第十二章 监控设计法

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,历史使人明智；,诗词使人灵秀；,数学使人周密；,自然哲学使人深刻；,伦理使人庄重；,逻辑辞学使人善辨。,培根,第十二章 监控设计法,第十二章 监控设计法,12.1,监控设计原理,原理：,通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息（数据），再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计参数和施工对策。,监控设计通常包括两个阶段，即施工前的预设计阶段和修正设计阶段。,施工前的预设计,，是在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上，应用工程类比法进行。,修正设计：,根据现场监控量测所得到的信息进行理论解析与数值分析，对围岩与支护结构稳定性做出综合判断，得出最终合理的设计参数与施工对策。,监控设计的主要环节包括：,现场监测,数据处理,信息反馈三个方面。,现场监测,:,制定监测方案,确定测试内容,选择测试手段,实施监测计划,数据处理：,原始数据的整理,明确数据处理的目的,选择处理方法,提出处理结果,信息反馈：反馈方法：理论反馈和经验反馈,反馈作用：修正设计和指导,施工,12.2,监控设计的现场量测,一、量测目的,提供监控设计的依据和信息。,掌握围岩力学形态的变化和规律,掌握支护结构的工作状态,指导施工，预报险情,做出工程预报，确定施工对策,监视险情，确保施工安全,校核理论，完善工程类比方法,为理论解释，数据分析提供计算数据与对,比指标。,为工程类比提供参数指标。,为隧道工程设计与施工积累资料,二、监测项目分为应测项目（,1,4,）和选测项目,（,5,11,）,肉眼观察,岩体力学参数测试,应力应变测试,压力测试,位移测试,温度测试,物理探测,三、现场量测计划,量测项目的确定及量测手段的选择,必测项目,A,类量测,选测项目,B,类量测,量测断面的确定（量测间隔）,单一测试断面,综合测试断面,测试间距,净空位移、拱顶下沉的测点间距,条件,量测断面间距（,m),洞口附近,10,埋深小于,2B,10,施工进展,200m,前,30(,土砂围岩减少到,10m),施工进展,200m,后,30(,土砂围岩减少到,20m),地表下沉测点布置,注：,当施工初期、地质变化大、下沉量大、,周围有建筑物时取低值。,表中,B,为隧道开挖宽度。,覆盖层厚度,H,测点间距（,m),H2B,20,2BHB,1020,HB,510,量测仪器（测点）的布置,净空位移量测的测线布置,围岩内部位移测孔的布置,锚杆轴力量测的锚杆布置,喷层（衬砌）应力量测布置,格栅（钢架）应力量测布置,地表、地中沉降测点布置：软弱破碎围岩、,覆盖层小、大跨度。测出扰动范围、最大沉,陷量、地表沉陷倾斜程度。,围岩压力量测测点布置,一般埋设在拱顶、拱脚和仰拱的中间。,量测仪器（测点）的安设与量测频率,尽快安设，并测出初读数,尽量靠近掌子面,12.3,量测数据的处理,量测数据随时间的变化规律,时态曲线（时间效应）。,量测,数据变,化速度,随时间,的变化,规律。,量测数据与距离之间的关系曲线,空间效应,此外，还需进行回归分析，找出测试数据随时间变化的规律，并推算出测试数据的极值，为监控设计提供,重要的信息。,一、绝对位移的换算,图中有关系式：,式中 、,i,，,j,两测点绝对位移的,水平和垂直分量,i,，,j,联线与水平方向夹角,基线,ij,方向的收敛值,当隧道拱顶点及两侧边墙中点（或墙角附近）布置成闭合三角形收敛量测基线时，有：,令 ，,则上式变为：解上述方程组可得：,二、回归分析,一元线性回归方程：,求回归系数,a,，,b,的方法有,选点法、图解,法、平均法和最小二乘法等。