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隧道收斂變形監測篇一

1、目的

為明確隧道內變形觀測的作業內容，規范技術細節及作業程序，總結隧道結構變形規律，為隧道結構維修養護提供依據，指導津濱輕軌隧道變形觀測工作進行，從而保證行車安全，特制訂本預案。

2、適用范圍

2.1適用于津濱輕軌隧道變形觀測的相關工作；

2.2線橋室從事變形觀測的相關工作人員須依據本方案開展各項變形觀測工作。

3、職責分工

隧道變形工作由線橋室主任及安技主管進行監督指導，橋梁維修主管負責變形觀測工作的全面管理與協調，橋梁檢測工程師協同隧道工程師、橋梁維修工程師負責隧道變形觀測的相關技術工作，并由橋隧檢測工區負責具體實施。

4、參考依據

《建筑變形測量規程》

《地下鐵道、軌道交通工程測量規范》 《地下鐵道工程施工及驗收規范》

5、變形觀測工作內容

5.1隧道沉降觀測

監測隧道結構的沉降，主要是監測隧道結構的底板沉降，實質上是對道床的監測，主要包括區間隧道的沉降監測以及隧道與地下車站交接處的沉降差異監測。運營測量采用的坐標系統、高程系統、圖式等與原施工測量相同。

5.1.1監測基準網

監測基準網是隧道沉降監測的參考系，由水準基點和工作基點構成，網形布設成附合水準路線或沿上、下行線隧道布設成結點水準路線形式，采用國家二等水準測量的觀測標準進行。水準基點采用隧道線路兩端遠離測區的國家ii等水準點，在沿線車站內和聯絡通道處布設工作基點，每個車站布設4個工作基點，聯絡通道處布設2個工作基點，水準基點與車站內、聯絡通道處工作基點共同構成監測基準網，如圖1所示。基準網的高程值由國家水準點引入，每季度校核一次，分析工作基點的穩定性；然后，再通過車站內兩側的工作基點，采用附合水準路線對每段隧道結構進行沉降觀測。

圖1 監測基準網示意圖

5.1.2沉降監測點

津濱輕軌地下結構由明挖段和盾構組成，明挖段沉降監測點按施工澆筑段每段設4個點，分別布設在左右兩側墻上。具體布置見圖2。

圖2 明挖段沉降監測點布置示意圖

為方便以后長期的位移監測工作，隧道內沉降監測點布設在隧道中線的道床上，隧道直線段每隔30m設一個測點，曲線處根據曲線半徑大小設置測點間距，半徑為400m曲線處每隔12m設一個測點，半徑為800m曲線處每隔18m設一個測點，半徑為2000m曲線處每隔30m設一個測點。具體布置見圖3。

圖3 隧道內沉降監測點布置示意圖

5.1.3隧道與地下車站交接處得沉降差異監測

在隧道與地下車站交接縫兩側約1m處的道床上布設一對沉降監測點，如圖4所示，用精密水準測量方法監測交接縫兩側點之間的高差變化，當高差變化量大于±3mm時應預警，變化量大于±5mm時則應報警。

圖4 車站與隧道交接處沉降差異點布設示意圖

5.2隧道橫向位移變形監測

5.2.1橫向位移監測點的布設

隧道橫向位移監測點的布設與沉降監測斷面距離相同，即位移監測點和沉降監測點設于同一斷面上，并利用部分沉降點作為位移監測的坐標基點。基點的坐標值由地上國家坐標點引入，每季度校核一次。盾構區間每個斷面布設四處點位，重要點位粘貼反射片，其余點位做好油漆標記；明挖區間每個斷面監測2個點位，重復使用沉降觀測點作為位移測點使用。點位布置詳見圖5。

圖5 盾構區間位移監測點布設示意圖

5.2.2位移監測的開展

由于位移基標點與沉降基標點共有一個，初期需要對各個基標點進行測量，以獲取隧道中線初始數據，初始數據與設計隧道中線坐標進行對比。待此項工作完成后，可將全站儀置于需要測量的斷面所在的基標點上，任意其他基標作為后視點建立坐標系，依次對隧道斷面進行位移監測，每次的監測數據與初始數據進行對比。

5.2.3監測標準

橫向位移的監測標準定位警戒值±5mm，控制值±10mm。5.3隧道變形監測周期

運營第一年每季度觀測一次，第二年開始每半年至少觀測一次，直至沉降量小于1mm/100d止，中遠期可減至1次/年。當隧道出現顯著變形時，應縮短觀測頻率。

5.4特殊加密測量

5.4.1保護區內大型施工監測 保護區內出現大型施工時，應對結構進行加密監測。加密措施包括點位密度及監測頻率，測量范圍應在施工范圍內前后各延伸100m。施工范圍內的監測區域加密至直線12m一個斷面，曲線5~10m一個斷面，同時增加隧道拱頂及相應斷面的地上監測點，監測頻率視施工進度和內容確定。各點位布置詳見圖6。

圖6拱頂下沉和地表沉降觀測點布設示意圖

5.4.2變形異常地段的監測

在常規測量過程中，出現變形較為明顯的地段，應加密測量。加密措施包括增加拱頂及地上點位，同時將監測頻率加密至2次/月。

5.5監測數據的分析 5.5.1累積沉降量曲線圖

5.5.2沉降量速率曲線圖。

隧道收斂變形監測篇二

運行中的地鐵隧道變形動態監測

摘 要 文章結合廣州市“倉邊復建綜合樓項目”工程施工監測方案，對受緊鄰基坑施工擾動影響的運行中地鐵隧道變形的動態監測方法進行了分析，采用tca2003全站儀的全自動動態監測系統，可以24 h無人值守、連續監測運行中的地鐵隧道變形，且每次監測可在地鐵運行間隔內迅速完成。監測到的數據可以實時提供給施工方，以指導當前及下一步的施工，在工程應用中取得了良好的效果。

關鍵詞 地鐵隧道 連續運行 基坑開挖 變形動態監測 概述

在我國已有地鐵的城市中，地鐵沿線（非常靠近地鐵隧道）的深基坑越來越多，如何在基坑開挖中保護正在運行中的地鐵隧道，是一個十分現實的問題。采用信息化施工及監測方法，可以有效地指導基坑施工過程，施工中采用的時空效應法、逆作法、注漿法和基坑加固方法等均可達到保護鄰近隧道、控制變形的目的。而常規的地鐵變形監測如連通管法、巴塞特法等，在運行的地鐵隧道中進行監測相當困難，主要是因為地鐵運行間隔很短，運行期間絕對不允許測量人員進入，為此，須有一種簡便的、無人值守、自動的動態監測方法，可在很短的時間間隔內，迅速完成隧道的變形監測，并為鄰近基坑的施工提交監測數據。

廣州市 “倉邊復建綜合樓項目”與廣州地鐵1號線平行，西側基坑距區間隧道（公園前站～農講所站）北線最近處約4 m，東側基坑距北線隧道最近處約8 m，基坑開挖深度約為10.5 m，采用地下連續墻圍護，兼做承重結構。基坑開挖將對地鐵1號線構成威脅，為保證地鐵的安全運行，必須在基坑開挖過程中對運行中的隧道變形進行不間斷監測。自動化動態監測系統 2.1 監測要求

