淺埋暗挖地鐵車站自動化監(jiān)控系統(tǒng)應用及數(shù)據(jù)分析

1、.淺埋暗挖地鐵車站自動化監(jiān)控量測系統(tǒng)應用及數(shù)據(jù)分析（北京地鐵四號線項目經(jīng)理部）摘要：介紹了在車站施工期間采用監(jiān)控量測系統(tǒng)動態(tài)顯示地鐵暗挖施工過程中圍巖和主體結構工作狀態(tài)，顯示其受力狀態(tài)及位移變化等信息變化，實現(xiàn)實時安全預警、預報。關鍵詞：地鐵車站 暗挖 監(jiān)控1 工程概況圖1 天壇東門站主體結構橫斷面天壇東門站主體結構為三拱兩柱雙層結構（詳見圖1），開挖寬度23.876m，開挖高度15.266m，總長191.0m，主體結構覆土6m左右，車站采用暗挖中洞法施工。施工順序圖見圖2。地下管線：交叉口處路段地下管線密集，種類繁多，主要有熱力管道、給水（三條）、雨水、污水、電力管溝、煤氣、電信等管線。圖2

2、 天壇東門站開挖順序圖 車站范圍內(nèi)地層自上而下依次為：人工填土層、粉土、細中砂層、卵石圓礫，其中由交叉口段進入車站拱部所處地層為中粗砂夾卵石地層。2 監(jiān)測方案在地鐵暗挖施工條件下，通過對地表、地層和結構應力、變形等參數(shù)變化的監(jiān)控信息采集、網(wǎng)絡化傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究，提出一整套適合地鐵暗挖施工特點的自動監(jiān)控系統(tǒng)，為地鐵大跨和淺埋暗挖的安全施工提供指導。具體研究內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)采集元件技術性能、數(shù)據(jù)采集方式、 布點原則的研究以及元件的選型；數(shù)據(jù)傳送方式和傳輸設備的選擇、傳輸軟件的編制；圍巖穩(wěn)定性和主體結構動靜力工作狀況的理論分析、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和施工安全分析系統(tǒng)的研究；信息自動監(jiān)控和預警系統(tǒng)的研究

3、。該系統(tǒng)能動態(tài)顯示地鐵暗挖施工過程中圍巖和主體結構工作狀態(tài)，顯示其受力狀態(tài)及位移等信息變化，實現(xiàn)實時安全預警、預報。整個車站布置三個監(jiān)測斷面，里程分別為K4+820，K4+883，K4+965，各斷面元件布置情況如下：2.1位移計的布置位移計用來量測土體內(nèi)部位移,測桿長度35米。中洞部分開挖時，在拱頂布置1根。中洞邊墻兩側對稱布置位移計2根。側洞開挖后，側洞頂拱對稱布置1對，邊墻對稱水平布置1對位移計。位移計的布置見圖3。位移計的布置根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。采集器A6A7A5A4A3A2A1圖3 位移計布置圖2.2鋼筋計布置（25mm）在永久噴層上位移計埋置的對應位置內(nèi)外層布置一對鋼筋計，共5對

4、。其余臨時支護，酌情布置每點一個，共10個。見圖4。圖4 壓力盒布置圖B12B34B14B11B12B56B78B17B910B16B20B18B15B19B132.3壓力盒布置壓力盒布置在位移計的對應位置,中洞開挖拱頂布置1個，邊墻對稱布置1對。兩邊側洞開挖后在邊墻對稱布置1對,拱頂對稱布置1對。每斷面7個。如圖5所示。圖5 壓力盒布置圖C1C2C5C4C7C3C62.4鋼管柱及拉桿應力布置（表面式應變計）每斷面兩根鋼管柱，上下兩層，鋼管柱在每層內(nèi)外兩側安裝一對應變計。拉桿下側布置一個。見圖6。2.5橫撐鋼筋計布置（10mm） 在橫撐工字鋼上下翼緣各布置鋼筋計一只，（1、2部之間和2、3部之

