第十二章 監(jiān)控設計法

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,歷史使人明智；,詩詞使人靈秀；,數學使人周密；,自然哲學使人深刻；,倫理使人莊重；,邏輯辭學使人善辨。,培根,第十二章 監(jiān)控設計法,第十二章 監(jiān)控設計法,12.1,監(jiān)控設計原理,原理：,通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得圍巖力學動態(tài)和支護結構工作狀態(tài)的信息（數據），再通過必要的力學分析，以修改和確定支護結構系統(tǒng)的設計參數和施工對策。,監(jiān)控設計通常包括兩個階段，即施工前的預設計階段和修正設計階段。,施工前的預設計,，是在認真研究勘測資料和地質調查成果的基礎上，應用工程類比法進行。,修正設計：,根據現(xiàn)場監(jiān)控量測所得到的信息進行理

2、論解析與數值分析，對圍巖與支護結構穩(wěn)定性做出綜合判斷，得出最終合理的設計參數與施工對策。,監(jiān)控設計的主要環(huán)節(jié)包括：,現(xiàn)場監(jiān)測,數據處理,信息反饋三個方面。,現(xiàn)場監(jiān)測,:,制定監(jiān)測方案,確定測試內容,選擇測試手段,實施監(jiān)測計劃,數據處理：,原始數據的整理,明確數據處理的目的,選擇處理方法,提出處理結果,信息反饋：反饋方法：理論反饋和經驗反饋,反饋作用：修正設計和指導,施工,12.2,監(jiān)控設計的現(xiàn)場量測,一、量測目的,提供監(jiān)控設計的依據和信息。,掌握圍巖力學形態(tài)的變化和規(guī)律,掌握支護結構的工作狀態(tài),指導施工，預報險情,做出工程預報，確定施工對策,監(jiān)視險情，確保施工安全,校核理論，完善工程類比方法,

3、為理論解釋，數據分析提供計算數據與對,比指標。,為工程類比提供參數指標。,為隧道工程設計與施工積累資料,二、監(jiān)測項目分為應測項目（,1,4,）和選測項目,（,5,11,）,肉眼觀察,巖體力學參數測試,應力應變測試,壓力測試,位移測試,溫度測試,物理探測,三、現(xiàn)場量測計劃,量測項目的確定及量測手段的選擇,必測項目,A,類量測,選測項目,B,類量測,量測斷面的確定（量測間隔）,單一測試斷面,綜合測試斷面,測試間距,凈空位移、拱頂下沉的測點間距,條件,量測斷面間距（,m),洞口附近,10,埋深小于,2B,10,施工進展,200m,前,30(,土砂圍巖減少到,10m),施工進展,200m,后,30(,

4、土砂圍巖減少到,20m),地表下沉測點布置,注：,當施工初期、地質變化大、下沉量大、,周圍有建筑物時取低值。,表中,B,為隧道開挖寬度。,覆蓋層厚度,H,測點間距（,m),H2B,20,2BHB,1020,HB,510,量測儀器（測點）的布置,凈空位移量測的測線布置,圍巖內部位移測孔的布置,錨桿軸力量測的錨桿布置,噴層（襯砌）應力量測布置,格柵（鋼架）應力量測布置,地表、地中沉降測點布置：軟弱破碎圍巖、,覆蓋層小、大跨度。測出擾動范圍、最大沉,陷量、地表沉陷傾斜程度。,圍巖壓力量測測點布置,一般埋設在拱頂、拱腳和仰拱的中間。,量測儀器（測點）的安設與量測頻率,盡快安設，并測出初讀數,盡量靠近掌

5、子面,12.3,量測數據的處理,量測數據隨時間的變化規(guī)律,時態(tài)曲線（時間效應）。,量測,數據變,化速度,隨時間,的變化,規(guī)律。,量測數據與距離之間的關系曲線,空間效應,此外，還需進行回歸分析，找出測試數據隨時間變化的規(guī)律，并推算出測試數據的極值，為監(jiān)控設計提供,重要的信息。,一、絕對位移的換算,圖中有關系式：,式中 、,i,，,j,兩測點絕對位移的,水平和垂直分量,i,，,j,聯(lián)線與水平方向夾角,基線,ij,方向的收斂值,當隧道拱頂點及兩側邊墻中點（或墻角附近）布置成閉合三角形收斂量測基線時，有：,令 ，,則上式變?yōu)椋航馍鲜龇匠探M可得：,二、回歸分析,一元線性回歸方程：,求回歸系數,a,，,b

