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

1、.淺埋暗挖地鐵車站自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析（北京地鐵四號(hào)線項(xiàng)目經(jīng)理部）摘要：介紹了在車站施工期間采用監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示地鐵暗挖施工過程中圍巖和主體結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，顯示其受力狀態(tài)及位移變化等信息變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全預(yù)警、預(yù)報(bào)。關(guān)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(jié)構(gòu)橫斷面天壇東門站主體結(jié)構(gòu)為三拱兩柱雙層結(jié)構(gòu)（詳見圖1），開挖寬度23.876m，開挖高度15.266m，總長(zhǎng)191.0m，主體結(jié)構(gòu)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(xì)中砂層、卵石圓礫，其中由交叉口段進(jìn)入車站拱部所處地層為中粗砂夾卵石地層。2 監(jiān)測(cè)方案在地鐵暗挖施工條件下，通過對(duì)地表、地層和結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等參數(shù)變化的監(jiān)控信息采集、網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的自動(dòng)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(dǎo)。具體研究?jī)?nèi)容包括：數(shù)據(jù)采集元件技術(shù)性能、數(shù)據(jù)采集方式、 布點(diǎn)原則的研究以及元件的選型；數(shù)據(jù)傳送方式和傳輸設(shè)備的選擇、傳輸軟件的編制；圍巖穩(wěn)定性和主體結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的研究

3、。該系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)顯示地鐵暗挖施工過程中圍巖和主體結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，顯示其受力狀態(tài)及位移等信息變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全預(yù)警、預(yù)報(bào)。整個(gè)車站布置三個(gè)監(jiān)測(cè)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(jì)的布置位移計(jì)用來量測(cè)土體內(nèi)部位移,測(cè)桿長(zhǎng)度35米。中洞部分開挖時(shí)，在拱頂布置1根。中洞邊墻兩側(cè)對(duì)稱布置位移計(jì)2根。側(cè)洞開挖后，側(cè)洞頂拱對(duì)稱布置1對(duì)，邊墻對(duì)稱水平布置1對(duì)位移計(jì)。位移計(jì)的布置見圖3。位移計(jì)的布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整。采集器A6A7A5A4A3A2A1圖3 位移計(jì)布置圖2.2鋼筋計(jì)布置（25mm）在永久噴層上位移計(jì)埋置的對(duì)應(yīng)位置內(nèi)外層布置一對(duì)鋼筋計(jì)，共5對(duì)

4、。其余臨時(shí)支護(hù)，酌情布置每點(diǎn)一個(gè)，共10個(gè)。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(jì)的對(duì)應(yīng)位置,中洞開挖拱頂布置1個(gè)，邊墻對(duì)稱布置1對(duì)。兩邊側(cè)洞開挖后在邊墻對(duì)稱布置1對(duì),拱頂對(duì)稱布置1對(duì)。每斷面7個(gè)。如圖5所示。圖5 壓力盒布置圖C1C2C5C4C7C3C62.4鋼管柱及拉桿應(yīng)力布置（表面式應(yīng)變計(jì)）每斷面兩根鋼管柱，上下兩層，鋼管柱在每層內(nèi)外兩側(cè)安裝一對(duì)應(yīng)變計(jì)。拉桿下側(cè)布置一個(gè)。見圖6。2.5橫撐鋼筋計(jì)布置（10mm） 在橫撐工字鋼上下翼緣各布置鋼筋計(jì)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(yīng)變計(jì)布置圖 圖7 橫撐鋼筋計(jì)布置圖采用的監(jiān)測(cè)元件有位移計(jì)、鋼筋計(jì)、土體壓力盒和表面式應(yīng)變計(jì)，具體型號(hào)如表1：表1 天壇東門站施工監(jiān)測(cè)元件表元件名稱元件型號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目位移計(jì)CFJ-701型位移計(jì)土體內(nèi)部位移鋼筋計(jì)（直徑25mm）GJJ10型振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)格柵應(yīng)力鋼筋計(jì)（直徑10mm）GJJ10型振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)橫撐應(yīng)力土體壓力盒TYJ25型振弦式土壓力計(jì)土體對(duì)支護(hù)的壓力表面式應(yīng)變計(jì)EBJ-57型表面式應(yīng)變計(jì)鋼管柱應(yīng)變另外，采用ZXY-2頻率儀和自動(dòng)采集儀進(jìn)行測(cè)讀數(shù)據(jù)。3 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)判別圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)安全度是比較