由于地鐵隧道在一天中的三分之二以上的時間是處于全封閉的運營狀態，絕對不允許監測人員進入隧道內工作，所以要求必須在隧道內設置自動化監測系統代替人工操作，實現對隧道水平、垂直位移的連續、精確監測?？紤]到地鐵運行的間隔很短，所采用的監測系統應能在3～5 min內完成隧道（受影響的區間段）的變形監測，以掌握基坑開挖施工引起地鐵1號線隧道變形規律及特性。2.2 監測范圍

地鐵1號線下行線“農講所站～公園前站”區間隧道沿基坑的60 m及兩端各向外延伸45 m（約150 m）的范圍。監測內容為隧道的水平和垂直位移。2.3 自動化動態監測系統的構成

一個完整的自動化動態監測系統是指在無需操作人員干預的條件下，實現自動觀測、記錄、處理、存儲、報表編制、預警預報等功能，它由一系列的軟件和硬件構成，整個系統配置包括：tca自動化全站儀、棱鏡、通訊電纜及供電電纜、計算機與專用軟件。

2.3.1 tca自動化全站儀

tca自動化全站儀能夠自動整平、自動調焦、自動正倒鏡觀測、自動進行誤差改正、自動記錄觀測數據，其獨有的atr（automatic target recognition，自動目標識別）模式，使全站儀能進行自動目標識別，操作人員一旦粗略瞄準棱鏡后，全站儀就可搜尋到目標，并自動瞄準，不再需要精確瞄準和調焦，大大提高工作效率。

tca2003是leica tca自動化全站儀中的一種（見圖1），該儀器測角精度為0.5〞，測距精度為1 mm±1 ppm?？赏ㄟ^專用的控制軟件來控制觀測目標、設定觀測周期。

2.3.2 leica標準精密測距棱鏡

棱鏡作為觀測標志，利用膨脹螺絲固定在隧道內側（見圖2），其數目可按實際需要設定，該標志能被tca2003全站儀自動跟蹤鎖定，以實施精密測角和測距。

2.3.3 計算機

計算機利用電纜和全站儀連接，并裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，既能控制全站儀按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，杜絕返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報告。2.3.4 其它設備

其它設備包括溫度計﹑氣壓計﹑濕度計、連接電纜、外接電源等；溫度計﹑氣壓計﹑濕度計用于測定空氣的溫度、壓力和濕度，將測定結果輸入到計算機中，對觀測結果進行修正，以提高觀測精度。2.3.5 實時控制軟件

geomos monitor是專門用于監測的、與tca2003全站儀配套的變形測量軟件，其在windows環境下運行，并將數據存儲在sql server數據庫中，它既可按操作者設定的測量過程和選定的基準點、觀測點進行相應的測量處理，也可快速建立三維坐標、位移量以及其它相關數據庫，實現數據的快速存儲、檢索、編輯，可實時顯示量測數據，并進行實時處理或后處理，能實時顯示圖形或事后顯示。2.3.6 后處理軟件

采用自己編制的軟件，利用和geomos的軟件接口，對測量數據進行后處理，按施工方要求的格式將監測點的位移變化轉化為標準圖表的形式直觀地表達出來，繪制出監測報表和位移曲線，自動實現數據分析、報警以及報表生成的功能，可以根據用戶的要求提供報表的形式。3 施工監測 3.1 測點布設

測點分為測站點、基準點以及觀測點3類，測點布設在區間隧道k9+920~k10+070約150 m的范圍之內。基準點用來檢驗測站是否產生位移，位于基坑影響區域外的東、西2點；觀測點沿隧道每隔約10 m布設1個，如圖3所示。

觀測點和基準點都采用棱鏡作為觀測標志（可實現在水平方向上和垂直方向上的旋轉），固定在支座上，支座采用膨脹螺絲固定在隧道管片上，安裝高度低于2 m（以確保安裝時不需要停電作業，并不對行車造成影響）。儀器設置在施工影響區域的中央（隧道的南側），固定在觀測臺上（避免對中誤差），并在旁邊放置穩壓電源。

為了更好地掌握地鐵運行狀況和控制隧道受基坑施工的影響，在不同位置設置典型觀測斷面（斷面具體數目結合基坑開挖深度及影響范圍設定）。坐標系設置為自定義坐標系。3.2 觀測方法

通過控制軟件，在每個觀測周期開始前，利用東、西2個基準點，4測回推算出測站點的坐標，然后，四測回對所有的點進行自動觀測，得到觀測點的坐標。基坑開挖深度較淺時，可以減少觀測頻率。隨著基坑開挖深度的不斷增加，24 h實時觀測，并加大重點部位的觀測頻率。3.3 測量數據

表1為不同測點的監測報表，圖4是d12點的累計位移—時間的曲線圖。

3.4 測量誤差分析 3.4.1 誤差來源

測量的誤差來源于儀器的系統誤差、測站和目標的對中誤差、外界環境的影響、測量儀器的影響。

⑴ 儀器的系統誤差主要是由儀器本身構造引起的，為保證精度，需在測量前對儀器進行檢校，儀器即使在檢校后還有殘余的系統誤差。但由于監測需要得到的是2次測量之間的位移值，因此系統誤差可以基本消除。

⑵ 由于測站點、觀測點均采用強制對中措施，而且標志埋設后在整個觀測過程中不再重新安置，因此，測站、目標的對中誤差可忽略不計。

⑶ 由于本次監測需要實時監測，而地鐵隧道的濕度較大，對測距的精度會有影響，但地鐵隧道內的溫度﹑氣壓﹑濕度均比較穩定，因此，可不考慮這些外界環境因素對觀測結果的影響，可在觀測過程中利用數學模型進行修正。而列車運行帶來的震動卻對觀測結果的影響較大，故應盡量避免在這一時段進行觀測。

⑷ 本次測量采用tca2003全站儀觀測，其測角精度0.5″，測距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影響測量的主要誤差源。3.4.2 誤差分析

此次監測主要的誤差來源是儀器的測角誤差和測距誤差，儀器的測角精度為0.5″，100 m的監測范圍內由測角所引起的最大誤差為±0.12 mm；儀器的測距精度為1 mm±1 ppm，其中1 mm為固定誤差，±1 ppm為比例誤差(1 mm/km)，即100 m的距離由測距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測量采用四測回觀測儀器引起的誤差為±0.5 mm；根據各點給定的初始坐標估算，點位的平面精度約±0.5 mm，z方向的精度與豎直角的大小有關，精度略低，但仍可以保證±1 mm的精度，能夠滿足施工及甲方對地鐵保護的要求。結論