6、,的方法有,選點法、圖解,法、平均法和最小二乘法等。,最小二乘法原理：,觀測值,的,改正數的代數和恒為零，即,觀測值的改正數之平方和為最小，即：,對于,根據微分學中求解極限值的原理，要使上式達,到最小值，則分別對回歸系數,a,，,b,進行偏微,分，求其偏微商并令其等于零，即：,解上式得：,回歸精度為：,式中 ，,n,為量測次數,同理，對方程，有：,解上式得：,回歸精度為：（剩余標準離差）,一元非線性回歸方程,一元非線性回歸分析步驟：,選擇能代表變量,x,與,y,之間內在關系的函數,類型。,求出變量,x,與,y,相關函數的未知量。,經過剩余標準差分析，感到精度不夠理想,時，則可另選一種曲線函數按

7、照上述步驟,再進行重新分析。,目前隧道工程中常用的一元非線性回歸方程有：,對數方程,：，,，,指數方程,：，,雙曲線方程,：，,冪函數,：,求解回歸系數,a,、,b,的方法有：,化成直線型的變量代換法,將一元非線性回歸方程作適當的變量代換,后，對新的變量作線性回歸，然后再還原,到原來的變,量。,例如對對數方程 進行變量代,換，設 ，則,回歸系數 ，當,a,求出后，對數方程即可確,定。,它的位移速率表達式為：,令 ，作為衡量圍巖與初期支護共同變形達到基本穩(wěn)定時的標志，則達到 值所需要的時間 （收斂時間）為：,例如：,將 取為自然對數：,令 ，,則有,，即為線性方程。,兩倍時差法,對如下指數函數方

8、程，取兩個點,，,當量測時間時 ，則可采用兩倍時差法求,解回歸系數,a,、,b,值。,由上面兩式得：,解得：,單因素優(yōu)選法,原理：逐漸選取回歸系數,a,、,b,值，用回歸精度,控制，當達到最高回歸精度時，其相應,的回歸系數即為所求之值。,例：令 ，,則 為線性方程,求解步驟為：,在方程,u=f,（,a,b,t,）,中令 （為初始值，,可取任意值，一般取,=1,），,并令 ，則,u=f,（，,y,），,為線性方,程。,計算 ，則回歸方程為,u=f(,t),回歸精度 （剩余標準離差）,再令,（為步長系數,可?。?，）,計算 ，。,同理可求得 ，,，,，,，若其中 ，則相應的 ，即為所,求之回歸系數值

9、。,例,1,下表為某隧道拱頂下沉量測數據，現(xiàn)采用兩,倍時差法求其位移函數表達式。,取,，,則位移函數方程式為：,量測時間,第,8,天,第,10,天,第,12,天,第,19,天,第,34,天,拱頂下沉量（,mm,）,0,12,13,14,15,量測間隔（,d,）,0,2,4,11,26,例,2,某隧道初期支護后，采用單點桿式位移計,測得隧道側壁,A,點處隨時間變化的絕對位移值如下,表所示，現(xiàn)采用三種回歸方程與所繪出的散點圖,進行擬合，計算結果為：,對數方程 ，,指數方程,量測時間（,d,）,2,5,10,20,30,40,50,60,70,測得的位移值,u,（,mm,）,3,10,17,23,2

10、4,25.5,26.5,27,27.9,雙曲線方程,最佳回歸方程為,指數方程,。,對于一組量測數據進行回歸分析時，通常選取幾個（一般為三個）適當的回歸方程與它擬合，對比要用相關系數,r,值來選取與散點圖擬合得最佳的回歸方程，即當相關系數,r,愈接近,1,時，回歸效果最佳，回歸方程與散點圖的擬和程度也就愈好。,相關系數,r,用下式計算：,12.4,信息反饋,反饋方法：,理論反饋法,和,經驗反饋法,一、理論反饋法,根據現(xiàn)場量測信息，推求設計計算參數分為直接反饋法和間接反饋法,直接反饋法,正算法,按工程類比法確定計算參數。,用理論解析法或數值分析法求解隧道周,邊的位移值。,計算值與實測值進行比較，當

11、兩者有差,異時，應修正原先假定的計算參數，重,復計算直至兩者之差符合計算精度時為,止。,采用最后的計算參數進行同樣條件下隧,道設計。,間接反饋法,逆算法,根據隧道施工中量測到的隧道周邊位移值，,用數值分析方法來反算出主要的計算參數，并以,此進行隧道支護結構的設計計算。,推算側壓力系數,假定地層為各向同性的線彈性介質,量測信息：拱頂下沉量 ，,側壁中部水平位移,利用彈性力學中帶圓孔薄板的圓孔周邊外,徑向位移計算公式有：,有：,整理后有：,而 ，代入即可求出 ，進而求,當 已知時，可求,推求彈性模量,E,當 、為已知時,或,假定初始地應力,，,由實測的隧,道周邊量測的位移值，采用位移聯(lián)圖反分析,法