6、復(fù)雜的問題，就以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有資料來講，主要以位移和變形作為評(píng)判和預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。所以根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)首先確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(qiáng)觀測(cè)，三分之二以上預(yù)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土壓力測(cè)讀值達(dá)到100KPa以上預(yù)警；格柵應(yīng)力：25螺紋鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為300MPa，當(dāng)鋼筋計(jì)測(cè)讀值達(dá)到200MPa以上預(yù)警；位移：按0.10.3為初期支護(hù)極限相對(duì)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(dá)到20mm以上預(yù)警；按0.060.1為初期支護(hù)極限相對(duì)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(dá)到7mm以上預(yù)警。3.2按變化速度判別土壓力：按每天增長(zhǎng)速度大于10KPa為急劇增長(zhǎng)階段，速度小于2KPa為基本穩(wěn)定；格柵應(yīng)力：按每天增長(zhǎng)速度大于10MPa為急劇增長(zhǎng)階段，速度小于2MPa為基本穩(wěn)定；位移：位移每天增長(zhǎng)速度大于1.0mm時(shí)，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(shí)態(tài)曲線的形態(tài)來判別當(dāng)測(cè)值變化速率不斷下降時(shí)（df2/d2t0）,則監(jiān)測(cè)項(xiàng)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)測(cè)值變化速率保持不變時(shí)（df2/d2t0）,則監(jiān)測(cè)項(xiàng)不穩(wěn)定，應(yīng)加

8、強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)測(cè)值變化速率不斷上升時(shí)（df2/d2t0）,則監(jiān)測(cè)項(xiàng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，需停止掘進(jìn)，加強(qiáng)支護(hù)。以上判別標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理討論后，參照其它類似工程，并根據(jù)實(shí)際量測(cè)情況進(jìn)行調(diào)整。4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析（詳細(xì)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(cè)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖8所示）累計(jì)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(cè)洞開挖引起沉降35.76mm，占29.2%；側(cè)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(cè)洞開挖引起沉降50.44mm，占51.8%。圖8 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)關(guān)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(diǎn)CJ3-6累計(jì)沉降值達(dá)到-145.14mm根據(jù)如圖9所示，其中天壇東門站中洞（起始點(diǎn)里程為K4+800），開挖至該里程為2004年1月20日，初測(cè)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(cè)點(diǎn)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(jié)構(gòu)施工完畢，該觀測(cè)點(diǎn)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(cè)洞開挖完畢，該觀測(cè)點(diǎn)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(jì)沉降量為-145.14mm；由以上數(shù)據(jù)可以看出，中洞及側(cè)洞開挖對(duì)地表沉降起關(guān)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(diǎn)CZ5-6累計(jì)沉降值達(dá)到-194.8mm（如圖10所示），其中天壇東門

11、站中洞（起始點(diǎn)里程為K4+800），開挖至該里程為2004年3月2日，初測(cè)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(cè)點(diǎn)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(jié)構(gòu)施工完畢，該觀測(cè)點(diǎn)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(cè)洞開挖完畢，該觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)設(shè)置在中洞結(jié)構(gòu)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(guān)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(diǎn)ZCJ08累計(jì)沉降值達(dá)到-53mm，根據(jù)如圖11所示，其中天壇東門站中洞（起始點(diǎn)里程為K4+800），開挖至該里程為2004年1月20日，初測(cè)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(duì)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(cè)結(jié)果來看，除地表及拱頂

13、沉降值較大以外，其它各項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)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(gè)分部開挖過程中，及時(shí)的施作臨時(shí)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(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析格柵應(yīng)力：在中洞三個(gè)斷面共埋設(shè)了36只鋼筋計(jì)，在永久噴層上位移計(jì)埋置的對(duì)應(yīng)位置內(nèi)外層布置一對(duì)鋼筋計(jì)，共5對(duì)。其余臨時(shí)支護(hù)，酌情布置每點(diǎn)一個(gè)，共10個(gè)。各測(cè)讀數(shù)據(jù)都已趨于平穩(wěn)。鋼筋計(jì)埋設(shè)初期應(yīng)力值增加較快，一般能在2-5天后基本穩(wěn)定。同時(shí)應(yīng)力值受相關(guān)各部開挖面位置影響較大，當(dāng)相關(guān)分部開挖到元件埋設(shè)位置時(shí)，應(yīng)力值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)或突變。測(cè)讀的最大拉應(yīng)力在東南井?dāng)嗝?部邊墻部位，最大拉應(yīng)力值為71.04MPa(如

