地下工程测试技术与反分析

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1、奋谬煎牌 地下工程测试技戎与反分析 朱合华丁文其杨金松 心公份了霆 ( 同济 大学地下 建筑与 工程 系， 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 提要】 C 关链词】 本文分别介绍了I ; G 地下洞室、 墓坑工程及质构隧道工程的各种测试技 术以及各 片相应的反分析方法。 然后分V ) 给出了基于以上方法的岩石绝 下洞室、 基坑工程及质构隧道工程的实例分析。最后本文叶地下工程洲 试技术及反分析方法的发展进行了讨论. 岩石地下洞室基坑工程质构随遗蚤浏信息反分析 地下工程测试技术与 反分析综述 1 . 1 地下工程测试技术 本文所述地下工A包扛坦下洞室工程、隧道工程以及基坑工程 属 饭 是反分析的基

2、础 地下工程的量测信息 在岩土龙层中按A 5 量测信息的类型,可分为三大类 :应变量测、应力 压力) 量测和位移量测 有关的量测、 在城市软土地下工程中，又根据量测范围将量测信息分为与结构 与周围地层有关的量测和与周围环境有关的量测三大类。 下面分别予以介绍。 ( 灼 岩石地下洞室的量测 技术 应变量测 用于量测应变的传 感器有电 阻应变片、光弹应变计、 等多种。在围岩应变量测中 常用的是电 阻应变片和千分表， 钢弦应变计和千分表 主要用来量测由开挖引起的洞 室表面上围岩应变 通常可用于量测域内围岩应变的仪器有岩石钻 孔三轴应变计等， 通过 适当变换可以求岩石初始地应力。 此外，可采用? .

3、a应变片 量测 衬砌结构在 受力变形过程中的变化值。 接粘贴在 钢筋上量测其表面应变 供依据 将电阻应变片直 ， 通过结构应变的量测值得到其内力，进而为反演分析提 位 移 毓 一谍 1髯 背 全撬黯默J瑟 篡 髻 警 翼 翼 黔骂 黑 敲 矍 西 r 方 式 与 洞 室 形 状 和 尺 寸 有 关 。 域 内 位 移 场 位 移 量 测 一 般 采 用 位 移 计 ， 分 单 点 式 和 多 点 式 两 子 , 手 要 用 来 I m m , 岩 径 向 位 移 多 点 位 移 计 有 电 测 式 和 机 械 式 ， 前 者 灵 fik 度 高但 读 数 易 宅 周 围 环 境 影 称结 果

4、不 o a f : 而 后 者 读 数 精 度 虽 不 高 ， 但 读 数 较 稳 定 实 际 应 用 中 两 者 岁 以 互 补 多 点 位 移 计 的 i i 大 测 深 为 “ D o m , 用 于 量 测 围 岩 变 化 时 ， 一 般 选 用 量 测 深 度 为 6 - 。 。的多点位移计;用于量 9 地表下沉量时可选用量测深度大的多点位移计。 应力y _ 测:应力信 息可 分为扰动 应力、接触应力和构件内力1 乱 息 三类。 扰动 应力指由 1fesJ，诬口，JJJ比， E “ - r为心洲，肉，勺扣 洞室开挖引 起的围岩应力的变化量， 可以 采用包体应力计法、 格鲁吉尔 G L

5、 O S G T Z L )液 压盒及压磁应力计探头 测量法来量测。格鲁吉尔液压盒亦可以 用于测量喷混凝土 层内的应 力和喷射混凝土层与围岩接触面土的荷载 ( 2 )基坑工程测试技术川 荃坑开 挖过程中的现场量测信息是设计、 施1 _ 的一 个重要方面, 也是 保证工程施工安 全的 一个必不可少的手段 通过合理准确的j += T lli 控量测. 不仅可以 进一步优化设计方案， 指导施丁，而且可以实时监控基坑工程的1.7 定性状1兄_基坑工程现场监测工作主要包括以 下三个方面 与围护结构有关的量测: 其主要量测项目 有R 7 护结构的 水平 位移、 垂直位移及 弯矩， 围 护墙一 肯的侧向土压