5、間除外），具體布置圖如圖7所示。D9D1D2D3D4D5D6D7D8圖6 表面式應變計布置圖 圖7 橫撐鋼筋計布置圖采用的監(jiān)測元件有位移計、鋼筋計、土體壓力盒和表面式應變計，具體型號如表1：表1 天壇東門站施工監(jiān)測元件表元件名稱元件型號監(jiān)測項目位移計CFJ-701型位移計土體內(nèi)部位移鋼筋計（直徑25mm）GJJ10型振弦式鋼筋測力計格柵應力鋼筋計（直徑10mm）GJJ10型振弦式鋼筋測力計橫撐應力土體壓力盒TYJ25型振弦式土壓力計土體對支護的壓力表面式應變計EBJ-57型表面式應變計鋼管柱應變另外，采用ZXY-2頻率儀和自動采集儀進行測讀數(shù)據(jù)。3 預警標準判別圍巖穩(wěn)定性及初期支護安全度是比較

6、復雜的問題，就以往經(jīng)驗和現(xiàn)有資料來講，主要以位移和變形作為評判和預警的標準。所以根據(jù)監(jiān)測項目的分工情況，目前采用以下綜合判別方法。3.1按最大值控制的標準首先確定監(jiān)測項目的最大控制值，最大控制值的三分之一以下為正常施工，三分之一與三分之二之間為加強觀測，三分之二以上預警。土壓力：天壇東門站埋深約7.5米，全土柱土壓力150KPa左右。按照該標準，當土壓力測讀值達到100KPa以上預警；格柵應力：25螺紋鋼筋的設計強度為300MPa，當鋼筋計測讀值達到200MPa以上預警；位移：按0.10.3為初期支護極限相對水平位移，車站總跨度20m左右，2060mm，取偏小值30mm（全洞室變形），水平位移

7、達到20mm以上預警；按0.060.1為初期支護極限相對垂直位移，車站總高度15m左右，915mm，取偏小值10mm（全洞室變形），垂直位移達到7mm以上預警。3.2按變化速度判別土壓力：按每天增長速度大于10KPa為急劇增長階段，速度小于2KPa為基本穩(wěn)定；格柵應力：按每天增長速度大于10MPa為急劇增長階段，速度小于2MPa為基本穩(wěn)定；位移：位移每天增長速度大于1.0mm時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，速度小于0.2mm為基本穩(wěn)定。3.3按時態(tài)曲線的形態(tài)來判別當測值變化速率不斷下降時（df2/d2t0）,則監(jiān)測項基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當測值變化速率保持不變時（df2/d2t0）,則監(jiān)測項不穩(wěn)定，應加

8、強支護；當測值變化速率不斷上升時（df2/d2t0）,則監(jiān)測項進入危險狀態(tài)，需停止掘進，加強支護。以上判別標準與設計、施工、監(jiān)理討論后，參照其它類似工程，并根據(jù)實際量測情況進行調(diào)整。4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析（詳細數(shù)據(jù)見附表）41典型地面沉降曲線及分析(包括各工序的分解)天壇東門站地表（監(jiān)測點與結構關系圖如圖8所示）累計沉降中洞上方平均122.66mm，最大194.77mm，中洞開挖平均引起沉降79.37mm，占64.7%，中洞襯砌期間沉降7.53mm，占6.1%，側洞開挖引起沉降35.76mm，占29.2%；側洞上方平均97.43mm，最大150.95mm，中洞開挖平均引起沉降40.67mm，占41.

