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毕业论文设计说明书1210

学号201014682313001

毕业论文（设计）说明书

新建地铁隧道下穿既有建筑、地铁隧道结构变形监测工作研究

变形监测工作研究

学生姓名

王伶俐

专业名称

土木工程（建筑工程管理方向）

指导教师

魏琴

网络教育学院

2012年11月8日

学号：

201014682313001

华南理工大学网络教育学院毕业论文（设计）

新建地铁隧道下穿既有建筑、地铁隧道结构变形监测工作研究

王伶俐

指导教师：

魏琴

网络教育学院

专业名称：

土木工程（建筑工程管理方向）

论文提交日期：

2012.11.8论文答辩日期：

论文评阅人：

第一章研究地铁隧道下穿施工监测的意义

随道我国经济发展，各地城市修建地铁已成为一项普遍性工程，多数城市地铁修建设计中受周围工程环境限制，地铁隧道结构需要穿越既有建筑物，既有铁路、地铁隧道，这种穿越性施工对于施工本身安全和被穿越的建筑、隧道结构均有较大的安全风险，如何及时有效的监控施工过程中既有建筑物、铁路及地铁隧道的安全，不影响各既有建筑物的安全，达到信息化施工与管理，保证施工安全顺利进行是一项重要的工作；目前国内在此方面的监测手段、监测方法及监测结果的判断分析上，各地之间、各项目之间水平不一，存在较大的差异，如果开展此项工作的调查研究、总结有效的、经济、安全的监测方法及手段，对于后续类似的工程项目具有重要的指导意义。

第二章隧道下穿建筑、隧道结构施工的风险分析

新建隧道在施工过程中，由于土方开挖、降水、土体压缩等原因，可能造成既有建筑物倾斜、沉降、开裂等病害，轻微的影响美观，较重的影响使用功能，更严重者影响建筑物安全。

如果新建隧道下穿既有地铁隧道施工，受上述施工过程中的影响，可能造成既有地铁隧道沉降、扭曲、渗漏水、进而影响地铁轨道几何尺寸，严重时直接危及行车安全。

一、新建隧道对既有建筑物的损坏风险分析

地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉。

一般说来，这种均匀沉降对于建筑物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响，但是过量的地表下沉，即使是均匀的，也有可能从另一个方面带来严重问题，如下沉量较大，地下水位又较浅时，会造成地面积水，不但影响建造物的使用，而且使地基土长期浸水，强度减低。

1、地表倾斜损害

虽然地层沉降本身对结构物不至于产生严重的损害，但是地层不均匀的沉降所导致的地表倾斜改变了地面的原始坡度，将可能对建筑物产生危害。

地表倾斜对于高度大而底面积小的高耸建筑物的均匀荷重将改变成非均匀荷重，导致建造物结构内应力发生变化而引起破坏。

对于普通楼房，即使不丧失稳定性，过量倾斜会使建造物的使用条件恶化。

某些大型精密设备在基础倾斜后，必须另行调平，以保证设备正常使用。

同时地表倾斜会改变排水系统和铁路的坡度，造成污水倒灌和影响铁路的运营。

2、地表曲率损害

由于曲率使得地表形成曲面，地表曲率对建筑物有较大的影响。

在负曲率（地表相对下凹）的作用下，建筑物的中央部分悬空，使墙体产生正八字裂缝和水平裂缝。

如果建筑物长度过大，则在中立作用下，建筑物的将会从底部断裂，使建筑物破坏；在正曲率（地表相对上凸）的作用下，建筑物的两端将会部分悬空，使建筑物墙体产生倒八字裂缝，严重时会出现屋架或梁的端部从墙体或柱内抽出，造成建筑物倒塌。

建筑物因地表弯曲而导致的损害时一种常见的开挖损害形式，这种损害与地基本身的力学性质有关，更主要的与开挖引起的地表变形有关。

因地表弯曲又不同，不同之处在于开挖引起的地基地弯曲时在开挖影响下自行弯曲，它是独立于上部结构所施加荷载的弯曲，在这种前提下，由于叠加建筑物自重的影响，便构成了弯曲损害。

3、地表水平变形损害

地表水平变形有拉伸和压缩两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲，屋顶鼓起。

由于建筑物对于地表拉伸变形非常敏感，位于地表拉伸区的建筑物，其基础底面受有来自地基的外向摩擦力，基础侧面受有来自地基的外向水平推力的作用，而一般的建筑物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸变形足以使建筑物开裂

