地下工程结构信息的采集与应用

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1、!1;IJ工| l s s a APp i 铁道工程学报 J OUR N AL . OF R AI L WAY E NG I NE E R I NG S O CI E T Y S u p p le m e n t O c t o b e r 1 9 9 8 地下工程结构信息的采集与应用 戴务进 ( 北京城建工程研究院) 提共本文从地下工程结构特点人手， 分析了地下工程设计、 施工和运营阶段结构信息的重要 盆义， 提出了地下工程结构信息的概念， 讨论分析了各阶段结构信息采集的现状、 问屈及建议。 主厄询地下工程结构信息采集应用 地下工程是人们用工程的方法， 在土体或岩石等介质的包围之中， 建造自

2、己所需要的地下活动 空间或地下构筑物。高大建筑的深大基础， 一般也归于地下工程。随着城市建筑密度的提高， 同时 也为了做到合理地利用地下空间， 人们的注意力已经集中到地下工程， 而地下工程结构信息的采集 和应用， 随着地下工程建造技术 的发展 ， 也 日趋成为受人们重视的技术领域。 Z 地下工程结构信息的意义 地下工程由于埋于地下， 与地面工程相比有其自身的特点。 从结构设计上说， 地面结构是一个自由状态的作用体系， 受力是明确的、 已知的。 而地下结构是 其本身与周围地层密切相关共同作用的体系， 地下结构的外部荷载与地层的性质、 施工方法和支护 类型有着密切关系。因此 ， 地下结构的设计比地

3、面结构物更为复杂。为了做到正确设计， 必须用更 科学的方法采集与工程设计有关的各种信息。 从施工上说， ( 1 ) 地下洞室开挖， 破坏了围岩的原有平衡状态， 引起围岩力学性态的变化， 这种 变化的直接形态即围岩的变形， 它是各种有关因素综合作用的结果。 在靠近洞室的一层围岩向润内 位移后， 和其相邻的外层围岩由于应力调整也必然向洞内方向位移， 一直到达到新的平衡时才进人 初步稳定状态。 这种应力一一位移的交替变化会逐渐向远离洞室的部位发展， 对于浅埋地下工程来 说， 这种应力位移的交替变化会波及到地表， 造成地表下沉， 而在横向也会波及到一定范围， 形成沉 降擂。 这种洞室本身收敛和沉陷槽的

4、形成， 对地下工程本身和其邻近的地面建筑物都是一种危险因 素。因此， 量测围岩的收敛变形及引起的地面沉陷， 对于了解围岩稳定性， 确定对围岩的支护措施， 选择洞室的合理施工步骤以及判定地上建筑受影响程度都有重要意义。( i : ) 在地下洞室开挖中， 即 使在已经具备地下管网分布资料的情况下， 也难免出现一些预料不到的突发情况， 给施工造成威 胁， 例如北京某地下工程开挖中凿穿雨水方沟， 整个巷道及全部设备被淹没， 就是一个近期的例子. 因此对掌子面前方及其周围危险因素的探侧， 也是地下工程施工中信息采集的重要问题。 从运营中的正确维护上说， 地下工程投人使用后， 其衬砌结构并未进 气 一劳永

5、逸状态。做地下 城务进高级 工程师北京城 建工 程研充 院副院 长兼总工 怪师北 京邮绮1 0 0 0 8 增刊 地下工程结构信息的采集与应用 工程衬砌的混凝土或钢筋混凝土， 虽然是一种人造石， 但其工作性能随时间推移也将会降低甚至受 到破坏。研究有关资料表明， 地下工程投人使用后出现损坏的频率在3 0 年之前远远高于 3 0年之 后。形成损坏的原因有: ( 1 ) 因施工不善在混凝土中存在的蜂窝狗洞等缺陷， 使结构抗渗性能差， 防 水失效， 甚至造成漏水。( 2 ) 地下水中的侵蚀性介质， 地下贮存物中可能带来的侵蚀性， 设备废气的 馒蚀性等， 会使地下工程结构受到化学性侵害。混凝土集料溶胀

6、， 混凝土温度突然大幅度下降而受 到热展， 混凝土因高速水冲的硬性破坏、 冻害等因素， 会引起地下工程混凝土结构的力学的或物理 性的侵害或破损。所有这些损害的存在， 会降低地下工程结构对围岩的支护能力、 对地下有害气体 和介质侵人的防护能力、 防水能力， 严重时会使围岩失稳， 结构破坏。为说明这一点， 现引入日本道 路协会九十年代初对其国内七百多座隧道衬砌进行调查的结果， 其病害种类及分布如表 1 ; 表I 病 害 原 因 或 种 类出 现 频 率% 补川37制6.8渊脚脚0903刘 ，: 罗巧50撇别21?2盯 使用年代过长 承 受 不 对 称 土 压 力 挤压( 土压力) 承 载 力 不