9、7%，中洞襯砌期間沉降6.32mm，占6.5%，側洞開挖引起沉降50.44mm，占51.8%。圖8 地表監(jiān)測點與結構關系圖 地表沉降數(shù)據(jù)分析截至2005年4月10日天壇東門站地表K4+862.63點CJ3-6累計沉降值達到-145.14mm根據(jù)如圖9所示，其中天壇東門站中洞（起始點里程為K4+800），開挖至該里程為2004年1月20日，初測日期為2004年1月11日， 截止至2004年5月15日天壇東門站中洞開挖完畢，圖9該觀測點的累積沉降量為-78.24mm，占總沉降量的53.9%；截止至2004年11月20日天壇東門站主體結構施工完畢，該觀測點的累積沉降量為-85.78mm，在2004年

10、5月15日至2004年11月20日期間沉降量為-7.54 mm，占總沉降量的5.2%；截止至2005年3月25日天壇東門站側洞開挖完畢，該觀測點的累積沉降量為-144.73mm，在2004年11月20日至2005年3月25日期間沉降量為-58.6mm，占總沉降量的40.4%；從 2005年3月25日至2004年4月10日累計沉降量為-145.14mm；由以上數(shù)據(jù)可以看出，中洞及側洞開挖對地表沉降起關鍵性的影響作用。 最大斷面沉降曲線及分析(包括各工序的分解)截至2005年4月17日天壇東門站地表沉降最大值發(fā)生在K4+914點CZ5-6累計沉降值達到-194.8mm（如圖10所示），其中天壇東門

11、站中洞（起始點里程為K4+800），開挖至該里程為2004年3月2日，初測日期為2004年2月22日， 截止至2004年5月15日天壇東門站中洞開挖完畢，圖10該觀測點的累積沉降量為-127.89mm，占總沉降量的65.7%；截止至2004年11月20日天壇東門站主體結構施工完畢，該觀測點的累積沉降量為-141.75mm，占總沉降量的72.8%；在2004年5月15日至2004年11月20日期間沉降量為-13.86 mm，占總沉降量的7.1%；截止至2005年3月25日天壇東門站側洞開挖完畢，該觀測點的累積沉降量為-194.15mm，在2004年11月20日至2005年3月25日期間沉降量為-

12、53.02mm，占總沉降量的27.2%；該沉降點設置在中洞結構的正上方，因此由以上數(shù)據(jù)可以看出，中洞開挖影響地表沉降較大占總沉降量的65.7%，起關鍵性的影響作用。拱頂沉降：截至2005年4月10日天壇東門站里中洞拱頂K4+862點ZCJ08累計沉降值達到-53mm，根據(jù)如圖11所示，其中天壇東門站中洞（起始點里程為K4+800），開挖至該里程為2004年1月20日，初測日期為2004年1月25日， 截止至2004年5月15日天壇東門站中洞開挖完畢沉降量為-46mm，占總沉降量的86.8%；后續(xù)施工對拱頂沉降影圖11響較小，沉降量為-7mm，占總沉降量的13.2%；從監(jiān)測結果來看，除地表及拱頂

13、沉降值較大以外，其它各項監(jiān)測點測讀數(shù)值都在允許范圍內(nèi)，基本正常，且數(shù)據(jù)都趨于穩(wěn)定。各個分部開挖過程中，及時的施作臨時仰拱能有效地抑制隧道的整體沉降和不均勻沉降，減小隧道變形。42應力監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析格柵應力：在中洞三個斷面共埋設了36只鋼筋計，在永久噴層上位移計埋置的對應位置內(nèi)外層布置一對鋼筋計，共5對。其余臨時支護，酌情布置每點一個，共10個。各測讀數(shù)據(jù)都已趨于平穩(wěn)。鋼筋計埋設初期應力值增加較快，一般能在2-5天后基本穩(wěn)定。同時應力值受相關各部開挖面位置影響較大，當相關分部開挖到元件埋設位置時，應力值會出現(xiàn)波動或突變。測讀的最大拉應力在東南井斷面3部邊墻部位，最大拉應力值為71.04MPa(如

