖速度体现在4维中的t这一坐标,要考虑到围岩自承体系产生和调整需要时间;,开挖断面附近,在刚开挖时松弛带一般还有自稳能力,此时还有掌子面的支撑,产生桥跨作用,此时如及时支护对巩固松弛带的作用
7、很大;对于中小跨度的隧道和地下工程,加固松弛带,尤其是加固松弛带的最外层,能起到保护自承体系的作用;浅埋情况,自承体系不完整。浅埋土质隧道,由于自承体系不完整,拱部以上土体靠原生结构,靠土、砂的粘滞性和摩擦维持。,附三 深埋圆形洞室 二次应力状态的弹性分布,一、侧压力系数,(1)计算模型,(2)应力和位移,(79),平面应力时,(710),平面应变时,圆形洞室二次应力分布,(3)洞室的径向位移(平面应变时),轴对称、切向位移:V=0 径向位移:开挖前,岩体产生的位移(ra=0)由上式得:,(712),由于开挖引起的位移,(4)洞周的应变,开挖前,岩体已完成应变,开挖引起的应变:,可见,说明 时
8、,岩体的体积不发生变化的特点。,ra=0代入(7-10)式得:,(5)洞壁的稳定性评,弹塑破碎,弹塑破,稳定条件,围岩可能出现的情况,塑,破碎,洞室周边,处于单向应力状态,最容易破坏。周边最大切应力:,二、时,二次应力状态,(1)计算模型,I轴对称,II反对称,(2)应力位移分析,I,II,加,二次应力埸,等于,(7-15),(7-16),有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移,可用 类似 方法 求出:,(3)洞室周边应力,洞室周边,处于单向应力状态,最容易破坏。代入(7-15)得洞室周边应力:,可见洞室周边只有切向应力:,式中:K-围岩内的总应力集中系数 Kz、Kx-分别为垂直和水平应力集
9、中系数,洞室周边应力集中系数与侧压力系数有关见图(7-5),(3)洞室周边位移,将r=ra代入式(7-16),得由于开挖引起的洞室周边位移:,影响洞壁位移的因素很多,有岩体性质、初始应力、开挖半径、位移与径向夹角等。径向位移比切向位移稍大些,因此,径向位移,对围岩稳定性起主导作用。,径向位移便于测量与控制!,三、深埋椭圆洞室的二次应力状态,图7-6 椭圆洞室单向受力计算简图,(1)计算模型,(2)洞壁应力计算公式,可能出现拉应力的(0,b)(0,-b),顶底 板中点,即,(3)洞壁应力分布特点,最大压应力点(a,0)(-a,0)两帮中点,,即,若ab,最大压应力点为:,选择3个关键点()代入(
10、7-20)式得,3个关键点,在不同侧压力系数下的应力。,见表7-1,(3)最佳轴比(谐洞)最有利于巷道围岩稳定的巷道断面尺寸,可用它的高跨比 表征(轴比),称为最佳轴比或诣洞。最佳轴比应满足如下三个条件:,-最大拉应力点为:,巷道周边应力 对称均匀分布;巷道周边不出现拉应力;应力值是各种截面中的最小值。当 时,满足此条件故 为数佳轴比。此时(与 无关)当 时,K=1,圆形最优。,四、深埋矩形洞室的二次应力状态,用复变函数方法求解。孔边应力分布:Kx,Kz-分别为水平、垂直方向的应力集中系数表7-2。时,由表可见多点出现拉应力。,返回,当 时,矩形洞室周边均为压应力,当 时,洞室周边出现拉应力,
11、矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力,二、监控量测目的与作用,目的:1确保施工安全及结构的长期稳定性;2验证支护结构效果,确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据;3确定二次衬砌施做时间;4监控工程对周围环境影响;5积累量测数据,为信息化设计与施工提供依据。,作用:监控量测是保证施工安全的主要方法 监控量测是设计施工优化的主要依据。监控量测是应对隧道工程不确定性的重要方法。监控量测是积累工程资料的重要手段。,初始调查 编制实施性监控计划。应按规程要求,结合隧道设计、工程地质条件编制实施性监测计划,必须经业主、监理审查批准后方可实施。测点布设及取得初始监测值 现场监测
