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隧道收敛变形监测篇一1、目的
为明确隧道内变形观测的作业内容，规范技术细节及作业程序，总结隧道结构变形规律，为隧道结构维修养护提供依据，指导津滨轻轨隧道变形观测工作进行，从而保证行车安全，特制订本预案。
2、适用范围
2.1适用于津滨轻轨隧道变形观测的相关工作；
2.2线桥室从事变形观测的相关工作人员须依据本方案开展各项变形观测工作。
3、职责分工
隧道变形工作由线桥室主任及安技主管进行监督指导，桥梁维修主管负责变形观测工作的全面管理与协调，桥梁检测工程师协同隧道工程师、桥梁维修工程师负责隧道变形观测的相关技术工作，并由桥隧检测工区负责具体实施。
4、参考依据
《建筑变形测量规程》
《地下铁道、轨道交通工程测量规范》 《地下铁道工程施工及验收规范》
5、变形观测工作内容
5.1隧道沉降观测
监测隧道结构的沉降，主要是监测隧道结构的底板沉降，实质上是对道床的监测，主要包括区间隧道的沉降监测以及隧道与地下车站交接处的沉降差异监测。运营测量采用的坐标系统、高程系统、图式等与原施工测量相同。
5.1.1监测基准网
监测基准网是隧道沉降监测的参考系，由水准基点和工作基点构成，网形布设成附合水准路线或沿上、下行线隧道布设成结点水准路线形式，采用国家二等水准测量的观测标准进行。水准基点采用隧道线路两端远离测区的国家ii等水准点，在沿线车站内和联络通道处布设工作基点，每个车站布设4个工作基点，联络通道处布设2个工作基点，水准基点与车站内、联络通道处工作基点共同构成监测基准网，如图1所示。基准网的高程值由国家水准点引入，每季度校核一次，分析工作基点的稳定性；然后，再通过车站内两侧的工作基点，采用附合水准路线对每段隧道结构进行沉降观测。
图1 监测基准网示意图
5.1.2沉降监测点
津滨轻轨地下结构由明挖段和盾构组成，明挖段沉降监测点按施工浇筑段每段设4个点，分别布设在左右两侧墙上。具体布置见图2。
图2 明挖段沉降监测点布置示意图
为方便以后长期的位移监测工作，隧道内沉降监测点布设在隧道中线的道床上，隧道直线段每隔30m设一个测点，曲线处根据曲线半径大小设置测点间距，半径为400m曲线处每隔12m设一个测点，半径为800m曲线处每隔18m设一个测点，半径为2000m曲线处每隔30m设一个测点。具体布置见图3。
图3 隧道内沉降监测点布置示意图
5.1.3隧道与地下车站交接处得沉降差异监测
在隧道与地下车站交接缝两侧约1m处的道床上布设一对沉降监测点，如图4所示，用精密水准测量方法监测交接缝两侧点之间的高差变化，当高差变化量大于±3mm时应预警，变化量大于±5mm时则应报警。
图4 车站与隧道交接处沉降差异点布设示意图
5.2隧道横向位移变形监测
5.2.1横向位移监测点的布设
隧道横向位移监测点的布设与沉降监测断面距离相同，即位移监测点和沉降监测点设于同一断面上，并利用部分沉降点作为位移监测的坐标基点。基点的坐标值由地上国家坐标点引入，每季度校核一次。盾构区间每个断面布设四处点位，重要点位粘贴反射片，其余点位做好油漆标记；明挖区间每个断面监测2个点位，重复使用沉降观测点作为位移测点使用。点位布置详见图5。
图5 盾构区间位移监测点布设示意图
5.2.2位移监测的开展
由于位移基标点与沉降基标点共有一个，初期需要对各个基标点进行测量，以获取隧道中线初始数据，初始数据与设计隧道中线坐标进行对比。待此项工作完成后，可将全站仪置于需要测量的断面所在的基标点上，任意其他基标作为后视点建立坐标系，依次对隧道断面进行位移监测，每次的监测数据与初始数据进行对比。
5.2.3监测标准
横向位移的监测标准定位警戒值±5mm，控制值±10mm。5.3隧道变形监测周期
运营第一年每季度观测一次，第二年开始每半年至少观测一次，直至沉降量小于1mm/100d止，中远期可减至1次/年。当隧道出现显著变形时，应缩短观测频率。
5.4特殊加密测量
5.4.1保护区内大型施工监测 保护区内出现大型施工时，应对结构进行加密监测。加密措施包括点位密度及监测频率，测量范围应在施工范围内前后各延伸100m。施工范围内的监测区域加密至直线12m一个断面，曲线5~10m一个断面，同时增加隧道拱顶及相应断面的地上监测点，监测频率视施工进度和内容确定。各点位布置详见图6。
图6拱顶下沉和地表沉降观测点布设示意图
5.4.2变形异常地段的监测
在常规测量过程中，出现变形较为明显的地段，应加密测量。加密措施包括增加拱顶及地上点位，同时将监测频率加密至2次/月。
5.5监测数据的分析 5.5.1累积沉降量曲线图
5.5.2沉降量速率曲线图。
隧道收敛变形监测篇二运行中的地铁隧道变形动态监测
摘 要 文章结合广州市“仓边复建综合楼项目”工程施工监测方案，对受紧邻基坑施工扰动影响的运行中地铁隧道变形的动态监测方法进行了分析，采用tca2003全站仪的全自动动态监测系统，可以24 h无人值守、连续监测运行中的地铁隧道变形，且每次监测可在地铁运行间隔内迅速完成。监测到的数据可以实时提供给施工方，以指导当前及下一步的施工，在工程应用中取得了良好的效果。
关键词 地铁隧道 连续运行 基坑开挖 变形动态监测 概述
在我国已有地铁的城市中，地铁沿线（非常靠近地铁隧道）的深基坑越来越多，如何在基坑开挖中保护正在运行中的地铁隧道，是一个十分现实的问题。采用信息化施工及监测方法，可以有效地指导基坑施工过程，施工中采用的时空效应法、逆作法、注浆法和基坑加固方法等均可达到保护邻近隧道、控制变形的目的。而常规的地铁变形监测如连通管法、巴塞特法等，在运行的地铁隧道中进行监测相当困难，主要是因为地铁运行间隔很短，运行期间绝对不允许测量人员进入，为此，须有一种简便的、无人值守、自动的动态监测方法，可在很短的时间间隔内，迅速完成隧道的变形监测，并为邻近基坑的施工提交监测数据。
广州市 “仓边复建综合楼项目”与广州地铁1号线平行，西侧基坑距区间隧道（公园前站～农讲所站）北线最近处约4 m，东侧基坑距北线隧道最近处约8 m，基坑开挖深度约为10.5 m，采用地下连续墙围护，兼做承重结构。基坑开挖将对地铁1号线构成威胁，为保证地铁的安全运行，必须在基坑开挖过程中对运行中的隧道变形进行不间断监测。自动化动态监测系统 2.1 监测要求