12、，推求 及,E,值。,采用地應力系數法求解三維空間狀態(tài)下初始地,應力值,二、經驗反饋法,將量測的信息與判別準則進行比較。,允許位移值,所謂允許位移值是指在工程的全過程中，,在保證圍巖不產生有害松動，地表不產生,有害沉降（指淺埋隧道）條件下的最終位,移量的數值范圍。,允許位移值，即變形預留量的控制標準。,影響隧道周邊位移量的大小的因素：,原始地應力,開挖方法：全斷面一次開挖比臺階法開,挖最終位移量要小。,開挖速度,;,特別是距離量測斷面為,2,倍隧道直徑,范圍內的開挖工作面，其開挖速度對量測斷面,處的最終位移值的影響最大，開挖速度快最終,位移量小，反之則大。,支護時機：及時支護比延遲支護變形量小

13、，反,之則大,支護方式,:,預支護后再開挖可使最終位移量減少,4,倍，并使位移停止時間縮短。,確定適宜的允許位移：應根據已建工程的工程,類比初步確定出范圍后，再根據現(xiàn)場量測結果的,統(tǒng)計分析和工程實際情況進行修正。,位移變化速率,位移變化速率是用每天位移量來表示的。,位移速率的收斂狀態(tài)可表明隧道周邊位移趨于,穩(wěn)定狀態(tài)。,鐵路隧道噴錨構筑法技術規(guī)則,中規(guī)定：復,合式襯砌中二次襯砌應在圍巖和初期支護變形基,本穩(wěn)定并具備下列條件時施作：,隧道周邊位移速率有明顯減緩趨勢,水平收斂（拱腳附近）速率小于,0.2mm/d,或拱,頂位移速率小于,0.15mm/d,施作二次襯砌前的收斂量已達到總收斂量的,80,以

14、上,初期支護表面沒有再發(fā)展的明顯裂縫,時間,位移曲線形態(tài)（位移加速度,）,0(,曲線上凹,),，說明圍巖正處于危險狀,態(tài)，須立即停工進行加固。,圍巖內位移及松動區(qū),用多點位移計量測圍巖內部位移，并繪制各位,移計的圍巖內位移圖，由圖即能確定圍巖的松,動范圍，可與圍巖最大允許松動區(qū)半徑進行比,較，同時也可復核錨桿的長度是否滿足要求。,錨桿軸力,根據日本工程隧道的實際調查，錨桿的受力有,下列特點：,錨桿軸力超過屈服強度時，凈空變位值一般,超過,50mm,。,同一斷面內，錨桿軸力最大值多數在拱部,45,附近到起拱線之間的錨桿。,拱頂錨桿，不管凈空位移值大小如何，出現(xiàn),壓力的情況是不少的。,圍巖壓力,圍

15、巖壓力大，表明噴層受力大，這可能有兩種,情況：,圍巖壓力大但圍巖變形量不大，表明支護剛度大，或者支護時機過早，尤其是仰拱的封底時間過早，需降低支護剛度或者延遲支護和仰拱封底時機，讓原巖釋放較多的壓力。,圍巖壓力大，且圍巖變形量也很大，表明支護剛度小，此時應加強支護，以限制圍巖變形。,當測得的圍巖壓力很小但變形量很大時，則還應考慮是否會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。,噴層應力,噴層應力主要是指切向應力，因噴層徑向應力,不大。,噴層應力大，可能由于支護不足，亦可能是仰,拱封底過早。,噴層應力反映噴層的安全度，設計者可調整噴,層厚度。,地表下沉,:,下沉的影響范圍和下沉值,地表下沉曲線可用來表征淺埋隧道的穩(wěn)定性，,

16、同時亦可用來表征對附近地表區(qū)已建建筑物的,影響。,橫向地表下沉曲線如左右非對稱，下沉值有顯,著不同時，多數是由于偏壓地形、相鄰隧道的,影響以及滑坡等引起的。,三、反饋信息在設計、施工中的應用,評價圍巖的穩(wěn)定性,用圍巖的位移、位移速率及位移加速度的,反饋信息進行評價。,評價圍巖達到穩(wěn)定的標準，確定最終支護,時間及仰拱灌筑的時間。,調整施工方法與支護時機,當測得的位移速率或位移量超過允許值,時：,加強支護,調整施工方法,縮短臺階長度；,提前錨噴支護的時間；,提前仰拱封底時間；,對開挖面進行加固：如采用預支護（斜插錨,桿、鋼筋、鋼插板等）穩(wěn)定頂部圍巖，用噴,射砼及錨桿等穩(wěn)定掌子面。,調整錨桿的支護系數,錨桿的支護參數包括錨桿長度、直徑、數量,（即間距）及鋼材種類等。,錨桿長度應大于測試所得的松動區(qū)的范圍，,并留有一定的富裕量。,如果測試顯示錨桿后段的拉應變很小和出現(xiàn),壓應變時，可適當減小錨桿的長度。,當圍巖位移速率或位移量超過允許值時，一,般應增加錨桿的長度。如果拉拔力足夠時，,增加錨桿直徑亦能起到一定的效果，且施工,方便。,當錨桿軸向力大于錨桿屈服強度時，應優(yōu)先,考慮改變錨桿的材料，采用高