12、 提交监测结果 资料报送 编写总结报告,三、监控量测的一般程序,监控量测一般流程图,1、现场情况的调查,施工前对隧道工程的地质条件、地下水状况及施工影响区域内的周边环境进行初始调查,掌握工程特点和难点,为监控量工作的顺利开展做好准备。,2、监测方案制定,(1)现场监控量测小组按照监控量测设计的要求,结合初始调查结果编制实施方案,经业主、监理审查批准后实施。(2)确定监测项目、仪器、测点布置原则、量测频率、数据处理、反馈方法、组织机构及管理体系,并在施工的全过程中认真实施。,3、监控量测项目,(1)监控量测必测项目,(2)监控量测选测项目,(1)浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设。地表沉降测
13、点和隧道内测点应布置在同一断面里程。一般条件下,地表沉降测点纵向间距应按表4.1的要求布置。(2)地表沉降测点横向间距为25m。在隧道中线附近测点应适当加密,隧道中线两侧量测范围不应小于H0+B,地表有控制性建(构)筑物时.量测范围应适当加宽。其测点布置如图4.1所示。,4、监控量测断面及测点布置原则,表4.1地表沉降测点纵向间距,注:H。为隧道埋深,B为隧道开挖宽度。,图4.1 地表沉降横向测点布置示意图,(3)水平相对净空变化及拱顶下沉量测,拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上。监控量测断面按表4.2的要求布置。拱顶下沉测点原则上设置在拱顶轴线附近。当隧道跨度较大时,应结合施工方法
14、在拱部增设测点,参照图4.2布置。净空变化量测测线数,可参照表4.3、图4.2布置,水平相对净空变化量测测线的布置应根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置、隧道埋置深度的条件确定。在地质条件良好,采用全断面开挖方式时,可设一条水平测线(轨顶面上3.0m左右)。当采用台阶开挖方式时,可在拱腰和边墙部位各设一条水平测线(俗称两线5点法),三台阶七步法应沿上台阶面、中台阶面、轨顶标高处各设一条水平测线(俗称三线7点法);拱顶量测,前视测点必须埋设在稳定岩面上,并和洞内水准基点建立联系,表4.2 量测断面间距,注:级围岩视具体情况确定间距。,表4.3 净空变化量测测线数,图4.2拱顶下沉量测和净空变
15、化量测的测线布置示意图(a)拱顶测点和1条水平线示例;(b)拱顶测点和2条水平线、2条斜测线示例;(c)CD或CRD法拱顶测点和测线示例;(d)双侧壁导坑法拱顶测点和测线示例),5监控量测频率,必测项目的监控量测频率应根据测点距开挖面的距离及位移速度分别按表5.1和表5.2确定。由位移速度决定的监控量测频率和由距开挖面的距离决定的监控量测频率之中,原则上采用较高的频率值。出现异常情况或不良地质时,应增大监控量测频率。,表5.1按距开挖面距离确定的监控量测频率,注:B为隧道开挖宽度,表5.2按位移速度确定的监控量测频率,6监控量测控制基准,(1)最大位移判断法位移控制基准及管理等级划分见表6.1
16、,表6.2“位移控制基准表”、“变形管理等级表”。通过对监测结果的比较和分析来判定支护结构的稳定性和安全性,并指导施工。隧道初期支护极限相对位移可参照表6.3、表6.4和表6.5选用。,表6.1 位移控制基准,注:B为隧道开挖宽度,U。为极限相对位移值。,表6.2 位移管理等级,注:U为实测位移值。,表6.3 跨度B7m隧道初期支护极限相对位移,注:本表适用于复合式衬砌的初期支护,硬质围岩隧道取表中较小值,软质围岩隧道取表中较大值。表列数值可在施工中通过实测资料积累作适当修正。拱脚水平相对净空变化指两拱脚测点间净空水平变化值与其距离之比,拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高
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