由于地铁隧道在一天中的三分之二以上的时间是处于全封闭的运营状态，绝对不允许监测人员进入隧道内工作，所以要求必须在隧道内设置自动化监测系统代替人工操作，实现对隧道水平、垂直位移的连续、精确监测。考虑到地铁运行的间隔很短，所采用的监测系统应能在3～5 min内完成隧道（受影响的区间段）的变形监测，以掌握基坑开挖施工引起地铁1号线隧道变形规律及特性。2.2 监测范围
地铁1号线下行线“农讲所站～公园前站”区间隧道沿基坑的60 m及两端各向外延伸45 m（约150 m）的范围。监测内容为隧道的水平和垂直位移。2.3 自动化动态监测系统的构成
一个完整的自动化动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它由一系列的软件和硬件构成，整个系统配置包括：tca自动化全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件。
2.3.1 tca自动化全站仪
tca自动化全站仪能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，其独有的atr（automatic target recognition，自动目标识别）模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准，不再需要精确瞄准和调焦，大大提高工作效率。
tca2003是leica tca自动化全站仪中的一种（见图1），该仪器测角精度为0.5〞，测距精度为1 mm±1 ppm。可通过专用的控制软件来控制观测目标、设定观测周期。
2.3.2 leica标准精密测距棱镜
棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝固定在隧道内侧（见图2），其数目可按实际需要设定，该标志能被tca2003全站仪自动跟踪锁定，以实施精密测角和测距。
2.3.3 计算机
计算机利用电缆和全站仪连接，并装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据，并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误，杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报告。2.3.4 其它设备
其它设备包括温度计﹑气压计﹑湿度计、连接电缆、外接电源等；温度计﹑气压计﹑湿度计用于测定空气的温度、压力和湿度，将测定结果输入到计算机中，对观测结果进行修正，以提高观测精度。2.3.5 实时控制软件
geomos monitor是专门用于监测的、与tca2003全站仪配套的变形测量软件，其在windows环境下运行，并将数据存储在sql server数据库中，它既可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理，也可快速建立三维坐标、位移量以及其它相关数据库，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。2.3.6 后处理软件
采用自己编制的软件，利用和geomos的软件接口，对测量数据进行后处理，按施工方要求的格式将监测点的位移变化转化为标准图表的形式直观地表达出来，绘制出监测报表和位移曲线，自动实现数据分析、报警以及报表生成的功能，可以根据用户的要求提供报表的形式。3 施工监测 3.1 测点布设
测点分为测站点、基准点以及观测点3类，测点布设在区间隧道k9+920~k10+070约150 m的范围之内。基准点用来检验测站是否产生位移，位于基坑影响区域外的东、西2点；观测点沿隧道每隔约10 m布设1个，如图3所示。
观测点和基准点都采用棱镜作为观测标志（可实现在水平方向上和垂直方向上的旋转），固定在支座上，支座采用膨胀螺丝固定在隧道管片上，安装高度低于2 m（以确保安装时不需要停电作业，并不对行车造成影响）。仪器设置在施工影响区域的中央（隧道的南侧），固定在观测台上（避免对中误差），并在旁边放置稳压电源。
为了更好地掌握地铁运行状况和控制隧道受基坑施工的影响，在不同位置设置典型观测断面（断面具体数目结合基坑开挖深度及影响范围设定）。坐标系设置为自定义坐标系。3.2 观测方法
通过控制软件，在每个观测周期开始前，利用东、西2个基准点，4测回推算出测站点的坐标，然后，四测回对所有的点进行自动观测，得到观测点的坐标。基坑开挖深度较浅时，可以减少观测频率。随着基坑开挖深度的不断增加，24 h实时观测，并加大重点部位的观测频率。3.3 测量数据
表1为不同测点的监测报表，图4是d12点的累计位移—时间的曲线图。
3.4 测量误差分析 3.4.1 误差来源
测量的误差来源于仪器的系统误差、测站和目标的对中误差、外界环境的影响、测量仪器的影响。
⑴ 仪器的系统误差主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校，仪器即使在检校后还有残余的系统误差。但由于监测需要得到的是2次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除。
⑵ 由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整个观测过程中不再重新安置，因此，测站、目标的对中误差可忽略不计。
⑶ 由于本次监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度﹑气压﹑湿度均比较稳定，因此，可不考虑这些外界环境因素对观测结果的影响，可在观测过程中利用数学模型进行修正。而列车运行带来的震动却对观测结果的影响较大，故应尽量避免在这一时段进行观测。
⑷ 本次测量采用tca2003全站仪观测，其测角精度0.5″，测距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影响测量的主要误差源。3.4.2 误差分析