廣州市“倉邊復建綜合樓項目”基坑開挖對地鐵1號線構成威脅，施工中采用的監測系統對運行中的隧道變形進行不間斷監測，監測結果為基坑開挖施工提供了準確、及時的指導數據，保證地鐵的安全運行。這是一種簡便、靈活、無人值守、實時、動態的監測系統。工程應用表明，該監測系統能滿足工程的要求，且監測速度快、精度高、受人為影響少、自動化程度高，可在地鐵運行間隔內迅速完成隧道的變形監測。

參考文獻

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2.白素珍.淺談廣州地鐵二號線鷺中區間隧道施工監測.西部探礦工程.2004 年第3 期

3.梁禹.廣州地鐵一號線隧道結構變形監測及成果分析.施工技術.2002年6月第31卷第6 期.4.曹宇寧.廣州地鐵二號線琶洲站基坑工程的監測及信息化施工.廣東水利水電.2001年12月第6期.5.北京城建勘測設計研究院.地下鐵道、輕軌交通工程測量規范.北京: 中國計劃出版社.1999

隧道收斂變形監測篇三

地鐵隧道變形監測信息管理系統的開發

摘要：地鐵隧道結構變形監測的特殊性、周期性和長期性,使其信息量非常龐大。信息管理是地鐵隧道結構變形監測中一項重要的工作,現有的管理方式效率很低。為了高效、準確地管理監測信息,及時分析預報地鐵隧道結構的穩定狀況,本文結合南京地鐵運營期隧道結構變形監測實例,開發了一套具有變形監測資料存儲、預處理、管理分析、可視化分析、預測預報及限值預警等功能的信息管理系統,保證了準確及時快速的數據處理和信息反饋,具有良好的運用和推廣前景。

關鍵詞 地鐵隧道 變形監測 信息管理系統 引 言

隨著經濟的發展,越來越多的城市開始興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質復雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心,其安全問題不容忽視。無論在施工期還是在運營期都要對其結構進行變形監測,以確保主體結構和周邊環境安全。

地鐵隧道是一狹長的線狀地下建構筑物,監測點數量比較大,其周期性和長期性,使數據量非常龐大。面對這些繁雜而又龐大的數據能否管理利用好,關系到監測隧道結構變形和預測預報結構變形工作能否實現和實現的質量。為此,如何有效地管理原始信息,并進行相應的處理顯得尤為重要。目前多數監測信息的管理和應用存在不直觀、不及時、自動化程度較低等缺點,根據地鐵隧道結構自身特點研制一套高效率的、使用方便的監測信息管理系統是必要的,它與變形監測一樣具有重要的實用意義和科學意義。系統設計思想

以地鐵隧道結構變形監測信息為管理對象,根據地鐵隧道結構變形監測的實際情況,綜合運用監測數據處理分析技術、數據庫技術和信息管理技術,實現對地鐵隧道結構變形信息的存儲、預處理、管理分析、可視化分析監測信息、預測預報及限值預警,為結構分析提供數據資源,以及時反饋地鐵隧道結構安全狀況,使安全監測管理人員更為方便和高效的管理監測信息,為確保地鐵隧道結構的安全運行提供有效的決策支持。地鐵隧道結構變形監測數據管理系統主要應滿足如下要求: 1.1 提高地鐵隧道結構變形監測數據處理分析與

管理的科學化和自動化水平,滿足輔助決策需求 1.2 構建地鐵隧道結構變形監測信息管理基礎平臺

1.3 為后期自動化監測的開展及安全監測專家系統的建立提供基礎。3 系統功能

地鐵隧道結構變形監測信息管理系統包括文檔管理、數據預處理、數據庫管理、監測數據分析、信息預警預報和系統管理六大模塊,內容不僅涵蓋了相關技術規范的所有要求,而且具有地鐵隧道自身的特點,全面、標準、專業,有良好的應用前景。

3.1 文檔管理模塊 3.1.1 變形監測資料 地鐵隧道結構變形監測根據地鐵隧道結構設計、國家相關規范和類似工程的變形監測以及當前地鐵所處階段來確定,主要內容包括[3]:垂直位移監測(區間隧道沉降監測和隧道與地下車站沉降差異監測);水平位移監測(區間隧道水平位移監測和隧道相對地下車站水平位移監測);隧道斷面收斂變形監測等。

對于不同的地鐵隧道結構變形監測項目內容,所用監測方法和儀器也不相同。通常,對于隧道垂直位移和水平位移監測,可通過大地測量或者自動化測量的方法利用精密水準儀、精密全站儀或智能全站儀進行;而對于隧道斷面收斂變形監測,則要通過物理量測的方法利用收斂儀(計)進行。

變形監測資料包括歷次變形監測的原始數據,監測報告及鑒定報告等。3.1.2 工程概況資料

工程概況資料主要有工程概況、工程特性參數、重要技術資料和安全監測系統檔案等。

(1)工程概況:包括地鐵地理位置,車站布置,沿線主要建筑物概況,工程地質與水文地質條件,結構特性、施工情況等。(2)重要技術資料:主要結構設計文件、圖紙,運行設計報告,竣工驗收報告,隧道加固改建或觀測更新改造專題報告,重要工程圖形和圖像。(3)變形監測系統檔案:主要包括監測儀器運行、維護和歷次檢查、鑒定記錄及報告。

(4)其他資料:主要包括水文、氣象和地震資料等。3.1.3 巡檢資料

包括對隧道結構的各個部位和斷面的滲漏、變形和裂縫等的日常巡查記錄表,隧道安全情況和隧道重大事故報告等。3.2 數據預處理模塊

通過不同的方式導入原始監測資料,并對其進行粗差檢驗,若有粗差則提示警告,以便查找原因返工重測,然后再進行初步處理分析。對基準點和工作基點的穩定性進行檢驗,不同的穩定性檢驗結果決定平差方法的選取。最后對所得監測結果進行整理,存儲至相關數據庫。3.2.1 數據導入

目前嵌入式操作系統發展特別迅速,根據監測手段和方式不同,用戶可以通過系統的接口程序實現系統和觀測電子手簿直接相連,自動導入或手工導入。3.2.2 粗差檢驗

依據相關規范規程應用相應檢驗粗差的方法對其進行檢驗,若有粗差則給出提示警告和可能原因,以便查找原因返工重測;若沒有粗差則提示檢驗通過,可進行下一步處理計算。3.2.3 穩定性檢驗

通過對監測資料的計算分析,應用統計方法(f檢驗和t檢驗)對基準點和工作基點的穩定性狀況進行分析,為平差計算采用何種平差方法提供依據。3.2.4平差計算

根據基準點及工作基點穩定性檢驗結果,對變形監測網相應的選用經典平差、擬穩平差或自由網平差;如果監測資料(如隧道收斂變形監測資料等)無需平差計算的則直接進行相關成果計算。

3.2.5 資料整理入庫

根據前述各部分處理計算所得結果,對所得監測成果以及檢驗結果進行整理和存儲入庫。此外,可根據需要對相關監測屬性信息進行相關編輯、修改,然后再整理入庫。3.3 數據庫管理模塊