14、圖12所示)，當(dāng)時(shí)第4部通過埋設(shè)斷面，隨后逐漸降至10MPa左右后穩(wěn)定；測(cè)讀的最大壓應(yīng)力60MPa左右，在2部豎撐和5部邊墻位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋容許強(qiáng)度值。圖12另外，7、8部臨時(shí)底板處破洞（預(yù)留鋼管柱孔位）對(duì)邊墻格柵應(yīng)力有一定影響，使應(yīng)力值起伏較大，但應(yīng)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(yīng)力值較小。土壓力：壓力盒布置在位移計(jì)的對(duì)應(yīng)位置,中洞開挖拱頂布置1個(gè)，邊墻對(duì)稱布置1對(duì)。兩邊側(cè)洞開挖后在邊墻對(duì)稱布置1對(duì),拱頂對(duì)稱布置1對(duì)。每斷面7個(gè)。壓力值曲線基本趨于平緩。壓力盒埋設(shè)初期數(shù)值增長(zhǎng)較快，一般在7天左右達(dá)到最大值并穩(wěn)定。土壓力最大值出現(xiàn)在西北井?dāng)嗝?部拱頂，達(dá)到260KPa，如圖

15、13所示。從數(shù)據(jù)曲線分析，有兩次圖13達(dá)到峰值，第一次為埋設(shè)后第三天（達(dá)到257.44KPa），初步分析原因是壓力盒埋設(shè)時(shí)，預(yù)頂應(yīng)力過大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，達(dá)到最大值后，隨著1部的開挖前進(jìn)，壓力值逐步減小，此時(shí)2部開挖到此位置，壓力值開始逐步增長(zhǎng)到260KPa。此后，1、2部繼續(xù)前進(jìn)，壓力值逐步減小并趨于平穩(wěn)，目前為19.7KPa。另外，針對(duì)以上情況，于K4945里程1部拱頂增設(shè)壓力盒一只，測(cè)讀壓力值為18KPa左右，并且比較穩(wěn)定。橫撐應(yīng)力：在橫撐工字鋼上下翼緣各布置鋼筋計(jì)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(jì)埋設(shè)后便開始受力，并且一般呈線性增長(zhǎng)，應(yīng)力值累計(jì)增長(zhǎng)到下部開挖

16、面通過時(shí)，應(yīng)力釋放并且發(fā)生突變，隨后應(yīng)力值基本上趨于穩(wěn)定。橫撐應(yīng)力值最大值出現(xiàn)在K4916斷面5部位置（增設(shè)），工字鋼上側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到242MPa，下側(cè)壓應(yīng)力達(dá)到151MPa，如圖14所示。在7部通過該位置后，應(yīng)力值發(fā)生突變，上側(cè)拉應(yīng)力為75MPa，下側(cè)壓應(yīng)力為69MPa，之后應(yīng)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(cè)土體通過橫撐阻止沉降，加之5部和7部之間的開挖臺(tái)階偏長(zhǎng)，應(yīng)力不斷累計(jì)造成。2、另外，5部開挖后，初支邊墻和中隔壁有擴(kuò)張趨勢(shì)和不均勻沉降，使橫撐產(chǎn)生很大拉應(yīng)力。圖14 頂縱梁拉桿應(yīng)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(shí)拉桿G10281點(diǎn)累計(jì)應(yīng)力值達(dá)到35.1MPa，如圖15所示。，在天壇東門站中洞主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)間2004年12月29日至2004年11月20日期間應(yīng)力值基本變化不大，至2004年11月20日應(yīng)力值為-2.28MPa，說明在中洞主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)拉桿受力影響不大；天壇東門站側(cè)洞開挖后，拉桿受力逐漸增大，截至2005年1月26日側(cè)洞1部開挖至該里程后拉桿累計(jì)應(yīng)力值達(dá)到17.01MPa，占累計(jì)總值的48.9%，側(cè)洞1部開挖通過該里程后，應(yīng)力出現(xiàn)部分回彈，下降值6.62Mpa；截至2005年2月3日側(cè)洞2部開挖至該里程后拉桿累計(jì)應(yīng)力值達(dá)到25.32MPa，占累計(jì)總值的72.1%；截至2005年2月10日側(cè)洞3部開挖至該里程后拉桿累計(jì)應(yīng)力值達(dá)到30.09MPa，占累計(jì)總值的85.9%；截至2005年2月18日側(cè)洞4部開挖至該里程后拉桿累計(jì)應(yīng)力值達(dá)到36.93MPa，側(cè)洞開挖均完成后拆除側(cè)洞橫豎撐期間拉桿累計(jì)應(yīng)力值減小到35.1Mpa。由以上數(shù)據(jù)可以看出，在側(cè)洞開挖期間由于中洞兩端土體開挖卸載導(dǎo)致中洞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（頂縱梁等）均出現(xiàn)向兩端擠出現(xiàn)象，尤其在側(cè)洞開挖第1、2部影響較為明顯，占累計(jì)總值的72.