此次监测主要的误差来源是仪器的测角误差和测距误差，仪器的测角精度为0.5″，100 m的监测范围内由测角所引起的最大误差为±0.12 mm；仪器的测距精度为1 mm±1 ppm，其中1 mm为固定误差，±1 ppm为比例误差(1 mm/km)，即100 m的距离由测距所引起的误差为±0.1 mm，距离测量采用四测回观测仪器引起的误差为±0.5 mm；根据各点给定的初始坐标估算，点位的平面精度约±0.5 mm，z方向的精度与竖直角的大小有关，精度略低，但仍可以保证±1 mm的精度，能够满足施工及甲方对地铁保护的要求。结论
广州市“仓边复建综合楼项目”基坑开挖对地铁1号线构成威胁，施工中采用的监测系统对运行中的隧道变形进行不间断监测，监测结果为基坑开挖施工提供了准确、及时的指导数据，保证地铁的安全运行。这是一种简便、灵活、无人值守、实时、动态的监测系统。工程应用表明，该监测系统能满足工程的要求，且监测速度快、精度高、受人为影响少、自动化程度高，可在地铁运行间隔内迅速完成隧道的变形监测。
参考文献
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3.梁禹.广州地铁一号线隧道结构变形监测及成果分析.施工技术.2002年6月第31卷第6 期.4.曹宇宁.广州地铁二号线琶洲站基坑工程的监测及信息化施工.广东水利水电.2001年12月第6期.5.北京城建勘测设计研究院.地下铁道、轻轨交通工程测量规范.北京: 中国计划出版社.1999
隧道收敛变形监测篇三地铁隧道变形监测信息管理系统的开发
摘要：地铁隧道结构变形监测的特殊性、周期性和长期性,使其信息量非常庞大。信息管理是地铁隧道结构变形监测中一项重要的工作,现有的管理方式效率很低。为了高效、准确地管理监测信息,及时分析预报地铁隧道结构的稳定状况,本文结合南京地铁运营期隧道结构变形监测实例,开发了一套具有变形监测资料存储、预处理、管理分析、可视化分析、预测预报及限值预警等功能的信息管理系统,保证了准确及时快速的数据处理和信息反馈,具有良好的运用和推广前景。
关键词 地铁隧道 变形监测 信息管理系统引 言
随着经济的发展,越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心,其安全问题不容忽视。无论在施工期还是在运营期都要对其结构进行变形监测,以确保主体结构和周边环境安全。
地铁隧道是一狭长的线状地下建构筑物,监测点数量比较大,其周期性和长期性,使数据量非常庞大。面对这些繁杂而又庞大的数据能否管理利用好,关系到监测隧道结构变形和预测预报结构变形工作能否实现和实现的质量。为此,如何有效地管理原始信息,并进行相应的处理显得尤为重要。目前多数监测信息的管理和应用存在不直观、不及时、自动化程度较低等缺点,根据地铁隧道结构自身特点研制一套高效率的、使用方便的监测信息管理系统是必要的,它与变形监测一样具有重要的实用意义和科学意义。系统设计思想
以地铁隧道结构变形监测信息为管理对象,根据地铁隧道结构变形监测的实际情况,综合运用监测数据处理分析技术、数据库技术和信息管理技术,实现对地铁隧道结构变形信息的存储、预处理、管理分析、可视化分析监测信息、预测预报及限值预警,为结构分析提供数据资源,以及时反馈地铁隧道结构安全状况,使安全监测管理人员更为方便和高效的管理监测信息,为确保地铁隧道结构的安全运行提供有效的决策支持。地铁隧道结构变形监测数据管理系统主要应满足如下要求: 1.1 提高地铁隧道结构变形监测数据处理分析与
管理的科学化和自动化水平,满足辅助决策需求 1.2 构建地铁隧道结构变形监测信息管理基础平台
1.3 为后期自动化监测的开展及安全监测专家系统的建立提供基础。3 系统功能
地铁隧道结构变形监测信息管理系统包括文档管理、数据预处理、数据库管理、监测数据分析、信息预警预报和系统管理六大模块,内容不仅涵盖了相关技术规范的所有要求,而且具有地铁隧道自身的特点,全面、标准、专业,有良好的应用前景。
3.1 文档管理模块 3.1.1 变形监测资料地铁隧道结构变形监测根据地铁隧道结构设计、国家相关规范和类似工程的变形监测以及当前地铁所处阶段来确定,主要内容包括[3]:垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测);水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移监测);隧道断面收敛变形监测等。
对于不同的地铁隧道结构变形监测项目内容,所用监测方法和仪器也不相同。通常,对于隧道垂直位移和水平位移监测,可通过大地测量或者自动化测量的方法利用精密水准仪、精密全站仪或智能全站仪进行;而对于隧道断面收敛变形监测,则要通过物理量测的方法利用收敛仪(计)进行。
变形监测资料包括历次变形监测的原始数据,监测报告及鉴定报告等。3.1.2 工程概况资料
工程概况资料主要有工程概况、工程特性参数、重要技术资料和安全监测系统档案等。
(1)工程概况:包括地铁地理位置,车站布置,沿线主要建筑物概况,工程地质与水文地质条件,结构特性、施工情况等。(2)重要技术资料:主要结构设计文件、图纸,运行设计报告,竣工验收报告,隧道加固改建或观测更新改造专题报告,重要工程图形和图像。(3)变形监测系统档案:主要包括监测仪器运行、维护和历次检查、鉴定记录及报告。
(4)其他资料:主要包括水文、气象和地震资料等。3.1.3 巡检资料
包括对隧道结构的各个部位和断面的渗漏、变形和裂缝等的日常巡查记录表,隧道安全情况和隧道重大事故报告等。3.2 数据预处理模块
通过不同的方式导入原始监测资料,并对其进行粗差检验,若有粗差则提示警告,以便查找原因返工重测,然后再进行初步处理分析。对基准点和工作基点的稳定性进行检验,不同的稳定性检验结果决定平差方法的选取。最后对所得监测结果进行整理,存储至相关数据库。3.2.1 数据导入
目前嵌入式操作系统发展特别迅速,根据监测手段和方式不同,用户可以通过系统的接口程序实现系统和观测电子手簿直接相连,自动导入或手工导入。3.2.2 粗差检验
依据相关规范规程应用相应检验粗差的方法对其进行检验,若有粗差则给出提示警告和可能原因,以便查找原因返工重测;若没有粗差则提示检验通过,可进行下一步处理计算。3.2.3 稳定性检验
通过对监测资料的计算分析,应用统计方法(f检验和t检验)对基准点和工作基点的稳定性状况进行分析,为平差计算采用何种平差方法提供依据。3.2.4平差计算