對數據庫相關數據進行查詢、添加錄入、修改和刪除,同時可根據需要進行數據報表生成輸出。3.3.1 數據查詢

根據不同監測項目特點,采用不同的查詢方式對測點的屬性信息和監測成果進行條件查詢和遍歷查詢,并可根據需要將查詢結果以不同的方式輸出。3.3.2 數據錄入添加

根據實際需要對測點屬性數據和監測單位所提供的直接成果數據進行錄入添加,同時可對屬性數據信息進行編輯、修改添加。3.3.3 數據修改

考慮到操作的規范性,系統只允許對監測點屬性進行修改。通過查詢所要修改的監測點,對其屬性信息進行修改,同時可以動態顯示數據庫中的監測點屬性信息,方便用戶及時看到修改結果。3.3.4 數據刪除

與數據修改功能相似,通過對數據信息查詢后再進行刪除,刪除前須經確認,然后才能操作,確保準確無誤。

3.3.5 報表生成

可根據用戶需要,查詢相關監測信息,然后以相關的報表形式輸出監測信息。3.4 監測數據分析模塊

通過應用不同的數據分析方法和方式對各種監測數據進行處理分析,分析過程和方式采用表格和曲線圖形方式進行。

3.4.1 監測點穩定性分析

應用相關穩定性分析方法及指標,結合監測現場實際,對不同類型監測點穩定性進行分析評判。3.4.2 可視化分析

針對監測信息反饋分析的需要,提供可視化的變形監測圖形報表,輔助測點穩定性分析評判,以便使用者更直觀具體地了解隧道結構整體變形趨勢。

以南京地鐵西延線垂直位移監測為例,除提供每期沉降量曲線圖、沉降速率曲線圖、撓度曲線圖、相對撓度曲線圖外,還可提供任意兩期累積沉降量、累積沉降速率、撓度及相對撓度的對比曲線圖。3.5 信息預警預報模塊

僅僅將監測的信息錄入系統中是不夠的,還要根據穩定性分析以及前n期的監測成果模擬監測點的變形曲線,并結合相關資料預報今后的變化趨勢。由于影響變形體的因素錯綜復雜,考慮到系統的通用性,模塊提供了回歸分析、灰色系統、kalman濾波等傳統的模型供選擇。

根據系統給出的限值進行預警,提供相關區間段的工程圖紙及地質、水文氣象資料,便于隧道結構變形情況的進一步分析。3.6 系統管理模塊

為保證系統的安全,系統運行和數據操作過程中都不能出現任何差錯,必須對系統進行有效的管理,這主要是指對系統用戶的管理及日常使用日志的管理。3.6.1 系統用戶管理

為保證監測信息的完整性、正確性和安全性,必須對系統的用戶進行有效的管理。用戶登錄系統的過程必須在系統日志中進行登記,包括用戶名、登錄時間、對系統的操作過程以及在系統中滯留的時間等。系統管理員定期將系統的用戶使用情況向主管領導匯報。在征得主管領導的同意后,系統管理員可以根據實際情況添加用戶或提升、降低某些用戶的用戶使用級別,必要時可以禁止某些用戶的使用權力。系統用戶管理包括系統用戶登錄管理和用戶權限管理兩個部分。3.6.2 系統日志及安全管理

本系統為系統管理員提供系統日志的檢查和備份功能,使系統管理員通過對系統日志的查看了解系統的使用情況以及存在的不足和問題,及時地處理系統存在的隱患,保證系統的高效運行。3.6.3 數據庫備份與恢復

為了保證管理系統或計算機系統經災難性毀壞后,能正?；謴瓦\行,必須進行數據庫的備份與恢復。系統采用自動備份與人工備份結合的方式,確保系統的安全穩定運行。4 結 語

地鐵隧道結構變形監測信息管理系統采用c/s結構設計,各功能模塊間具有相對地獨立性,便于進行功能擴充,為后期自動化監測的開展及安全監測專家系統的建立提供支持和鋪墊[4,5]。該系統已在南京地鐵中應用,不僅準確及時快速的數據處理和信息反饋,提高了地鐵運營的管理水平,而且為地鐵的安全運營提供了保證,具有顯著的社會經濟效益和良好的應用前景。

參考文獻

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隧道收斂變形監測篇四

摘 要:探討開發地鐵隧道結構變形監測系統的必要性與緊迫性。以visualbasic編程語言和access數據庫為工具,應用先進的數據庫管理技術設計開發地鐵隧道結構變形監測數據管理系統。系統程序采用模塊化結構,具有直接與外業觀測電子手簿連接下傳原始觀測資料、預處理和數據庫管理等功能,實現了測量內外業的一體化。系統結構合理、易于維護、利于后繼開發,提高監測數據處理的效率、可靠性以及監測數據反饋的及時性,值得類似工程的借鑒。

關鍵詞:地鐵隧道;變形監測;管理系統

隨著經濟的發展,越來越多的城市開始興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質復雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心,其安全問題不容忽視。無論在施工期還是在運營期都要對其結構進行變形監測,以確保主體結構和周邊環境安全。地鐵隧道結構變形監測內容需根據地鐵隧道結構設計、國家相關規范和類似工程的變形監測以及當前地鐵所處階段來確定,由規范[1]與文獻[2]知,運營期的地鐵隧道結構變形監測內容主要包括區間隧道沉降、隧道與地下車站沉降差異、區間隧道水平位移、隧道相對于地下車站水平位移和斷面收斂變形等監測。它是一項長期性的工作,其特點是監測項目多、線路長、測點多、測期頻和數據量大,給監測數據處理、分析和資料管理帶來了繁瑣的工作,該項工作目前仍以手工為主,效率較低,不能及時快速地反饋監測信息。

因此,有必要開發一套高效、使用方便的變形監測數據管理系統,實現對監測數據的科學管理及快速分析處理。現階段國內出現了較多的用于地鐵施工期的監測信息管理系統[3-4],這些系統雖然功能比較齊全、運行效率較高,能夠很好地滿足地鐵施工期監測需要,但它主要應用于信息化施工,與運營期地鐵隧道結構變形監測無論是在內容還是在目的上都有著很大的區別和局限性。而現在國外研究的多為自動化監測系統[5-6],也不適用于目前國內自動化程度較低的地鐵隧道監測。

此外,能夠用于運營期并符合當前國內地鐵隧道結構監測實際的監測數據管理系統還較為少見。因此,隨著國內建成地鐵的逐漸增多,開發用于運營期地鐵的變形監測數據管理系統變得越來越迫切。為此,根據運營期地鐵隧道結構變形監測內容[1-2]和特點,以isualbasic作為開發工具[7],應用先進的數據庫管理技術[8],以目前較為流行的access數據庫作為系統數據庫,設計和開發了用于運營期地鐵隧道變形監測數據管理系統,不僅提高了監測數據處理的效率和可靠性,保證了監測數據反饋的及時性,而且在某城市地鐵隧道變形監測中投入應用,取得較好的效果。