地表压缩变形对于其上部建筑物作用的方式也是通过地基对基础侧面的推力与底面摩擦力施加的，但力的方向与拉伸时相反。

一般的建筑物对压缩具有较大的抗力，即建筑物对压缩作用不如拉伸作用敏感。

但是如果压缩变形过大，同样可以对建筑物造成损害，而且，过量的压缩作用将使建筑物发生挤碎性的破坏，其破坏程度可以比拉伸破坏更为严重，这种破坏往往集中在结构薄弱处爆发。

例如夹在两坚固建筑物之间的附加建筑物便有可能因地基的压缩变形而导致严重破坏

地下水管及煤气管对其轴向的地表水平变形也非常敏感。

在拉伸变形作用下，可以造成管接头漏气，甚至街头脱开；压缩变形可以使接头压入而漏损，严重的可以压坏接头，甚至使管道产生裂缝。

地表水平拉伸与压缩变形对道路也可以产生损害，如使路面开裂等。

同时铁路轨道可因拉伸而使接头破坏，因压缩而使轨线弯折。

对于桥梁，桥梁的活动支座可能需要更多的补偿位置，如果两端固定，则可能使支座与桥墩连接处发生破坏。

二、新建隧道对既有隧道的影响分析

新建隧道从既有线隧道下方穿越施工，可能造成地铁隧道渗漏水、开裂、隧道沉降、扭曲变形，、进而影响地铁轨道几何尺寸，严重时直接危及行车安全。

1、下穿过程中造成既有隧道渗漏水

2、下穿过程中造成既有隧道裂损

3、下穿过程中造成既有线隧道沉降变形曲线

以深圳地铁2号线下穿既有线4号线为例，该项目属于深圳地铁二号线东延线工程【福田站～市民中心站】盾构区间隧道在YCK26+264.747～YCK26+276.307段下穿运营中的地铁四号线【市民中心站～会展中心站】区间矿山法隧道。

该段隧道下穿地铁四号线时线间距15.197m，位于曲线半径R=700m平曲线上，并且左线27.435‰的坡，右线27.428‰的坡。

区间地段线路左右线坡度基本一致，过四号线所处的地形起伏不大，地面高程8.5m，隧道顶面埋深约19.58m，两隧道结构最小净距为1.567m。

深圳地铁四号线是深圳市目前正在运营的地铁线路，是深圳市主要交通线路。

列车运行频率高，人流量大，地铁二号线东延线工程【福田站～市民中心站】区间采用盾构法施工，管片外径6.0m，内径5.4m。

地铁二号线东延线工程【福田站～市民中心站】区间盾构始发端距离四号线仅6.542m，四号线矿山法隧道设计有锁脚锚管，长3.5m，受条件限制，市民中心站始发端头仅能加固2.7m。

为防止四号线隧道失水沉降，造成隧道受力增加，继而影响运营，

2号线盾构隧道与地铁四号线纵向位置关系图

根据监测方案与现场实际情况，四号线会市区间隧道内共布监测断面13个，棱镜监测点86个，人工复测水准点31个，收敛断面2个，轨距与差异沉降断面13个。

应变监测断面2个，应变监测点8个。

监测断面及监测点布置如图1~图3所示。

监测断面平面布置图

隧道水平收敛与拱顶下沉监测断面布置图（DM1～3，11～13断面）

下穿过程中监测既有线变形曲线图（摘录）

第三章隧道下穿建筑、隧道结构施工的监测方法

一、人工监测

沉降监测：

采用水准仪进行监测，并执行二等水准作业标准；

位移监测：

采用全站仪测量导线的方式进行；

二、测量机器人监测

测量机器人监测系统由五部分组成：

监测站、控制计算机房、基准点、变形点和测量机器人。

监测站：

根据现场条件，选择自动变形监测系统监测站。

该站需建观测墩，安置测量机器人，并保证有较好的通视条件。

控制计算机房：

控制计算机房一般选设在办公区附近，有较好的供电等条件。

机房内的计算机通过通讯电缆或数据电台和监测站全站仪相联。

在控制机房能实时了解监测站全站仪的运行情况。

另外，通过埋设于机房与监测站的专用电缆给全站仪供电并通讯。

基准点：

在变形区以外，需建至少三个稳定的基准点。

变形点：

根据实际需要，在变形体上选择若干变形监测点，每个监测点上安置有对准监测站的单棱镜。

数据采集结束，软件即可进行网的平差处理，获得控制网及监测点的最终成果，并以各种直观的图形、报表输出，从而轻松实现了从外业数据采集到内业最终成果输出的内外业一体化，极大地降低了测量人员的劳动强度，显著地提高了测量的工作效率。