14、圖12所示)，當時第4部通過埋設斷面，隨后逐漸降至10MPa左右后穩(wěn)定；測讀的最大壓應力60MPa左右，在2部豎撐和5部邊墻位置，遠遠小于鋼筋容許強度值。圖12另外，7、8部臨時底板處破洞（預留鋼管柱孔位）對邊墻格柵應力有一定影響，使應力值起伏較大，但應力值均在允許范圍之內(nèi)?，F(xiàn)數(shù)據(jù)均已經(jīng)基本穩(wěn)定，并且應力值較小。土壓力：壓力盒布置在位移計的對應位置,中洞開挖拱頂布置1個，邊墻對稱布置1對。兩邊側洞開挖后在邊墻對稱布置1對,拱頂對稱布置1對。每斷面7個。壓力值曲線基本趨于平緩。壓力盒埋設初期數(shù)值增長較快，一般在7天左右達到最大值并穩(wěn)定。土壓力最大值出現(xiàn)在西北井斷面1部拱頂，達到260KPa，如圖

15、13所示。從數(shù)據(jù)曲線分析，有兩次圖13達到峰值，第一次為埋設后第三天（達到257.44KPa），初步分析原因是壓力盒埋設時，預頂應力過大，產(chǎn)生應力集中，達到最大值后，隨著1部的開挖前進，壓力值逐步減小，此時2部開挖到此位置，壓力值開始逐步增長到260KPa。此后，1、2部繼續(xù)前進，壓力值逐步減小并趨于平穩(wěn)，目前為19.7KPa。另外，針對以上情況，于K4945里程1部拱頂增設壓力盒一只，測讀壓力值為18KPa左右，并且比較穩(wěn)定。橫撐應力：在橫撐工字鋼上下翼緣各布置鋼筋計一只，（1、2部之間和2、3部之間除外），從數(shù)據(jù)分析,橫撐鋼筋計埋設后便開始受力，并且一般呈線性增長，應力值累計增長到下部開挖

16、面通過時，應力釋放并且發(fā)生突變，隨后應力值基本上趨于穩(wěn)定。橫撐應力值最大值出現(xiàn)在K4916斷面5部位置（增設），工字鋼上側拉應力達到242MPa，下側壓應力達到151MPa，如圖14所示。在7部通過該位置后，應力值發(fā)生突變，上側拉應力為75MPa，下側壓應力為69MPa，之后應力值逐漸趨于穩(wěn)定，現(xiàn)在為21MPa和38MPa。原因分析為：1、隧道開挖后的整體沉降和地表沉降引起，隧道沉降引起荷載作用在橫撐上，橫撐下側土體通過橫撐阻止沉降，加之5部和7部之間的開挖臺階偏長，應力不斷累計造成。2、另外，5部開挖后，初支邊墻和中隔壁有擴張趨勢和不均勻沉降，使橫撐產(chǎn)生很大拉應力。圖14 頂縱梁拉桿應力 圖

17、15截至2005年4月3日天壇東門站中洞K4+883頂縱梁臨時拉桿G10281點累計應力值達到35.1MPa，如圖15所示。，在天壇東門站中洞主體結構施工時間2004年12月29日至2004年11月20日期間應力值基本變化不大，至2004年11月20日應力值為-2.28MPa，說明在中洞主體結構施工對拉桿受力影響不大；天壇東門站側洞開挖后，拉桿受力逐漸增大，截至2005年1月26日側洞1部開挖至該里程后拉桿累計應力值達到17.01MPa，占累計總值的48.9%，側洞1部開挖通過該里程后，應力出現(xiàn)部分回彈，下降值6.62Mpa；截至2005年2月3日側洞2部開挖至該里程后拉桿累計應力值達到25.32MPa，占累計總值的72.1%；截至2005年2月10日側洞3部開挖至該里程后拉桿累計應力值達到30.09MPa，占累計總值的85.9%；截至2005年2月18日側洞4部開挖至該里程后拉桿累計應力值達到36.93MPa，側洞開挖均完成后拆除側洞橫豎撐期間拉桿累計應力值減小到35.1Mpa。由以上數(shù)據(jù)可以看出，在側洞開挖期間由于中洞兩端土體開挖卸載導致中洞結構在上方土體壓力（埋深7.5m，全土柱土壓力150kpa）作用下，中洞主體結構（頂縱梁等）均出現(xiàn)向兩端擠出現(xiàn)象，尤其在側洞開挖第1、2部影響較為明顯，占累計總值的72.