1系統的結構

1．1系統數據庫結構

變形監測數據庫用于存儲監測點屬性、監測成果等數據信息,是數據管理系統的基礎。因此,合理的數據庫結構不僅是數據庫設計的關鍵,還有利于系統對數據的管理和高效處理分析。考慮到變形監測成果的特點,系統數據庫結構設計應不僅能滿足用戶的需要,而且能使系統需求的資源最少,同時還要使數據庫中數據冗余度盡量小,以達到結構合理、易于維護等目的[8]。為此,根據變形監測內容,系統數據庫設計由如下數據表構成。

1)測段名表:包括測段編號和測段名稱兩個字段。為便于變形監測分析,在監測中將相鄰兩個車站之間的隧道劃分為一測段,并按車站和車站之間的隧道進行編號,測段名稱則根據各個車站或者車站之間隧道的名稱而定,監測點的測段屬性值直接根據其所在測段來取對應的編號值,方便查詢。

2)監測點屬性表:包括監測點名、測段、車道、具體位置、里程、材料、布設時間、布設單位、當前狀況、用情況、備注等。其中車道為監測點所在的左、右道或上、下行線;具體位置指測點所處具體的空間位置,如地面、地下、高架等;當前狀況是指目前監測點的完好情況,也就是可用否;使用情況是指監測時是否使用。

3)沉降監測成果表:包括編號、監測點名、高程、測期、監測時間、備注等。為了遵守數據庫鍵的唯一性原則和方便查詢,各個測點的每期編號由測期號與監測點名組成,因而表中將不會出現相同記錄,保證了鍵的唯一性[8]。

4)沉降差異點屬性表:除了測段為各個車站編號,其余與監測點屬性相同。

5)沉降差異監測成果表:與沉降監測成果表相同。

6)水平位移監測成果表:包括編號、監測點名、x坐標、y坐標、測期、監測時間、備注等,測點的編號設置與沉降監測成果表相同。

7)水平位移差異監測成果表:與水平位移監測成果表相同。

8)斷面收斂變形監測成果表:包括編號、監測點名、直徑

1、直徑

2、測期、監測時間、備注等,測點的編號設置與沉降監測成果表相同。

在以上各表中,第一個字段為主關鍵字,各字段值的類型與字節寬度均按照實際所需的最佳值確定,考慮到測段名的繁瑣和數據庫管理操作的方便迅捷,在數據庫管理時將測段名表與其他各表進行關聯[8]。

1．2 系統的總體結構

根據地鐵隧道變形監測的內容與特點,系統由系統設置、預處理、數據庫管理、在線幫助和退出5個模塊組成,總體結構如圖1所示。

2系統的功能及特點

2．1系統的功能

2．1．1系統設置功能

1)參數設置:設置系統所使用數據庫的地址,實現對地鐵的不同隧道段監測數據庫分別進行管理,同時還可設置顯示計算成果的小數位數等參數。

2)用戶設置:可以添加用戶和更改用戶登錄密碼,防止非系統用戶進入破壞數據,保證監測數據的安全和系統的正常運行。

2．1．2預處理功能

1)觀測資料整理:用戶可以通過系統的接口程序實現系統和外業觀測電子手簿直接相連,下傳原始觀測資料,并對其計算處理,得到觀測成果數據。

2)粗差檢驗:對觀測成果數據進行檢驗,剔除不合格數據,保證監測數據的正確可靠,同時將檢驗后的成果數據錄入到數據庫中。

3)基準點穩定性檢驗:檢驗監測基準點的穩定性,確保監測數據的可靠性。

2．1．3數據庫管理功能

1)數據查詢:包括屬性數據查詢和監測成果數據查詢。查詢屬性數據時,可以先對屬性數據類別和屬性值條件進行選擇,同時系統動態搜索出滿足條件的測點,然后可根據用戶實際需要結合監測成果條件(前后測期、兩期沉降量、兩期沉降速率等)查詢出滿足要求的測點屬性信息,實現對不同類監測點在不同監測成果條件下的屬性值進行查詢。查詢監測成果時,可首先對測點的測段、車道、具體位置等測點主要屬性值進行選擇,然后再對監測成果的測期、兩期變化量、累積變化量和變化速率等條件進行設置,查詢出滿足用戶要求的測點成果。在查詢出滿足要求的數據后,可導入到excel中進行編輯打印。

2)數據錄入和添加:包括監測點屬性數據錄入添加和監測成果數據錄入添加兩個功能,用于向數據庫錄入添加監測點屬性信息和監測成果數據。設置有手工錄入添加和自動導入兩種方式,前者直接在程序界面上的相應空格中填入數據值,實現逐點錄入;而后者則將文本數據格式或者excel格式的數據自動導入數據庫,實現多點自動導入。添加數據時動態顯示已添加的數據和添加后數據庫中的所有數據信息,添加完成后可以將已添加的數據導入到excel中進行編輯、打印。在錄入添加之前可將所要錄入添加的數據按照預定的格式存儲在excel或記事本中,隨后便可將數據導入到數據庫中。

3)數據修改:考慮到操作的規范性,系統只允許對監測點屬性進行修改。通過查詢所要修改的監測點,對其屬性信息進行修改,同時可以動態顯示數據庫中的監測點屬性信息,方便用戶及時看到修改結果。

4)數據刪除:與數據修改功能相似,通過對數據信息查詢后再進行刪除,刪除前須經確認,然后才能操作,確保準確無誤。

5)數據導出:由于在前述操作中已包括本功能,因此系統中無需再單獨設此功能模塊,避免重復。

2．1．4在線幫助功能

包括幫助目錄與幫助主題搜索兩個功能,用于系統運行過程中的在線幫助,以文本和圖像的形式對系統進行操作說明,并對常見問題作詳細解答。

2．1．5退出功能

退出系統。

2．2系統的特點

1)系統充分利用了先進計算機技術的優勢,克服了傳統的監測數據管理存在的數據查詢繁瑣、處理分析低效等缺陷。

2)系統操作通過窗口和菜單進行,具有界面友好、操作幫助完善等優點。

3)系統可通過接口程序與外業觀測電子手簿相連,下傳原始觀測資料,并進行計算處理,實現測量內外業一體化。

4)經系統處理的數據成果可直接導入到ex-cel中,充分利用了excel報表制作的優點,滿足了用戶對報表格式多樣性的要求。

5)監測數據通過系統存入數據庫進行管理,使復雜、繁瑣的監測數據管理工作變得簡單易行,如數據的查詢、添加、刪除、導入excel等可通過鼠標單擊直接實現,提高了工作效率。系統的實現與應用

系統采用windows2000/me/xp作為操作平臺,以桌面式關系型數據庫access和面向對象的程序設計語言visualbasic6。0作為開發工具,通過數據庫引擎(ado)[7]與數據庫有機的聯系在一起。系統開發采用面向對象的方法,它是根據應用問題所涉及的對象,建立于現實世界的一種軟件開發思想[7]。利用該方法的關鍵是對前端概念的理解,只有當應用領域固有的概念被識別和理解了,才能較好的設計系統的數據結構以及實現其功能。

visualbasic是一個面向對象的圖形界面應用程序開發環境,利用它可開發面向對象的基于win-dows的應用程序[7]。由于visualbasic充分利用了windows的窗口資源,因而開發應用程序的用戶界面美觀、簡潔。本系統中所使用的菜單、按鈕和結果顯示等功能方式均以模塊化開發實現,有利于系統的后續開發升級。