6、力和孔隙水压力，内支祥结构的拍力和弯矩等。鉴于其量测结果的可靠 性，它也成为反演分析的一个主要数据源 与周9地层有关的量测:内容主要包括基坑周T地表沉降、水平位移等 与周围环境有关的量测:内容上要包括2 ! 日建筑物、道路的沉降和水平位移，周围建 筑物的倾斜和裂缝等 乖直位移观测方法主要是精密水准测量. 不宜夹用三角高程 在一个测区内， 应设 3个 以 上基准点， 其摹准点宜设 置在 距基坑开挖深贡3 信的l i l 离以 外的 稳定地方。当多个深大 基坑同 时开挖施 工时 基准 点要组成网型. r谈万开 笼方法进行平差。 统计求得稳定点. 计 算观测点的 垂直位移及 评定精度;平面位移倪 几

7、 一 段采用 经纬仪及 规牌、 或是带有读数尺 寸的砚牌， 基座都应 有光学对中 v .以提离利 中精度. 一般有 小角度 法和视准线法等光学 常孔 仪器 量测、 测斜仪 量泪及并联式钻孔位移户于刊 毕 月的土压力协悠群主几子犷碗 泣 肛城、 U l二 _ ;4 ; 水压力利; 3 孔 隙水压力传 悠器爪 冲 叮 ， 常- , .孔户 型) 、 钢弦式 ( G K lls) 及电感a 频式 P S l X 1 1 _ r ,;: n土压力利用土压力传感器量测. 三 、 与Y 1 于 ;及电感 ir领式( B TY) 二刀传感器主要fi I 双管液压式 (s 护结构及支撑轴力和弯矩的量测一般 采

8、用钢弦式应力传感器、拉锚传感器或顶撑压力传感纂_ ( 劝 盾构隧道测试技术 与盾构衬砌结构有关的量测:内容主要包括衬汽结构的轴力、弯矩 管片接头相对位移。周围水土压力等 隧道收 敛变形及 与后构隧道周围地层有关的袄测内容主要包括坦衣沉降、地层深层位移等 隧道收敛变形采用收敛汁号测，管I , 托头相讨位移可采用螺旋测微计量测.可用来评 定管片接缝的张 开情况、其余兰测方法基本同基 坑工俘的测试 I2 地下工程反分析 反分听方法可分为正反分析法和逆反分析法两丈 一般通过不 v 修 正未知数的试协匾;近和求得优化解 有程序进 行计算、便于处理各种类 j 的反分析问理. 用性强后者为正分析的逆过程;

9、卜 算过程简争. 佑戈 适用性差 1 )岩了地下f -l 室 反分析- 岩 石地T ; i= 1 室反分折方法l有弹h .一乙 ， 二 生 计算法.弹-v i11 , 问题初始地应力及地层特性参议流 9 8 者为正分析计算的优化逼近过程 计算机运算时间虽长，但可利用原 并可用于各类非线性间题的分析 龙建立求逆公式和编制相应的程 f 1 1 坦1 E. : 、5 值) 值反演确定的数值 反演确定的优化 反分 醉 析法，以 及粘弹性间题初 始地应力和地层特性参数值反演确定的统一 数值解法等。方法中 不仪 有二维问题的反演计 算法，而且有三维问题的反 演计算法; 初始地应 力的分布规律不 仅可 为均

10、布应力场，而且 可为 按线性规律分布的应力场; 反演计算的目 标未知数不仅可为 初 始地应力， 而且可为地层材料特性参数值。 据以 进行反演计算的现场量测信息不仅可为 位移量信息， 而且可包括扰动应力 增Mt测信息 等 ( 2 )基坑工程反分析 基坑工程反 分析方法主要有土体 性态 参数确定 的二维或三 维优 化反分析法，一维弹 性地 基梁 水土压力 及基床系数的 优化反分析法以及基 坑工程系 统反演分析3 ? 等。前两种方法 一般 利 用量测数 据， 建立目 标函数， 通过优 化方法求解; 后一 种方法将土体 与围护 结构 视为一系统， 并将系 统的 宏观表 观量 如变形随时间演化的 过程视

11、为 动态过程或 随机 过程， 并应用 相应的 系 统学 力 一 面 的理论与方 法来研究基坑工程系统演 化发 展的规 律。这 些理沦和方 法包括 灰色 系统 理论、时间序列分析、概率测度分析、统计分析、神经元网络理沦和混沌理论等。 ( 3 )盾构隧道反分析 除地 层特性参 数值反演确定的二 维或三 维优化 反分析方法外， 有衬砌管片 水土 压力反演 确定的反分析法闭， 该方法根据衬砌管片的内力量测值， 如轴力和弯矩， 在一维梁一弹簧模型 或梁 接头模型的 基础上 ， 和用单纯形最优化方 法推定作 用在衬砌结 构上 的外 加水土压 力。 其 外 加水土压力的 分布模式 沿水平和垂直方向随 作用位