根据基准点及工作基点稳定性检验结果,对变形监测网相应的选用经典平差、拟稳平差或自由网平差;如果监测资料(如隧道收敛变形监测资料等)无需平差计算的则直接进行相关成果计算。
3.2.5 资料整理入库
根据前述各部分处理计算所得结果,对所得监测成果以及检验结果进行整理和存储入库。此外,可根据需要对相关监测属性信息进行相关编辑、修改,然后再整理入库。3.3 数据库管理模块
对数据库相关数据进行查询、添加录入、修改和删除,同时可根据需要进行数据报表生成输出。3.3.1 数据查询
根据不同监测项目特点,采用不同的查询方式对测点的属性信息和监测成果进行条件查询和遍历查询,并可根据需要将查询结果以不同的方式输出。3.3.2 数据录入添加
根据实际需要对测点属性数据和监测单位所提供的直接成果数据进行录入添加,同时可对属性数据信息进行编辑、修改添加。3.3.3 数据修改
考虑到操作的规范性,系统只允许对监测点属性进行修改。通过查询所要修改的监测点,对其属性信息进行修改,同时可以动态显示数据库中的监测点属性信息,方便用户及时看到修改结果。3.3.4 数据删除
与数据修改功能相似,通过对数据信息查询后再进行删除,删除前须经确认,然后才能操作,确保准确无误。
3.3.5 报表生成
可根据用户需要,查询相关监测信息,然后以相关的报表形式输出监测信息。3.4 监测数据分析模块
通过应用不同的数据分析方法和方式对各种监测数据进行处理分析,分析过程和方式采用表格和曲线图形方式进行。
3.4.1 监测点稳定性分析
应用相关稳定性分析方法及指标,结合监测现场实际,对不同类型监测点稳定性进行分析评判。3.4.2 可视化分析
针对监测信息反馈分析的需要,提供可视化的变形监测图形报表,辅助测点稳定性分析评判,以便使用者更直观具体地了解隧道结构整体变形趋势。
以南京地铁西延线垂直位移监测为例,除提供每期沉降量曲线图、沉降速率曲线图、挠度曲线图、相对挠度曲线图外,还可提供任意两期累积沉降量、累积沉降速率、挠度及相对挠度的对比曲线图。3.5 信息预警预报模块
仅仅将监测的信息录入系统中是不够的,还要根据稳定性分析以及前n期的监测成果模拟监测点的变形曲线,并结合相关资料预报今后的变化趋势。由于影响变形体的因素错综复杂,考虑到系统的通用性,模块提供了回归分析、灰色系统、kalman滤波等传统的模型供选择。
根据系统给出的限值进行预警,提供相关区间段的工程图纸及地质、水文气象资料,便于隧道结构变形情况的进一步分析。3.6 系统管理模块
为保证系统的安全,系统运行和数据操作过程中都不能出现任何差错,必须对系统进行有效的管理,这主要是指对系统用户的管理及日常使用日志的管理。3.6.1 系统用户管理
为保证监测信息的完整性、正确性和安全性,必须对系统的用户进行有效的管理。用户登录系统的过程必须在系统日志中进行登记,包括用户名、登录时间、对系统的操作过程以及在系统中滞留的时间等。系统管理员定期将系统的用户使用情况向主管领导汇报。在征得主管领导的同意后,系统管理员可以根据实际情况添加用户或提升、降低某些用户的用户使用级别,必要时可以禁止某些用户的使用权力。系统用户管理包括系统用户登录管理和用户权限管理两个部分。3.6.2 系统日志及安全管理
本系统为系统管理员提供系统日志的检查和备份功能,使系统管理员通过对系统日志的查看了解系统的使用情况以及存在的不足和问题,及时地处理系统存在的隐患,保证系统的高效运行。3.6.3 数据库备份与恢复
为了保证管理系统或计算机系统经灾难性毁坏后,能正常恢复运行,必须进行数据库的备份与恢复。系统采用自动备份与人工备份结合的方式,确保系统的安全稳定运行。4 结 语
地铁隧道结构变形监测信息管理系统采用c/s结构设计,各功能模块间具有相对地独立性,便于进行功能扩充,为后期自动化监测的开展及安全监测专家系统的建立提供支持和铺垫[4,5]。该系统已在南京地铁中应用,不仅准确及时快速的数据处理和信息反馈,提高了地铁运营的管理水平,而且为地铁的安全运营提供了保证,具有显著的社会经济效益和良好的应用前景。
参考文献
[1]王浩,葛修润,邓建辉,丰定祥.隧道施工期监测信息管理系统的研制[j].岩石力学与工程学报,2001,10:1684—1686 [2]李元海.地铁施工监测数据处理系统的分析设计及应用[j].隧道建设,1996,4:22—26 [3]黄腾,李桂华,孙景领,岳荣花.地铁隧道结构变形监测数据管理系统的设计与实现[j].测绘工程,2006,6:1—3
[4]赵显富.变形监测成果数据库管理系统的研制[j].测绘通报,2001,4:28—32 [5]张其云,郑宜枫.运营中地铁隧道变形的动态监测方法[j].城市道桥与防洪,2005,7:87—89
隧道收敛变形监测篇四摘 要:探讨开发地铁隧道结构变形监测系统的必要性与紧迫性。以visualbasic编程语言和access数据库为工具,应用先进的数据库管理技术设计开发地铁隧道结构变形监测数据管理系统。系统程序采用模块化结构,具有直接与外业观测电子手簿连接下传原始观测资料、预处理和数据库管理等功能,实现了测量内外业的一体化。系统结构合理、易于维护、利于后继开发,提高监测数据处理的效率、可靠性以及监测数据反馈的及时性,值得类似工程的借鉴。
关键词:地铁隧道;变形监测;管理系统
随着经济的发展,越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心,其安全问题不容忽视。无论在施工期还是在运营期都要对其结构进行变形监测,以确保主体结构和周边环境安全。地铁隧道结构变形监测内容需根据地铁隧道结构设计、国家相关规范和类似工程的变形监测以及当前地铁所处阶段来确定,由规范[1]与文献[2]知,运营期的地铁隧道结构变形监测内容主要包括区间隧道沉降、隧道与地下车站沉降差异、区间隧道水平位移、隧道相对于地下车站水平位移和断面收敛变形等监测。它是一项长期性的工作,其特点是监测项目多、线路长、测点多、测期频和数据量大,给监测数据处理、分析和资料管理带来了繁琐的工作,该项工作目前仍以手工为主,效率较低,不能及时快速地反馈监测信息。
因此,有必要开发一套高效、使用方便的变形监测数据管理系统,实现对监测数据的科学管理及快速分析处理。现阶段国内出现了较多的用于地铁施工期的监测信息管理系统[3-4],这些系统虽然功能比较齐全、运行效率较高,能够很好地满足地铁施工期监测需要,但它主要应用于信息化施工,与运营期地铁隧道结构变形监测无论是在内容还是在目的上都有着很大的区别和局限性。而现在国外研究的多为自动化监测系统[5-6],也不适用于目前国内自动化程度较低的地铁隧道监测。