7、够 衬砌背后空洞5 0 冻 结 损 坏 清坡运动引起的损害 异 常 水 压 力 酸性水引起的混凝土损害 相邻建筑物施工的影响 其 它 综上可指出， 地下工程由于隐藏于地下， 情况复杂， 难于直观， 在其设计过程、 施工过程乃至投 人使用后的结构维护过程中， 从结构安全和正常使用角度出发， 都要对其有关的数据和情况进行采 集， 并根据采集到的数据和情况采取相应的工程技术措施。 因为这些数据和悄况， 都与具体的设计、 施工 和结构维 护存 在着一定的必然联 系， 因此， 我们可 以把它 们统称 为“ 结构信息” 。信息 化已成为 当代地下工程技术 实践 中和今后发展 的重要 内容 。 2 地下工程

8、结构信息的种类及采集方法 2 . 1 设计阶段的结构信息主要是地下工程所在部位的工程地质、 水文地质资料， 土层或围岩的物 理力学特性， 据以确定地下结构所承受的荷载、 施工方法， 并根据周围介质的侵蚀作用， 选择结构所 用的材料 ， 特别是水泥。 这些信息的采集手段， 现在仍主要是以钻孔为主的地面勘察。随着物探技术的发展， 地球物理 层折成像技术逐渐被用于工程勘察中。 这种技术一改过去一 孔之见” ， 能使人从图像上直观地看到 围岩内部的立体信息， 并能降低 钻孔数 量和探测费用 ， 引起 人们的兴趣 。在我国建筑抗屁设计规范 铁道工程学报 1 9 9 8 年 增 刊 中， 对物探方法的采用

9、已有规定。 另外， 基于勘察资料而进行的结构设计以前是先于施工进行的， 设计和施工是彼此衔接的不同 阶段。 这种设计方法的本质是把地下工程周围的介质( 土层或围岩) 看成是静止的， 其对地下工程的 作用也是静止的， 它忽略了由于洞室开挖在土或围岩中所产生的位移应力重新平衡现象， 也未考虑 洞室支撑结构和土层的共同作用， 因此， 随着岩土理论和施工技术的发展， 这种传统设计方法逐渐 被“ 信息控制法” 所代替。“ 信息控制法” 是由现场侧试数据和工程调查资料作为信息去控制衬砌设 计和施工方法， 并经历一定的反馈过程。 现在广泛用于软岩开挖的“ 新奥法” 和在硬岩地层中开挖的 “ 娜威法” ， 其

10、主要思路都是基于这种“ 信息控制法” 。 2 . 2 施工阶段结构信息的的采集一般称之为监控且测， 即通过对施工中各种结构倍息的.测， 实 现对施工过程的监控， 以达到保证施工安全和施工质t的目的。 就近年来在北京地铁施工中所进行的测试工作为例， 施工阶段结构信息采集的主要种类有: ( 1 ) 地面沉降量测和地表水平位移量测， 是用精密测量的方法， 监视地下施工对地面影响的大 小及其影响范围 ， 特别是对周 围高大 建筑 物影响, ( 2 ) 洞内衬砌结构应力应变测试 和洞 内收敛测 试， 是为了监视初衬喷射混凝土结构的应力和变形情况， 以便调整支护参数和施工方法。 应力侧试主要 用焊于结构钢

11、筋上的振弦式钢筋计测结构钢筋的应力， 收敛测试主要用收敛计测拱顶下沉、 洞内收 敛等, ( 3 ) 地中沉降、 地中水平位移、 地中土压力测试是为了监视地下结构洞室周围介质的位移变化 及其对地下工程衬砌结构的作用荷载， 主要用于地铁车站施工， 特别是明挖车站施工中。使用的仪 器设备主要是测斜仪、 分层沉降仪、 压力盒等。 各项施工监测的进行主要是参照我国“ 地铁隧道喷锚 构筑法技术规程” 办理。 施工阶段信息采集工作， 一般因点位多， 现场实测量大( 如在北京地铁复八区间插刀盾构试脸 段施工中， 地面沉降观测点沿结构中线每 1 . 5 m布一排， 每排在横向又布置十几个测点) ， 同时， 在