系統應用過程:首先,按照系統數據庫中數據表的字段格式對車站、區間段和監測點進行統一編號、命名和歸類,并根據實際情況確定測點屬性值,將整理后的測段信息與測點屬性數據錄入數據庫;然后,通過系統的接口程序從外業觀測電子手簿下傳各期原始觀測資料,對其進行預處理后將滿足要求的成果數據錄入數據庫;最后,對監測數據進行管理和處理計算,分析地鐵隧道結構變形情況。該系統在某城市地鐵監測中得到了很好的應用,發揮了較大的作用,實際應用表明:

1)監測數據管理的效率得到了明顯的提高。應用系統后,數據處理分析所花時間從原先手工進行所需的7d至8d縮短為1d至2d。

2)系統計算準確、成果可靠。

3)系統功能完善,操作簡單,界面友好、美觀。結 論

地鐵隧道結構變形監測數據管理系統是結合地鐵隧道結構變形監測實際情況進行設計和開發的具有較高的實用價值。

1)系統應用了先進的ado數據庫開發技術實現了數據庫與系統的有機結合,使access數據庫與visualbasic語言的優勢得到了最大的發揮,值得類似系統借鑒。

2)通過實踐應用表明該系統功能完善、方便實用、計算準確、數據成果可靠,能夠較好地滿足實際應用需求,大大減少了數據管理工作量,提高了效率。

3)系統中測量內外業一體化的實現為地鐵隧道自動化變形監測系統的開發積累了一定的經驗。

4)系統開發運行的成功為今后地鐵隧道結構變形監測數據處理與分析系統以及地鐵安全監測專家系統的研究開發奠定了基礎。

參考文獻

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隧道收斂變形監測篇五

上海地鐵盾構隧道縱向變形分析

【摘 要】隧道若發生縱向變形將嚴重影響到隧道結構的安全。分析探討了縱向變形的發生、變化情況以及隧道結構和防水體系所允許的縱向變形控制值。結合工程實踐,對隧道發生的典型沉降曲線規律進行了深入的分析,其結論對有效控制隧道縱向變形具有指導意義。【關鍵詞】隧道;通縫拼裝;縱向變形;環縫;錯臺;防水;失效

至2020年,上海將建成軌道交通運營線路達到20條、線路長度超過870 km以及540余座車站的網絡規模。這其中,以盾構隧道結構為主的地下線路幾乎占到一半?？刂扑淼揽v向變形是確保隧道結構安全的重要因素之一。在研究隧道縱向變形時,我們首先要關注這種變形是以何種方式發生、又是如何發展變化以及隧道變形控制值是多少等問題,本文對這些問題進行了分析探討。

1、盾構隧道結構和構造設計

盾構法隧道是由預制管片通過壓緊裝配連接而成的。與采用其它施工方法建成的隧道相比,盾構隧道明顯的特點就是存在大量的接縫。1 km長的單圓地鐵盾構隧道需要五~六千塊管片拼裝而成,接縫總長度約是隧道長度的20余倍。因此,盾構隧道的多縫特點已成為隧道發生滲漏水最直接或潛在的因素之一(見圖1)。在盾構拼裝結構中,接縫有通縫和錯縫之分,現以單圓通縫盾構隧道為例進行隧道縱向變形分析。1.1 盾構隧道結構與構造設計 1.1.1 管片厚度、分塊及寬度

單圓通縫隧道管片厚度350mm,管片為c55高強混凝土,抗滲等級為1 mpa。一環隧道由6塊管片拼裝而成(一塊封頂塊f、兩塊鄰接塊l、兩塊標準塊b和一塊拱底塊d),圓心角分別對應16°、4×65°和84°(見圖2a)。封頂塊拼裝方便,在拱底塊上布置了兩條對稱的三角形縱肋。整個道床位于拱底塊內,底部沒有縱縫,對底部環縫滲漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低處理底部滲漏水的難度。

1.1.2 縱縫和環縫構造

在管片環面中部設有較大的凸榫以承受施工過程中千斤頂的頂力,可有效防止環面壓損,既利于裝配施工,又易于整個環面凹凸榫槽的平整密貼,提高管片外周平整度;并可提高環間的抗剪能力,控制環與環之間的剪動,同時也可減少對盾尾密封裝置的磨損?？拷饣∶嫣幵O彈性密封墊槽,內弧面處設嵌縫槽。環與環之間以17根m30的縱向螺栓相連,在管片端肋縱縫內設較小的凹凸榫槽,環向管片塊與塊之間以2根m30的環向螺栓壓密相連,能有效減少縱縫張開及結構變形,環、縱向螺栓均采用熱浸鋅或其它防腐蝕處理。

這種構造設計使得隧道在拼裝完成后形成具有一定剛度的柔性結構,環向面之間以及縱向面之間可以達到平整密貼裝配,既能適應一定的縱向變形能力,又能將隧道縱向變形控制在滿足列車運行及防水要求的范圍內;同時,滿足結構受力、防水及耐久性要求。

錯縫拼裝與通縫拼裝略有不同,其拼裝方式是隔環相同,拱底塊不設三角肋,在道床底部有一條縱縫, 6塊管片所對應圓心角分別為20°、2×68.75°、3×67.5°(見圖2b)。不論是通縫還是錯縫拼裝,隧道總體上呈“環剛縱柔”的特點。

1.2 裝配隧道對縱向變形的適應性分析

錯臺是指兩環隧道之間發生的徑向相對位移,隧道縱向變形的適應性是指在保障隧道結構安全前提下各組成構件所允許的最大環間錯臺量。從以下幾方面分析各自對環間錯臺量的適應情況。1.2.1 環面構造對錯臺量的適應性

如圖3a示,在管片環面中部設了較大的凹凸榫槽。因環面裝配部位的凹槽比凸榫稍大,存在約8mm的極限裝配余量,可允許凸榫在凹槽內沿著徑向作微量移動或滑動。這種環面間的相對移動表現在隧道壁上就是錯臺現象(見圖3)。無論環面凹凸榫槽的初始裝配關系如何,當環間錯臺達到4~8mm時,凸榫的頂部邊緣將與凹槽的底部邊緣相接觸,若繼續發生錯臺,凹凸榫槽將發生剪切。應當說環面上設置的凹凸榫槽對提高環間的抗剪切能力是有益的。從環面構造可知,當環間錯臺量超過4~8mm時,環面縫隙將按線性張開。所以, 4~8 mm錯臺量應是環面裝配和錯臺的控制值。1.2.2 密封墊對錯臺量的適應性