12、置的 不同假设 呈抛物线型变化。 噜 地下工程测试技术与反分析的工程应用 2 . 1 岩石地下洞室反分析 拉 西瓦 水电站位于青海 d 贵德县境! 7 , 没有 宽5 9 . 2 了 m， 长2 ,; S, . -1 3 m的大 型地下厂房。 为了预 测其在开挖过程中 和砰 挖后洞室(2)假设初始地应力由自重应力场和均布构造应力场组成，并将岩体弹 性模量 取为由现 场试验获得的值 反I确定 构造应力 分量， 据以 得到沿竖向按线性规律分 布的初始地应力场;( 3 )同时输) 、 位移和找动应力增量Iq测位。反演确定弹性模量和初始 地应力场的 分量。限于篇福， 文中 未列出反 演计p 采用的围岩

13、位移、洞周收敛位移和扰动 应力增量的量值和位置 ( 可参见文r p. , F F , ) . 其单元划分及空间坐标系示于图 ， 计算结果 汇总于表I 仰角为正，反之为负) 反演计算结果 ( T h r 。 引 月 体 d b , , k , - I y , i , ) 表 I A Z L - , _ 7 11 r f 纠 ， ， 工况(一 “ - 力分梦人 t P a l 犷占二 M与户 ( 1c gym :, 怂 笔 与。 轴方向 央 角 !角 度)( 度) 一一 刁一 8 8 . 8 3 S 3 3 . 0 9 W 1 . 1 5 1 1 . 4 1 w 8 9 . 1 8 . s 5 6

14、g l E 一._46 5 6.278 7.04IN 88.88E : 。: 7 N 4 0 . 2 S W 弹模 ( E(M P . ) 臀 倾角度 引托三，如悦 1肠ILeses|J 一扭 比一哭 竖 向初 始 地 应 力等 于 实 测 应 力 ， 位 移 取为 实 测 值 、 反 演 弹 校和 其余地 r7.= f7 袋 _ ym # A F iN N 值.自 重 应 力 场 己 知 、 反 演均 布 构 1. 1288. 81G. 42 273 90 1 0 !，一 276 90 1众 2 禧 跳丽 沈 ; , ,三 夕 一 红 产 月 位反 演 ? I 模 iv地 应 忿 一爪升 :

15、 : : 4 (, W I 。 。 ， 16.53X“ 88.83一 7009 X0.2S57. i5E 0. 74 N; 石 7 1 ; 5 丁_ _ 弓 0 ; 0 竺 p = 2 0 k N I m 2 2 基坑工程反分析 上海外滩金融中心基坑采服坦 F 连续墙作为围 护结构，如R d z 所示: 地下连续握和支撑结构的弹摸 分别为2 _ s x I o k l a , 2 . s ? : 2 , k P .: 有重均为2 5 k / m : 第一、 第二和第三道铭筋昆 提土支撑的等效截面 积分别为 。 ， 。 3 5 mz / m 、。 . 火6 丁 二一m 和。 . 叫6 7 n l

16、 少 / 。 有限元计算域长1 2 0 m ( 3 l m基坑内. 9 0 m在基 坑外) . 深En 采用四 边形单元“ r . P, r: 取的9 粼信 A 架! 1 i : . . 吮 健 少及共一 、 脸 _ 获: 不 ; 袱二E l u， 采川这类r _ - 于种k ; 假F u h , “t 学校 7 系-c 9 9 7 t . ! I l i7 - : 解决1时间欢应间题，若能将系 统反演理论与有限兀分析结u起来.建立可以反映系统的空问状态变化的分析方法将会 给地 厂 工程反分析理论和技术祖人新的活力 参考文献 黄运飞.深墓坑工程实用技术. 北京兵ZL业出版社，工 P 9 ti 杨林德等.岩土 I . f lv r= 1 须的反演理论与工科践北京科学_ B 版社1 9 9 5 熊柞森丛坑系统动态恢式的非线