此外,能够用于运营期并符合当前国内地铁隧道结构监测实际的监测数据管理系统还较为少见。因此,随着国内建成地铁的逐渐增多,开发用于运营期地铁的变形监测数据管理系统变得越来越迫切。为此,根据运营期地铁隧道结构变形监测内容[1-2]和特点,以isualbasic作为开发工具[7],应用先进的数据库管理技术[8],以目前较为流行的access数据库作为系统数据库,设计和开发了用于运营期地铁隧道变形监测数据管理系统,不仅提高了监测数据处理的效率和可靠性,保证了监测数据反馈的及时性,而且在某城市地铁隧道变形监测中投入应用,取得较好的效果。
1系统的结构
1．1系统数据库结构
变形监测数据库用于存储监测点属性、监测成果等数据信息,是数据管理系统的基础。因此,合理的数据库结构不仅是数据库设计的关键,还有利于系统对数据的管理和高效处理分析。考虑到变形监测成果的特点,系统数据库结构设计应不仅能满足用户的需要,而且能使系统需求的资源最少,同时还要使数据库中数据冗余度尽量小,以达到结构合理、易于维护等目的[8]。为此,根据变形监测内容,系统数据库设计由如下数据表构成。
1)测段名表:包括测段编号和测段名称两个字段。为便于变形监测分析,在监测中将相邻两个车站之间的隧道划分为一测段,并按车站和车站之间的隧道进行编号,测段名称则根据各个车站或者车站之间隧道的名称而定,监测点的测段属性值直接根据其所在测段来取对应的编号值,方便查询。
2)监测点属性表:包括监测点名、测段、车道、具体位置、里程、材料、布设时间、布设单位、当前状况、用情况、备注等。其中车道为监测点所在的左、右道或上、下行线;具体位置指测点所处具体的空间位置,如地面、地下、高架等;当前状况是指目前监测点的完好情况,也就是可用否;使用情况是指监测时是否使用。
3)沉降监测成果表:包括编号、监测点名、高程、测期、监测时间、备注等。为了遵守数据库键的唯一性原则和方便查询,各个测点的每期编号由测期号与监测点名组成,因而表中将不会出现相同记录,保证了键的唯一性[8]。
4)沉降差异点属性表:除了测段为各个车站编号,其余与监测点属性相同。
5)沉降差异监测成果表:与沉降监测成果表相同。
6)水平位移监测成果表:包括编号、监测点名、x坐标、y坐标、测期、监测时间、备注等,测点的编号设置与沉降监测成果表相同。
7)水平位移差异监测成果表:与水平位移监测成果表相同。
8)断面收敛变形监测成果表:包括编号、监测点名、直径
1、直径
2、测期、监测时间、备注等,测点的编号设置与沉降监测成果表相同。
在以上各表中,第一个字段为主关键字,各字段值的类型与字节宽度均按照实际所需的最佳值确定,考虑到测段名的繁琐和数据库管理操作的方便迅捷,在数据库管理时将测段名表与其他各表进行关联[8]。
1．2 系统的总体结构
根据地铁隧道变形监测的内容与特点,系统由系统设置、预处理、数据库管理、在线帮助和退出5个模块组成,总体结构如图1所示。
2系统的功能及特点
2．1系统的功能
2．1．1系统设置功能
1)参数设置:设置系统所使用数据库的地址,实现对地铁的不同隧道段监测数据库分别进行管理,同时还可设置显示计算成果的小数位数等参数。
2)用户设置:可以添加用户和更改用户登录密码,防止非系统用户进入破坏数据,保证监测数据的安全和系统的正常运行。
2．1．2预处理功能
1)观测资料整理:用户可以通过系统的接口程序实现系统和外业观测电子手簿直接相连,下传原始观测资料,并对其计算处理,得到观测成果数据。
2)粗差检验:对观测成果数据进行检验,剔除不合格数据,保证监测数据的正确可靠,同时将检验后的成果数据录入到数据库中。
3)基准点稳定性检验:检验监测基准点的稳定性,确保监测数据的可靠性。
2．1．3数据库管理功能
1)数据查询:包括属性数据查询和监测成果数据查询。查询属性数据时,可以先对属性数据类别和属性值条件进行选择,同时系统动态搜索出满足条件的测点,然后可根据用户实际需要结合监测成果条件(前后测期、两期沉降量、两期沉降速率等)查询出满足要求的测点属性信息,实现对不同类监测点在不同监测成果条件下的属性值进行查询。查询监测成果时,可首先对测点的测段、车道、具体位置等测点主要属性值进行选择,然后再对监测成果的测期、两期变化量、累积变化量和变化速率等条件进行设置,查询出满足用户要求的测点成果。在查询出满足要求的数据后,可导入到excel中进行编辑打印。
2)数据录入和添加:包括监测点属性数据录入添加和监测成果数据录入添加两个功能,用于向数据库录入添加监测点属性信息和监测成果数据。设置有手工录入添加和自动导入两种方式,前者直接在程序界面上的相应空格中填入数据值,实现逐点录入;而后者则将文本数据格式或者excel格式的数据自动导入数据库,实现多点自动导入。添加数据时动态显示已添加的数据和添加后数据库中的所有数据信息,添加完成后可以将已添加的数据导入到excel中进行编辑、打印。在录入添加之前可将所要录入添加的数据按照预定的格式存储在excel或记事本中,随后便可将数据导入到数据库中。
3)数据修改:考虑到操作的规范性,系统只允许对监测点属性进行修改。通过查询所要修改的监测点,对其属性信息进行修改,同时可以动态显示数据库中的监测点属性信息,方便用户及时看到修改结果。
4)数据删除:与数据修改功能相似,通过对数据信息查询后再进行删除,删除前须经确认,然后才能操作,确保准确无误。
5)数据导出:由于在前述操作中已包括本功能,因此系统中无需再单独设此功能模块,避免重复。
2．1．4在线帮助功能
包括帮助目录与帮助主题搜索两个功能,用于系统运行过程中的在线帮助,以文本和图像的形式对系统进行操作说明,并对常见问题作详细解答。
2．1．5退出功能
退出系统。
2．2系统的特点
1)系统充分利用了先进计算机技术的优势,克服了传统的监测数据管理存在的数据查询繁琐、处理分析低效等缺陷。
2)系统操作通过窗口和菜单进行,具有界面友好、操作帮助完善等优点。
3)系统可通过接口程序与外业观测电子手簿相连,下传原始观测资料,并进行计算处理,实现测量内外业一体化。
4)经系统处理的数据成果可直接导入到ex-cel中,充分利用了excel报表制作的优点,满足了用户对报表格式多样性的要求。