在環面上靠近外壁約30 mm處設有密封墊(現多為三元乙丙橡膠材料),按照設計構想,理想裝配條件下密封墊徑向寬度的重疊達23 mm,并可抵御環面間張開4~6 mm而不會發生滲漏水。通過對密封墊試驗和數值計算分析發現,當環面之間發生錯臺時,密封墊表現出復雜的形狀,不同部位呈拉壓剪等十分復雜的受力狀態。從理論上講,當環間錯臺量為4~8 mm(甚至更大一些)時兩塊壓緊狀態的密封墊是不會產生滲漏水的。由于環面上的密封墊不是完整的(分別粘貼在12塊不同管片上),裝配后單側整環密封墊長達19.415 m,且存在許多棱角組合,加之防水材料質量及施工技術條件等制約因素,多數滲漏水發生在錯臺量<8 mm(甚至更小)的情況下(見圖4)。

1.2.3 螺栓孔和螺栓對錯臺量的適應性

為便于管片拼裝緊固,一般螺栓孔設計的要比螺栓稍大,螺栓孔徑為35mm,螺栓直徑為30 mm,在管片拼裝或產生錯臺時可允許螺栓適當調整。當環間錯臺量較小時,螺栓會隨管片發生移動,螺栓拉伸量相當有限。不論螺栓與螺栓孔的初始裝配關系如何,在錯臺量達到6~12 mm后,螺栓孔與螺栓的對應位置關系都趨于極限,螺栓將發生拉彎,同時對手孔部位的混凝土產生壓剪作用。因手孔部位增強了配筋,螺栓會在手孔部位的混凝土壓壞之前先于拉壞。

通過以上分析可知,隧道環面構造、防水體系及螺栓等在隧道發生變形過程中所起的作用不盡相同,對錯臺量的適應性也并不完全一樣。但將它們裝配成一條完整的隧道后就必須要求管片間的變形要協調,即只有當錯臺量同時滿足結構抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求時,隧道安全才有保障。受管片制作、拼裝施工、密封墊質量等因素的影響,通常在隧道投入運營之初,環縫、十字縫或管片接縫處就已發生了滲漏水,隧道在施工過程中已經用掉了大部分結構變形和防水預留量,而留給運營期間允許發生的變形余量非常少。因此,綜合多方面因素,將環面間的錯臺量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。

2、隧道縱向變形分析

在隧道防水設計中,一般取縱縫和環縫張開量來確定密封墊的性能,彈性密封墊在隧道張開量達到4~6 mm時還具有防水能力。但隧道縱向變形究竟是以隧道頂底部剛性張開方式還是以環面錯臺方式進行的?或是兩者兼之?下面分別對兩種情形進行討論分析。

2.1 假定隧道縱向變形是以剛體轉動的方式進行的

將單環隧道假定為一個理想的剛體,允許環與環之間發生小角度θ的剛體轉動,隧道頂(底)部張開量δ,形成隧道縱向沉降變形(見圖5)。當隧道發生沉降時,隧道頂部壓緊,底部張開(或閉合)量δ;反之,隧道頂部張開δ,底部壓緊。根據剛體轉動幾何條件,隧道環寬w、直徑d、環間張開(或閉合)量δ及隧道縱向沉降曲線半徑r之間有如下幾何關系:

當取環寬為1.0 m、隧道外徑為6.2 m,隧道縱向沉降(或隆起)與環縫張開關系見表1。若依此計算,當環縫張開量為6 mm時,隧道防水已經失效。但在隧道實際變形中,如此小沉降半徑(甚至更小)是存在的,但防水體系并沒有發生失效現象。這說明將隧道縱向變形視作整環隧道剛體轉動的假定與隧道實際發生的縱向變形有著較大出入。在已建隧道中,隧道長度與直徑之比l/d>150,隧道縱向端點與車站錨固聯結,車站剛度較大,而且隧道與周圍土層之間存在一定的抗剪力,對隧道沿縱向移動有較大約束,加之管片之間螺栓緊固作用等,對隧道整環發生剛體轉動或沿縱向產生較大的水平位移(縫隙)起到極大約束作用。一般情況下,沿隧道縱向難以產生較大的環間縫隙或剛體轉動。

2.2 假定隧道縱向變形是以環間錯臺方式進行的

從上述分析得知,隧道環與環之間可以發生小量級的錯臺而不破壞隧道的安全性,假定隧道縱向變形曲線視作是由環與環之間發生不同錯臺而形成的,現分析沉降曲線為等圓的錯臺情況。將最下部的一環定為第1環,稱之為基準點,第1環隧道底部與沉降曲線最低點之間沉降差定義為初始錯臺變形δ1,第2環與第1環之間的錯臺變形量δ2,第i環隧道與i-1環之間的錯臺變形量δi。根據圖6a示,第一環的初始錯臺量為δ1,則有:

根據表2和圖6分析可知:①沉降曲線半徑越大,沉降影響范圍越大,環間錯臺發展速度越緩慢;反之,沉降曲線半徑越小,沉降影響范圍越小,環間錯臺發展就越快(即錯臺很快就超出安全控制值)。②沉降曲線半徑越大,沉降范圍內的累積沉降量越大。由式(3)可以看出,即使環間的錯臺量是一個較小的數據,但在一個較大范圍的隧道累計變形量來說仍然很可觀。③即使在等半徑沉降曲線上,不同距離的環間錯臺量是不同的。由式(2)可知,距離基準點越遠,環與環之間的錯臺變形量就越大。

隧道安全取決于隧道結構和防水體系的安全,通過對隧道的長期現場監護監測發現,隧道結構沉降變形和防水之間又是相互影響和相互促進的,隧道滲漏水會引起隧道變形加大,隧道變形加大又會加劇隧道滲漏水,形成惡性循環。

在隧道發生滲漏水的許多部位,沉降曲線半徑超過15 000m,滿足隧道縱縫張開的設計要求;在發生較大沉降變形區段,沉降曲線半徑遠小于15 000m,隧道沒有發生滲漏水,也未發現隧道頂底部的轉動張開;在幾處發生過險情的隧道區間,隧道沉降半徑遠小于500 m,發生漏水的整環隧道多位于沉降曲線的直線段,個別環間錯臺量達數厘米,在隧道內壁上表現為明顯錯臺形式。理論分析和隧道發生滲漏水的實際情況都證明了隧道縱向變形方式是以環間錯臺方式進行的,將隧道縱向沉降曲線視作是由一系列環間錯臺構成的這一假定是合理的。

2.3 隧道縱向變形過程分析 在隧道發生沉降(隆起)后,隧道總長度增加,沉降變化越多,變化量越大,隧道總長度增加量就越大。當錯臺量較小時,隧道縱向增加量較小,可用下式來表達:

當錯臺量超過4~8 mm時,隧道縱向長度計算還應考慮縱向環面縫隙的增加量w0。下面根據不同程度的錯臺量對隧道結構安全和防水影響進行分析:(1)當環間錯臺量為1~4 mm時,這個量級的錯臺可以通過隧道環面構造設計本身加以調整,但會對密封墊產生一定的拉壓作用。從幾何意義上講,變形前密封墊徑向重疊厚度至少可達約23 mm,發生錯臺后密封墊仍可保持約19 mm的重疊厚度。根據式(4)計算,若錯臺為1 mm,單環隧道增加長度0.005 mm;若環間錯臺4 mm,單環隧道增加長度0.008 mm。這個量級的小錯臺量引起隧道縱向長度的增加非常小,環間縫隙寬度不增加。

隨著環間錯臺量的增大,密封墊不同部位表現為十分復雜的拉壓剪等受力狀態,密封墊一般不會發生滲漏水現象,但環面間的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道發生滲漏水的概率大為增加。縱向連接螺栓或將進一步發揮抗拉作用,對手孔部位的混凝土施加低水平的壓剪作用。

(2)當環間錯臺量達4~8 mm時,即在前一階段變形基礎上繼續發生錯臺4 mm(見圖3b)。不論環面凹凸榫槽最初裝配位置如何,此刻凹凸榫槽處在極端配合狀態,凸榫頂邊緣與凹槽底邊緣相接觸,凹凸榫槽直接發生剪切,螺栓也處在進一步拉緊狀態,密封墊的變形和受力狀態也隨錯臺量的加大而加劇,但密封墊徑向重疊厚度仍可達15 mm。根據式(4)計算,若錯臺達到4~8 mm,單環隧道長度增加將達0.032 mm。這個級別的錯臺引起隧道總長度的增加量依然很小,環間縫隙寬度不增加,但密封墊之間、密封墊與管片之間都可能會直接發生滲漏水現象,環間防水能力被極大削弱,隧道發生滲漏水的幾率成倍增加,必須引起警惕,采取措施控制錯臺的進一步發展。

(3)當環間錯臺量達8~13 mm時(見圖3c),環面凹凸榫槽已發生直接剪切,凹凸榫槽局部會出現裂縫,而導致防水失效,這個錯臺量會引起環面凹凸榫槽出現“艱難爬坡”現象,環間縫隙呈線性擴大,螺栓被拉流。盡管密封墊徑向重疊厚度仍有10~15 mm,但因管片局部發生破壞、環面間縫隙超過防水標準而失去防水作用。根據式(4)計算,若環間錯臺量達到13mm,隧道長度增加迅速,單環隧道增加量也達13.083mm,環縫張開量將迅速增加超過6 mm,環間防水體系基本失效,將會有大量水土流入隧道,環縫漏水嚴重。圖7是整環隧道發生豎向錯臺示意圖,當環間發生豎向錯臺時,依附于管片上的密封墊將隨同管片一起發生錯臺。在隧道頂底部位錯臺最為顯著,其它部位并不明顯,但此時環面上凹凸榫槽還處在咬合狀態,錯臺將呈直線方式發展。隧道處于此種狀態十分危險,若變形繼續發展,后果不堪設想。

(4)當環間錯臺量為13~23 mm時(見圖3d),環面間持續剪切導致凹凸榫槽結構進一步破壞,防水體系完全失效,凹凸榫槽還處在咬合狀態,錯臺將呈線性發展直至結構失穩,尤其當隧道下臥土層是砂性土層的狀況時風險性更大。

分析表明:①若錯臺量在幾毫米以內,隧道總長度增加量很少,環間縫隙寬度并不增加,隧道結構安全尚處在可控狀態,但會大大削弱密封墊的防水效果;②若錯臺量超過環面凹凸榫槽配合極限之后,環間縫隙按線性發展,管片會發生破損、防水失效等現象,給隧道安全帶來災難性威脅。因此,徑向錯臺的增加不僅會引起隧道環面發生剪切,還將導致隧道縱向水平位移(環面縫隙)的增加。

以上僅是對隧道豎向發生徑向錯臺進行分析,實際上隧道發生縱向變形遠比此復雜。隧道在裝配完成受力后其環面并不是一個真圓,環面凹凸榫槽的裝配關系隨之發生變化,這些變形會沿著隧道縱向進行傳遞,隧道縱向和橫向變形在一定范圍內相互影響。

3、隧道縱向變形典型曲線及工程實例 3.1 隧道縱向沉降典型曲線

圖8是典型縱向沉降曲線,沉降曲線呈對稱漏斗型。一半曲線是一條反s沉降曲線,曲線的上部向下彎曲,下部向上彎曲,中間呈直線段變化?？蓪⑶€劃分成三段,現逐一分析如下: 第一段為向下彎曲段(沉降加速段)。該段隧道受擾動影響較小,環間錯臺較小,縱向變形量小,環與環之間的錯臺迅速變大,環間縫隙基本上沒有張開,也不發生滲漏水,此階段的縱向變形累計量較小。

第二段為直線變形段(沉降均速段)。該階段隧道受擾動影響較大,該段環與環之間的錯臺量較大,凹凸榫槽相扣處在剪切狀態,錯臺基本上呈直線型發展,沒有明顯彎曲,縱向沉降累積量迅速變大,環間縫隙防水失效,有大量水土涌入隧道。

第三段為向上彎曲段(沉降減速段),也是最后一個階段。該段環與環之間的錯臺變形由大變小,曲線呈向上彎曲狀,此階段的縱向累計沉降量達到最大。

近年來發生的幾起隧道險情大沉降與上述隧道縱向變形曲線非常吻合。3.2 工程實例

(1)圖9是上海軌道交通2號線某停車場出入庫線下行線隧道泵站發生事故后形成的沉降曲線。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道發生了較大錯臺變形,個別環間錯臺量達到數厘米,最大累計沉降量達26 cm,后經及時搶險才得以控制隧道危情。

(2)4號線大連路區間隧道因結構存在固有缺陷導致隧道漏水漏砂,環間發生了較大錯臺沉降,縱向累計和差異沉降變形都很大,環間發生錯臺量達到3~5 mm,累計沉降達9 cm,影響范圍超過100m,后經及時發現搶險并最終得到根治。環間過大的錯臺變形勢必會引起隧道結構開裂,導致隧道受損或破壞,防水體系失效,給隧道結構安全帶來直接威脅,多處隧道發生的縱向大變形驗證了這一變形過程。

4、結語

本文通過對地鐵盾構隧道縱向變形進行分析,得到如下結論:(1)地鐵盾構隧道縱向變形基本上是以徑向錯臺方式進行的。

(2)徑向錯臺的增加不僅會引起隧道環面發生剪切,同時會引起環縫間隙按線性發展,導致隧道結構損壞、防水失效。必須嚴格控制各類因素引起的環間錯臺量。

(3)研究了不同沉降曲線半徑的環間錯臺變化規律,等半徑沉降曲線上不同位置的錯臺量是不同的。結合工程險情研究了典型的隧道沉降曲線。

(4)隧道安全與隧道結構變形和防水密切相關,防水的成敗關系到其長久安全,“見水就堵”是十分重要的。這些分析結論進一步加深了對隧道發生沉降方式和變形控制值的認識,對指導地鐵盾構隧道安全監控具有重要的意義。