该系统能自动评价测量成果、显示变形趋势，由数据库完成本期观测值与基准值及上一期观测值的对比分析后，输出变形点成果表、位移量成果表、位移量图和变化趋势图等。

三、静力水准、引张线仪监测

静力水准仪由一系列含有液位传感器的容器组成，容器之间由充液管相互连通。

基准容器位于一个稳定的基准点，其它容器位于与基准容器大约相同标高的不同位置上。

当测点容器相对于基准容器或任意测点容器之间产生沉降或隆起变化时，都将引起测点容器内液位的相应升高或下降，这样悬挂于液位传感器下面的浮子所受浮力便随之增大或减小，从而改变传感器的中心波长大小。

该系统特别适合那些要求高精度监测竖向位移的场合，可以监测到最小0.1mm的高程变化。

四、光纤光栅位移监测管

光纤光栅位移监测管为针对地铁隧道位移监测的新型仪器，该管由外径70mm、内径60mm、长4m的PVC测斜管连接而成，管体上的两个正交方向（即竖向沉降和水平位移方向），预制2个小槽，沿轴向布置2条光纤，每条光纤上串联多个光纤光栅传感器，制成光纤光栅位移监测管。

当隧道某处发生竖向沉降、水平向位移时，光纤光栅位移监测管受弯产生相应的变形。

此时，如果记录下各个光纤光栅传感器中心波长的前后变化情况，就可拟合出监测管表面的拉、压应变分布规律，再根据材料力学中曲梁理论公式，并通过数值积分，即可由应变求得各点在两个正交方向上的挠度，即获得监测管固定支座处各点的竖向沉降和水平向位移值。

必须要指出的是，由光纤光栅位移监测管测得的位移量是以监测管两端为基准点的相对位移量。

为了测得绝对沉降量，需要保证监测管的长度大于地铁隧道变形影响范围，或者采用其他测量手段测出监测管两端的绝对位移量，再进行修正。

第四章隧道下穿建筑、隧道结构施工的监测方法优缺点分析

上述各种监测方法有各自不同特点和应用优势及缺点，根据调研、资料分析综合各方面情况汇总各种监测方法的优缺点如下：

一、人工监测

优点：

监测费用较低，监测点布设灵活。

缺点：

监测精度较低，数据采集周期较长，无法做到实时监测。

二、测量机器人监测

优点：

监测精度高，数据采集周期短，能够相对实现实时监测。

缺点：

监测费用较高，对监测环境要求高，监测系统安装复杂。

三、静力水准、引张线仪监测

优点：

监测精度高，能够实现实时监测

缺点：

监测费用偏高，监测点布点受环境限制，只适用于高差变化不大，直线区段的监测工作，同时采集点数量相对较少，如果布设更多的采集点，费用测较贵。

四、光纤光栅位移监测管

优点：

监测准确度高，完全实现实时监测，同时能够一个测点上准确的测出三维方向的数据变化。

缺点：

安装过程复杂，目前技术尚处于发展阶段，光纤数据调解仪费用较高，偶发数据离散现象，受现场环境限制。

第五章隧道下穿建筑、隧道结构施工的监测结果的应用

针对以上调查研究和综合分析，在隧道下穿既有建筑、隧道结构施工时，监测方法的选择应因地制宜，合理选择适合的监测方法。

总结以下思路进行监测方法的选择：

1、对于地面沉降点，监测精度要求不高，监测频率不需要实时且变形监测点分布范围较广情形，监测方法宜选用人工监测方法进行。

2、对于地面局部监测精度要较高，监测点范围分布较小，监测数据要求实时，监测环境通视良好、受外界干扰比较小的项目，可考虑采用测量机器人监测方法进行，但在安装过程中，测量机器要采取防护措施，以防被盗被扰动等影响监测精度的事件发生。

3、对于隧道内监测，如果既有隧道结构处于平、直区段，且隧道侧壁各种附挂、配设备较少，可考虑采用光栅光纤监测或采用静力水准与引张线仪进行监测，但仅用于既有隧道内有通讯信号覆盖的情况下实施，同时在监测过程中应适当布设人工复核监测点，定期进行人工复核测量，发现并校正上述监测方法可能造成的粗差。

4、对于隧道内曲线段、坡度较大的区段，测适宜采用测量机器人进行监测，同时在监测过程中应适当布设人工复核监测点，定期进行人工复核测量，发现并校正上述监测方法可能造成的粗差。

5、各种监测方法各有益补，在具体监测过程中要结合现场情况和监测精度的要求，选择适合的方法，做到变形数据准确反馈施工情况，及时指导现场施工为原则。