12、地面施测， 受车辆行人的干扰， 在洞内施测受施工的干扰， 工作条件差， 施测时间往往滞后于需要。 为改变这种状况， 一些新的设备和方法正在开发之中， 如在地面沉降量测中， 已开发出激光找平仪， 这种仪器可多点同时量测， 量测速度快， 马路上车辆振动、 声光讯号对量测没有影响， t测精度满足 要求。 对结构位移量测中， 在北京城建集团， 已开始引用一种基于连通管原理的多点垂直变形仪， 使 用这种仪器， 观测频率可按要求设定( 如 北京某工程， 其读数间隔设定为1 5 分钟) ， 并可实现数据的 自动记录 、 自动分析。 施工中开挖前方危险性的超前预报是本阶段结构信息采集的另一个重要组成部分。超前

13、预报 中监视的主要对象是掌子面附近的微观工程地质、 水文地质、 岩层破碎风化及各种不明掩埋物等。 主要方法是由富有经验的工程技术和地质专家对开挖工作面情况进行观察， 用地质素描的方法记 录开挖工作面的状况， 进而对其稳定程度作出总体评价， 据以采取相应支护措施。 这在我国“ 铁路隧 道喷锚构筑法技术规则” 中已有规定。 另外， 为了进行这项超前预报， 基于物探技术的有关仪器也正 在开发之中。 超前预报能使地下工程由盲目开挖改变为在信息指导下有控制地科学开挖， 能大大提 高施工进度， 确保施工安全， 提高经济效益和社会效益。这种预报在我国隧道开挖中已较好运用。 23 使用阶段地下工程结构信息的采

14、集 岛 蕊一 、， 增刊 地下工程结构信息的采集与应用 为了监视地下工程衬砌结构在长期使用中的缺陷， 特别是在长大地下工程结构中能随时或定 期进行这种监视， 现场直接取样的方法显然是不够了进人九十年代后， 为满足地下工程维修的需 要， 实现地下工程维修工作的信息化， 国际上开始了对地下工程非破损快速检验适用技术的研究。 在长大地下工程中进行非破损检验的先决条件是: 所采用的方法能在地下工程运营条件下， 在 尽可能短的时间内对整个地下结构衬砌状况提供描述， 而不需要移动运营设备， 不影响正常运营。 目前， 用于探测地下工程衬砌状况的非破损检验技术主要有: ( 1 ) 激光轮廓线测定和立体摄影技术

15、。这种技术能按有规律的时间间隔， 以足够的精度测定已 知点结构衬砌的内剖面， 监视衬砌结构的变形。 ( 2 ) 机械振动技术。 借量测因人工振动在结构上引起的反应， 并与完好区段对比， 发现结构内部 的缺陷。 ( 3 ) 电子和电技术。其中迷流法、 电位势法能探测结构钢筋的位置及其腐蚀程度。地质雷达具 有较强的穿透能力， 能探测结构内部的裂缝、 空洞及受潮等缺陷， 并能实现对长大地下工程的快速 非破损检测。 ( 4 ) 光学技术。包括红外线摄影技术和多光谱分析技术。其方法是对结构表面进行拍照， 借分 析照片的异常变化， 以揭示那些肉眼看不到的结构缺陷。基于这种技术设计制造的扫描仪， 对隧道 的

16、探测速度 可达到大约 4 k m/ h， 可实现快速探测。 关于混凝土结构非破损检验 ， 现 在市 面上 已有不少类型的仪器出售， 审值地选购井合理地应用 这些仪器， 会提高我们对混凝土结构的非破损检验能力。 现在， 人们已普遍认识到对地下工程投入使用后 监视 检测 的重要意义 ， 在 一些发达国家 ， 对此 已开展了较为有效的工作。 在法国， 用非破损检验方法对公路隧道等地下工程进行定期检查始于八 十年代中期。 1 9 8 7年， 对里昂东部一个竣工不久的长3 l o o m的公路隧道， 用地质雷达探测衬砌背 后的空洞深达 1 -7 m. 根据探测结果， 对衬砌背后进行了补充注浆。其他很多国家， 对使用中的地 下工程结构均注重平时定期 检查。在我国， 有的城市( 如上海) 对地铁 隧道每年检查 两次或三次 ， 检 查 主要是用人眼直接观察 。 3 数据处理和信息反馈 在施工现场用量测手段采集到的各种地下工程结构信息( 即原始数据) ， 具有一定的离散性， 包 含着偶然误差的影响。往往有这样的情形; 现场虽然进行了测试， 但工程师们或者不能正确解释这 些量测结果的含义，