5)监测数据通过系统存入数据库进行管理,使复杂、繁琐的监测数据管理工作变得简单易行,如数据的查询、添加、删除、导入excel等可通过鼠标单击直接实现,提高了工作效率。系统的实现与应用
系统采用windows2000/me/xp作为操作平台,以桌面式关系型数据库access和面向对象的程序设计语言visualbasic6。0作为开发工具,通过数据库引擎(ado)[7]与数据库有机的联系在一起。系统开发采用面向对象的方法,它是根据应用问题所涉及的对象,建立于现实世界的一种软件开发思想[7]。利用该方法的关键是对前端概念的理解,只有当应用领域固有的概念被识别和理解了,才能较好的设计系统的数据结构以及实现其功能。
visualbasic是一个面向对象的图形界面应用程序开发环境,利用它可开发面向对象的基于win-dows的应用程序[7]。由于visualbasic充分利用了windows的窗口资源,因而开发应用程序的用户界面美观、简洁。本系统中所使用的菜单、按钮和结果显示等功能方式均以模块化开发实现,有利于系统的后续开发升级。
系统应用过程:首先,按照系统数据库中数据表的字段格式对车站、区间段和监测点进行统一编号、命名和归类,并根据实际情况确定测点属性值,将整理后的测段信息与测点属性数据录入数据库;然后,通过系统的接口程序从外业观测电子手簿下传各期原始观测资料,对其进行预处理后将满足要求的成果数据录入数据库;最后,对监测数据进行管理和处理计算,分析地铁隧道结构变形情况。该系统在某城市地铁监测中得到了很好的应用,发挥了较大的作用,实际应用表明:
1)监测数据管理的效率得到了明显的提高。应用系统后,数据处理分析所花时间从原先手工进行所需的7d至8d缩短为1d至2d。
2)系统计算准确、成果可靠。
3)系统功能完善,操作简单,界面友好、美观。结 论
地铁隧道结构变形监测数据管理系统是结合地铁隧道结构变形监测实际情况进行设计和开发的具有较高的实用价值。
1)系统应用了先进的ado数据库开发技术实现了数据库与系统的有机结合,使access数据库与visualbasic语言的优势得到了最大的发挥,值得类似系统借鉴。
2)通过实践应用表明该系统功能完善、方便实用、计算准确、数据成果可靠,能够较好地满足实际应用需求,大大减少了数据管理工作量,提高了效率。
3)系统中测量内外业一体化的实现为地铁隧道自动化变形监测系统的开发积累了一定的经验。
4)系统开发运行的成功为今后地铁隧道结构变形监测数据处理与分析系统以及地铁安全监测专家系统的研究开发奠定了基础。
参考文献
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隧道收敛变形监测篇五上海地铁盾构隧道纵向变形分析
【摘 要】隧道若发生纵向变形将严重影响到隧道结构的安全。分析探讨了纵向变形的发生、变化情况以及隧道结构和防水体系所允许的纵向变形控制值。结合工程实践,对隧道发生的典型沉降曲线规律进行了深入的分析,其结论对有效控制隧道纵向变形具有指导意义。【关键词】隧道;通缝拼装;纵向变形;环缝;错台;防水;失效
至2023年,上海将建成轨道交通运营线路达到20条、线路长度超过870 km以及540余座车站的网络规模。这其中,以盾构隧道结构为主的地下线路几乎占到一半。控制隧道纵向变形是确保隧道结构安全的重要因素之一。在研究隧道纵向变形时,我们首先要关注这种变形是以何种方式发生、又是如何发展变化以及隧道变形控制值是多少等问题,本文对这些问题进行了分析探讨。
1、盾构隧道结构和构造设计
盾构法隧道是由预制管片通过压紧装配连接而成的。与采用其它施工方法建成的隧道相比,盾构隧道明显的特点就是存在大量的接缝。1 km长的单圆地铁盾构隧道需要五~六千块管片拼装而成,接缝总长度约是隧道长度的20余倍。因此,盾构隧道的多缝特点已成为隧道发生渗漏水最直接或潜在的因素之一(见图1)。在盾构拼装结构中,接缝有通缝和错缝之分,现以单圆通缝盾构隧道为例进行隧道纵向变形分析。1.1 盾构隧道结构与构造设计 1.1.1 管片厚度、分块及宽度
单圆通缝隧道管片厚度350mm,管片为c55高强混凝土,抗渗等级为1 mpa。一环隧道由6块管片拼装而成(一块封顶块f、两块邻接块l、两块标准块b和一块拱底块d),圆心角分别对应16°、4×65°和84°(见图2a)。封顶块拼装方便,在拱底块上布置了两条对称的三角形纵肋。整个道床位于拱底块内,底部没有纵缝,对底部环缝渗漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低处理底部渗漏水的难度。
1.1.2 纵缝和环缝构造
在管片环面中部设有较大的凸榫以承受施工过程中千斤顶的顶力,可有效防止环面压损,既利于装配施工,又易于整个环面凹凸榫槽的平整密贴,提高管片外周平整度;并可提高环间的抗剪能力,控制环与环之间的剪动,同时也可减少对盾尾密封装置的磨损。靠近外弧面处设弹性密封垫槽,内弧面处设嵌缝槽。环与环之间以17根m30的纵向螺栓相连,在管片端肋纵缝内设较小的凹凸榫槽,环向管片块与块之间以2根m30的环向螺栓压密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形,环、纵向螺栓均采用热浸锌或其它防腐蚀处理。
这种构造设计使得隧道在拼装完成后形成具有一定刚度的柔性结构,环向面之间以及纵向面之间可以达到平整密贴装配,既能适应一定的纵向变形能力,又能将隧道纵向变形控制在满足列车运行及防水要求的范围内;同时,满足结构受力、防水及耐久性要求。
错缝拼装与通缝拼装略有不同,其拼装方式是隔环相同,拱底块不设三角肋,在道床底部有一条纵缝, 6块管片所对应圆心角分别为20°、2×68.75°、3×67.5°(见图2b)。不论是通缝还是错缝拼装,隧道总体上呈“环刚纵柔”的特点。
1.2 装配隧道对纵向变形的适应性分析
错台是指两环隧道之间发生的径向相对位移,隧道纵向变形的适应性是指在保障隧道结构安全前提下各组成构件所允许的最大环间错台量。从以下几方面分析各自对环间错台量的适应情况。1.2.1 环面构造对错台量的适应性