,最小二乘法原理：,观测值,的,改正数的代数和恒为零，即,观测值的改正数之平方和为最小，即：,对于,根据微分学中求解极限值的原理，要使上式达,到最小值，则分别对回归系数,a,，,b,进行偏微,分，求其偏微商并令其等于零，即：,解上式得：,回归精度为：,式中 ，,n,为量测次数,同理，对方程，有：,解上式得：,回归精度为：（剩余标准离差）,一元非线性回归方程,一元非线性回归分析步骤：,选择能代表变量,x,与,y,之间内在关系的函数,类型。,求出变量,x,与,y,相关函数的未知量。,经过剩余标准差分析，感到精度不够理想,时，则可另选一种曲线函数按照上述步骤,再进行重新分析。,目前隧道工程中常用的一元非线性回归方程有：,对数方程,：，,，,指数方程,：，,双曲线方程,：，,幂函数,：,求解回归系数,a,、,b,的方法有：,化成直线型的变量代换法,将一元非线性回归方程作适当的变量代换,后，对新的变量作线性回归，然后再还原,到原来的变,量。,例如对对数方程 进行变量代,换，设 ，则,回归系数 ，当,a,求出后，对数方程即可确,定。,它的位移速率表达式为：,令 ，作为衡量围岩与初期支护共同变形达到基本稳定时的标志，则达到 值所需要的时间 （收敛时间）为：,例如：,将 取为自然对数：,令 ，,则有,，即为线性方程。,两倍时差法,对如下指数函数方程，取两个点,，,当量测时间时 ，则可采用两倍时差法求,解回归系数,a,、,b,值。,由上面两式得：,解得：,单因素优选法,原理：逐渐选取回归系数,a,、,b,值，用回归精度,控制，当达到最高回归精度时，其相应,的回归系数即为所求之值。,例：令 ，,则 为线性方程,求解步骤为：,在方程,u=f,（,a,b,t,）,中令 （为初始值，,可取任意值，一般取,=1,），,并令 ，则,u=f,（，,y,），,为线性方,程。,计算 ，则回归方程为,u=f(,t),回归精度 （剩余标准离差）,再令,（为步长系数,可取（，）,计算 ，。,同理可求得 ，,，,，,，若其中 ，则相应的 ，即为所,求之回归系数值。,例,1,下表为某隧道拱顶下沉量测数据，现采用两,倍时差法求其位移函数表达式。,取,，,则位移函数方程式为：,量测时间,第,8,天,第,10,天,第,12,天,第,19,天,第,34,天,拱顶下沉量（,mm,）,0,12,13,14,15,量测间隔（,d,）,0,2,4,11,26,例,2,某隧道初期支护后，采用单点杆式位移计,测得隧道侧壁,A,点处随时间变化的绝对位移值如下,表所示，现采用三种回归方程与所绘出的散点图,进行拟合，计算结果为：,对数方程 ，,指数方程,量测时间（,d,）,2,5,10,20,30,40,50,60,70,测得的位移值,u,（,mm,）,3,10,17,23,24,25.5,26.5,27,27.9,双曲线方程,最佳回归方程为,指数方程,。,对于一组量测数据进行回归分析时，通常选取几个（一般为三个）适当的回归方程与它拟合，对比要用相关系数,r,值来选取与散点图拟合得最佳的回归方程，即当相关系数,r,愈接近,1,时，回归效果最佳，回归方程与散点图的拟和程度也就愈好。,相关系数,r,用下式计算：,12.4,信息反馈,反馈方法：,理论反馈法,和,经验反馈法,一、理论反馈法,根据现场量测信息，推求设计计算参数分为直接反馈法和间接反馈法,直接反馈法,正算法,按工程类比法确定计算参数。,用理论解析法或数值分析法求解隧道周,边的位移值。,计算值与实测值进行比较，当两者有差,异时，应修正原先假定的计算参数，重,复计算直至两者之差符合计算精度时为,止。,采用最后的计算参数进行同样条件下隧,道设计。,间接反馈法,逆算法,根据隧道施工中量测到的隧道周边位移值，,用数值分析方法来反算出主要的计算参数，并以,此进行隧道支护结构的设计计算。,推算侧压力系数,假定地层为各向同性的线弹性介质,量测信息：拱顶下沉量 ，,侧壁中部水平位移,利用弹性力学中带圆孔薄板的圆孔周边外,径向位移计算公式有：,有：,整理后有：,而 ，代入即可求出 ，进而求,当 已知时，可求,推求弹性模量,E,当 、为已知时,或,假定初始地应力,，,由实测的隧,道周边量测的位移值，采用位移联图反分析,法，推求 及,E,值。