如图3a示,在管片环面中部设了较大的凹凸榫槽。因环面装配部位的凹槽比凸榫稍大,存在约8mm的极限装配余量,可允许凸榫在凹槽内沿着径向作微量移动或滑动。这种环面间的相对移动表现在隧道壁上就是错台现象(见图3)。无论环面凹凸榫槽的初始装配关系如何,当环间错台达到4~8mm时,凸榫的顶部边缘将与凹槽的底部边缘相接触,若继续发生错台,凹凸榫槽将发生剪切。应当说环面上设置的凹凸榫槽对提高环间的抗剪切能力是有益的。从环面构造可知,当环间错台量超过4~8mm时,环面缝隙将按线性张开。所以, 4~8 mm错台量应是环面装配和错台的控制值。1.2.2 密封垫对错台量的适应性
在环面上靠近外壁约30 mm处设有密封垫(现多为三元乙丙橡胶材料),按照设计构想,理想装配条件下密封垫径向宽度的重叠达23 mm,并可抵御环面间张开4~6 mm而不会发生渗漏水。通过对密封垫试验和数值计算分析发现,当环面之间发生错台时,密封垫表现出复杂的形状,不同部位呈拉压剪等十分复杂的受力状态。从理论上讲,当环间错台量为4~8 mm(甚至更大一些)时两块压紧状态的密封垫是不会产生渗漏水的。由于环面上的密封垫不是完整的(分别粘贴在12块不同管片上),装配后单侧整环密封垫长达19.415 m,且存在许多棱角组合,加之防水材料质量及施工技术条件等制约因素,多数渗漏水发生在错台量<8 mm(甚至更小)的情况下(见图4)。
1.2.3 螺栓孔和螺栓对错台量的适应性
为便于管片拼装紧固,一般螺栓孔设计的要比螺栓稍大,螺栓孔径为35mm,螺栓直径为30 mm,在管片拼装或产生错台时可允许螺栓适当调整。当环间错台量较小时,螺栓会随管片发生移动,螺栓拉伸量相当有限。不论螺栓与螺栓孔的初始装配关系如何,在错台量达到6~12 mm后,螺栓孔与螺栓的对应位置关系都趋于极限,螺栓将发生拉弯,同时对手孔部位的混凝土产生压剪作用。因手孔部位增强了配筋,螺栓会在手孔部位的混凝土压坏之前先于拉坏。
通过以上分析可知,隧道环面构造、防水体系及螺栓等在隧道发生变形过程中所起的作用不尽相同,对错台量的适应性也并不完全一样。但将它们装配成一条完整的隧道后就必须要求管片间的变形要协调,即只有当错台量同时满足结构抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求时,隧道安全才有保障。受管片制作、拼装施工、密封垫质量等因素的影响,通常在隧道投入运营之初,环缝、十字缝或管片接缝处就已发生了渗漏水,隧道在施工过程中已经用掉了大部分结构变形和防水预留量,而留给运营期间允许发生的变形余量非常少。因此,综合多方面因素,将环面间的错台量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。
2、隧道纵向变形分析
在隧道防水设计中,一般取纵缝和环缝张开量来确定密封垫的性能,弹性密封垫在隧道张开量达到4~6 mm时还具有防水能力。但隧道纵向变形究竟是以隧道顶底部刚性张开方式还是以环面错台方式进行的?或是两者兼之?下面分别对两种情形进行讨论分析。
2.1 假定隧道纵向变形是以刚体转动的方式进行的
将单环隧道假定为一个理想的刚体,允许环与环之间发生小角度θ的刚体转动,隧道顶(底)部张开量δ,形成隧道纵向沉降变形(见图5)。当隧道发生沉降时,隧道顶部压紧,底部张开(或闭合)量δ;反之,隧道顶部张开δ,底部压紧。根据刚体转动几何条件,隧道环宽w、直径d、环间张开(或闭合)量δ及隧道纵向沉降曲线半径r之间有如下几何关系:
当取环宽为1.0 m、隧道外径为6.2 m,隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。若依此计算,当环缝张开量为6 mm时,隧道防水已经失效。但在隧道实际变形中,如此小沉降半径(甚至更小)是存在的,但防水体系并没有发生失效现象。这说明将隧道纵向变形视作整环隧道刚体转动的假定与隧道实际发生的纵向变形有着较大出入。在已建隧道中,隧道长度与直径之比l/d>150,隧道纵向端点与车站锚固联结,车站刚度较大,而且隧道与周围土层之间存在一定的抗剪力,对隧道沿纵向移动有较大约束,加之管片之间螺栓紧固作用等,对隧道整环发生刚体转动或沿纵向产生较大的水平位移(缝隙)起到极大约束作用。一般情况下,沿隧道纵向难以产生较大的环间缝隙或刚体转动。
2.2 假定隧道纵向变形是以环间错台方式进行的
从上述分析得知,隧道环与环之间可以发生小量级的错台而不破坏隧道的安全性,假定隧道纵向变形曲线视作是由环与环之间发生不同错台而形成的,现分析沉降曲线为等圆的错台情况。将最下部的一环定为第1环,称之为基准点,第1环隧道底部与沉降曲线最低点之间沉降差定义为初始错台变形δ1,第2环与第1环之间的错台变形量δ2,第i环隧道与i-1环之间的错台变形量δi。根据图6a示,第一环的初始错台量为δ1,则有:
根据表2和图6分析可知:①沉降曲线半径越大,沉降影响范围越大,环间错台发展速度越缓慢;反之,沉降曲线半径越小,沉降影响范围越小,环间错台发展就越快(即错台很快就超出安全控制值)。②沉降曲线半径越大,沉降范围内的累积沉降量越大。由式(3)可以看出,即使环间的错台量是一个较小的数据,但在一个较大范围的隧道累计变形量来说仍然很可观。③即使在等半径沉降曲线上,不同距离的环间错台量是不同的。由式(2)可知,距离基准点越远,环与环之间的错台变形量就越大。
隧道安全取决于隧道结构和防水体系的安全,通过对隧道的长期现场监护监测发现,隧道结构沉降变形和防水之间又是相互影响和相互促进的,隧道渗漏水会引起隧道变形加大,隧道变形加大又会加剧隧道渗漏水,形成恶性循环。
在隧道发生渗漏水的许多部位,沉降曲线半径超过15 000m,满足隧道纵缝张开的设计要求;在发生较大沉降变形区段,沉降曲线半径远小于15 000m,隧道没有发生渗漏水,也未发现隧道顶底部的转动张开;在几处发生过险情的隧道区间,隧道沉降半径远小于500 m,发生漏水的整环隧道多位于沉降曲线的直线段,个别环间错台量达数厘米,在隧道内壁上表现为明显错台形式。理论分析和隧道发生渗漏水的实际情况都证明了隧道纵向变形方式是以环间错台方式进行的,将隧道纵向沉降曲线视作是由一系列环间错台构成的这一假定是合理的。
2.3 隧道纵向变形过程分析在隧道发生沉降(隆起)后,隧道总长度增加,沉降变化越多,变化量越大,隧道总长度增加量就越大。当错台量较小时,隧道纵向增加量较小,可用下式来表达:
当错台量超过4~8 mm时,隧道纵向长度计算还应考虑纵向环面缝隙的增加量w0。下面根据不同程度的错台量对隧道结构安全和防水影响进行分析:(1)当环间错台量为1~4 mm时,这个量级的错台可以通过隧道环面构造设计本身加以调整,但会对密封垫产生一定的拉压作用。从几何意义上讲,变形前密封垫径向重叠厚度至少可达约23 mm,发生错台后密封垫仍可保持约19 mm的重叠厚度。根据式(4)计算,若错台为1 mm,单环隧道增加长度0.005 mm;若环间错台4 mm,单环隧道增加长度0.008 mm。这个量级的小错台量引起隧道纵向长度的增加非常小,环间缝隙宽度不增加。
随着环间错台量的增大,密封垫不同部位表现为十分复杂的拉压剪等受力状态,密封垫一般不会发生渗漏水现象,但环面间的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道发生渗漏水的概率大为增加。纵向连接螺栓或将进一步发挥抗拉作用,对手孔部位的混凝土施加低水平的压剪作用。
(2)当环间错台量达4~8 mm时,即在前一阶段变形基础上继续发生错台4 mm(见图3b)。不论环面凹凸榫槽最初装配位置如何,此刻凹凸榫槽处在极端配合状态,凸榫顶边缘与凹槽底边缘相接触,凹凸榫槽直接发生剪切,螺栓也处在进一步拉紧状态,密封垫的变形和受力状态也随错台量的加大而加剧,但密封垫径向重叠厚度仍可达15 mm。根据式(4)计算,若错台达到4~8 mm,单环隧道长度增加将达0.032 mm。这个级别的错台引起隧道总长度的增加量依然很小,环间缝隙宽度不增加,但密封垫之间、密封垫与管片之间都可能会直接发生渗漏水现象,环间防水能力被极大削弱,隧道发生渗漏水的几率成倍增加,必须引起警惕,采取措施控制错台的进一步发展。
(3)当环间错台量达8~13 mm时(见图3c),环面凹凸榫槽已发生直接剪切,凹凸榫槽局部会出现裂缝,而导致防水失效,这个错台量会引起环面凹凸榫槽出现“艰难爬坡”现象,环间缝隙呈线性扩大,螺栓被拉流。尽管密封垫径向重叠厚度仍有10~15 mm,但因管片局部发生破坏、环面间缝隙超过防水标准而失去防水作用。根据式(4)计算,若环间错台量达到13mm,隧道长度增加迅速,单环隧道增加量也达13.083mm,环缝张开量将迅速增加超过6 mm,环间防水体系基本失效,将会有大量水土流入隧道,环缝漏水严重。图7是整环隧道发生竖向错台示意图,当环间发生竖向错台时,依附于管片上的密封垫将随同管片一起发生错台。在隧道顶底部位错台最为显著,其它部位并不明显,但此时环面上凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈直线方式发展。隧道处于此种状态十分危险,若变形继续发展,后果不堪设想。
(4)当环间错台量为13~23 mm时(见图3d),环面间持续剪切导致凹凸榫槽结构进一步破坏,防水体系完全失效,凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈线性发展直至结构失稳,尤其当隧道下卧土层是砂性土层的状况时风险性更大。
分析表明:①若错台量在几毫米以内,隧道总长度增加量很少,环间缝隙宽度并不增加,隧道结构安全尚处在可控状态,但会大大削弱密封垫的防水效果;②若错台量超过环面凹凸榫槽配合极限之后,环间缝隙按线性发展,管片会发生破损、防水失效等现象,给隧道安全带来灾难性威胁。因此,径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,还将导致隧道纵向水平位移(环面缝隙)的增加。
以上仅是对隧道竖向发生径向错台进行分析,实际上隧道发生纵向变形远比此复杂。隧道在装配完成受力后其环面并不是一个真圆,环面凹凸榫槽的装配关系随之发生变化,这些变形会沿着隧道纵向进行传递,隧道纵向和横向变形在一定范围内相互影响。
3、隧道纵向变形典型曲线及工程实例 3.1 隧道纵向沉降典型曲线
图8是典型纵向沉降曲线,沉降曲线呈对称漏斗型。一半曲线是一条反s沉降曲线,曲线的上部向下弯曲,下部向上弯曲,中间呈直线段变化。可将曲线划分成三段,现逐一分析如下:第一段为向下弯曲段(沉降加速段)。该段隧道受扰动影响较小,环间错台较小,纵向变形量小,环与环之间的错台迅速变大,环间缝隙基本上没有张开,也不发生渗漏水,此阶段的纵向变形累计量较小。
第二段为直线变形段(沉降均速段)。该阶段隧道受扰动影响较大,该段环与环之间的错台量较大,凹凸榫槽相扣处在剪切状态,错台基本上呈直线型发展,没有明显弯曲,纵向沉降累积量迅速变大,环间缝隙防水失效,有大量水土涌入隧道。
第三段为向上弯曲段(沉降减速段),也是最后一个阶段。该段环与环之间的错台变形由大变小,曲线呈向上弯曲状,此阶段的纵向累计沉降量达到最大。
近年来发生的几起隧道险情大沉降与上述隧道纵向变形曲线非常吻合。3.2 工程实例
(1)图9是上海轨道交通2号线某停车场出入库线下行线隧道泵站发生事故后形成的沉降曲线。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道发生了较大错台变形,个别环间错台量达到数厘米,最大累计沉降量达26 cm,后经及时抢险才得以控制隧道危情。
(2)4号线大连路区间隧道因结构存在固有缺陷导致隧道漏水漏砂,环间发生了较大错台沉降,纵向累计和差异沉降变形都很大,环间发生错台量达到3~5 mm,累计沉降达9 cm,影响范围超过100m,后经及时发现抢险并最终得到根治。环间过大的错台变形势必会引起隧道结构开裂,导致隧道受损或破坏,防水体系失效,给隧道结构安全带来直接威胁,多处隧道发生的纵向大变形验证了这一变形过程。
4、结语
本文通过对地铁盾构隧道纵向变形进行分析,得到如下结论:(1)地铁盾构隧道纵向变形基本上是以径向错台方式进行的。
(2)径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,同时会引起环缝间隙按线性发展,导致隧道结构损坏、防水失效。必须严格控制各类因素引起的环间错台量。
(3)研究了不同沉降曲线半径的环间错台变化规律,等半径沉降曲线上不同位置的错台量是不同的。结合工程险情研究了典型的隧道沉降曲线。
(4)隧道安全与隧道结构变形和防水密切相关,防水的成败关系到其长久安全,“见水就堵”是十分重要的。这些分析结论进一步加深了对隧道发生沉降方式和变形控制值的认识,对指导地铁盾构隧道安全监控具有重要的意义。