,采用地应力系数法求解三维空间状态下初始地,应力值,二、经验反馈法,将量测的信息与判别准则进行比较。,允许位移值,所谓允许位移值是指在工程的全过程中，,在保证围岩不产生有害松动，地表不产生,有害沉降（指浅埋隧道）条件下的最终位,移量的数值范围。,允许位移值，即变形预留量的控制标准。,影响隧道周边位移量的大小的因素：,原始地应力,开挖方法：全断面一次开挖比台阶法开,挖最终位移量要小。,开挖速度,;,特别是距离量测断面为,2,倍隧道直径,范围内的开挖工作面，其开挖速度对量测断面,处的最终位移值的影响最大，开挖速度快最终,位移量小，反之则大。,支护时机：及时支护比延迟支护变形量小，反,之则大,支护方式,:,预支护后再开挖可使最终位移量减少,4,倍，并使位移停止时间缩短。,确定适宜的允许位移：应根据已建工程的工程,类比初步确定出范围后，再根据现场量测结果的,统计分析和工程实际情况进行修正。,位移变化速率,位移变化速率是用每天位移量来表示的。,位移速率的收敛状态可表明隧道周边位移趋于,稳定状态。,铁路隧道喷锚构筑法技术规则,中规定：复,合式衬砌中二次衬砌应在围岩和初期支护变形基,本稳定并具备下列条件时施作：,隧道周边位移速率有明显减缓趋势,水平收敛（拱脚附近）速率小于,0.2mm/d,或拱,顶位移速率小于,0.15mm/d,施作二次衬砌前的收敛量已达到总收敛量的,80,以上,初期支护表面没有再发展的明显裂缝,时间,位移曲线形态（位移加速度,）,0(,曲线上凹,),，说明围岩正处于危险状,态，须立即停工进行加固。,围岩内位移及松动区,用多点位移计量测围岩内部位移，并绘制各位,移计的围岩内位移图，由图即能确定围岩的松,动范围，可与围岩最大允许松动区半径进行比,较，同时也可复核锚杆的长度是否满足要求。,锚杆轴力,根据日本工程隧道的实际调查，锚杆的受力有,下列特点：,锚杆轴力超过屈服强度时，净空变位值一般,超过,50mm,。,同一断面内，锚杆轴力最大值多数在拱部,45,附近到起拱线之间的锚杆。,拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现,压力的情况是不少的。,围岩压力,围岩压力大，表明喷层受力大，这可能有两种,情况：,围岩压力大但围岩变形量不大，表明支护刚度大，或者支护时机过早，尤其是仰拱的封底时间过早，需降低支护刚度或者延迟支护和仰拱封底时机，让原岩释放较多的压力。,围岩压力大，且围岩变形量也很大，表明支护刚度小，此时应加强支护，以限制围岩变形。,当测得的围岩压力很小但变形量很大时，则还应考虑是否会出现围岩失稳。,喷层应力,喷层应力主要是指切向应力，因喷层径向应力,不大。,喷层应力大，可能由于支护不足，亦可能是仰,拱封底过早。,喷层应力反映喷层的安全度，设计者可调整喷,层厚度。,地表下沉,:,下沉的影响范围和下沉值,地表下沉曲线可用来表征浅埋隧道的稳定性，,同时亦可用来表征对附近地表区已建建筑物的,影响。,横向地表下沉曲线如左右非对称，下沉值有显,著不同时，多数是由于偏压地形、相邻隧道的,影响以及滑坡等引起的。,三、反馈信息在设计、施工中的应用,评价围岩的稳定性,用围岩的位移、位移速率及位移加速度的,反馈信息进行评价。,评价围岩达到稳定的标准，确定最终支护,时间及仰拱灌筑的时间。,调整施工方法与支护时机,当测得的位移速率或位移量超过允许值,时：,加强支护,调整施工方法,缩短台阶长度；,提前锚喷支护的时间；,提前仰拱封底时间；,对开挖面进行加固：如采用预支护（斜插锚,杆、钢筋、钢插板等）稳定顶部围岩，用喷,射砼及锚杆等稳定掌子面。,调整锚杆的支护系数,锚杆的支护参数包括锚杆长度、直径、数量,（即间距）及钢材种类等。,锚杆长度应大于测试所得的松动区的范围，,并留有一定的富裕量。,如果测试显示锚杆后段的拉应变很小和出现,压应变时，可适当减小锚杆的长度。,当围岩位移速率或位移量超过允许值时，一,般应增加锚杆的长度。如果拉拔力足够时，,增加锚杆直径亦能起到一定的效果，且施工,方便。,当锚杆轴向力大于锚杆屈服强度时，应优先,考虑改变锚杆的材料，采用高