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1、第一章 绪 论 讲师：李 晓 乐一、概 述 地下工程与地面建筑相比，地下构筑物处于岩土介质之中，这使得后者在变形特性、物理组构、初始应力场分布、温度和水侵蚀效应等众多方面具有明显的非均质性、离散性、非连续性和非线性特点，致使地下建筑在施工、使用阶段表现出相当独特和复杂的力学特征，其变形规律和受力特点很难以纯理论的方法、按一般封闭解的形式予以描述并获得令人满意的解答和结果。借助于现代计算机技术，数值模拟方法具有计入各种复杂因素、描述材料非线性和几何非线性等能力及特点。突破了经典弹塑性理论中有关介质与材料连续、均质、各向同性和小变形等假定的限制，使得分析方法及其成果更加贴近工程实际。1.数 值 模
2、 拟 法 在地下工程领域，监测和检测不仅针对计算理论，而且对整个工程施工技术水平产生了巨大和深刻的影响。上世纪60年代，首先在工程界，然后在学术界开展了以地下硐室开挖支护过程中，洞壁围岩收敛-位移量测为基础，以反分析为导向的新奥法隧道施工新技术的研究和实践，在铁道、公路、水利水电、煤炭、采矿等领域取得了成功。反分析法2.反 分 析 法3.新 奥 法 以局部的和实时的量测信息作为依据，通过力学分析计算确定结构和岩土介质的物理参数、所满足的本构方程，以及地层初始地应力分布，在此基础上对全局的和后期的变形及受力进行预测和估算。将原先需要求算的诸如洞周收敛位移等作为输入参数，而应该作为计算前提条件的材
3、料参数和边界条件（初始的应力场分布等）则作为计算所谋求的结果。新奥法和反分析方法的思路更为清晰和明确，以致它们迅速成为地下工程计算理论和施工实践中的重要分支，在当代大型岩土工程建设中发挥着重要的作用。现场监测已经远远超出原来一般工程勘察的含义和覆盖范围，而成为工程设计和施工的一部分。A地下工程特点B主要施工方法二、地下工程特点与施工方法1.地下工程特点A 地质条件差，地层条件复杂多变，具有复杂性与不确定性，因此地下工程设计合理性进行理论分析比较困难，受工程地质和水文地质等条件影响较大，通常施工难度比较大 B 周边环境复杂C结构埋深浅、与临近结构相互影响D围岩稳定性难于判断1.地下工程特点2.主
4、要施工方法 随着技术的进步和科技的不断发展，地下工程的施工方法越来越丰富，根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备情况，地下工程施工方法一般可分为三大类:明挖法A 暗挖法B 沉管法CA监测和检测的必要性B监测和检测的目的三、监测和检测的目的1.监测和检测的必要性地下工程的复杂性的要求1 地下工程具有隐蔽性、复杂性和不可预见性的特征。有必要通过信息化施工，通过对围岩、支护的时空变形、应力、压力的量测数据分析，对隧道支护状态进行评价，预报险情、评定设计的合理性，反馈信息，及时变更设计。从而确保地下工程施工和周围建（构）筑物安全。规范的要求2铁路隧道新奥法指南第3.1.1条规定：新奥法的设计应以工程
5、类比法为主，并通过现场监控量测确认和修正，必要时可辅以理论检算；锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）第 3.1.7条规定：锚喷支护的设计，应采用工程类比法，必要时，还应辅以监控量测法及理论的检算法；铁路隧道喷锚构筑物技术规则第3.1.4条规定：设计应分为施工前设计和施工中设计两个阶段，施工前设计中应包括监控量测设计的内容。监控量测是隧道施工过程最重要的环节之一，它起着“安全监控、设计反馈和指导施工”等一系列的重要作用。A指导施工B安全评价C修正设计D积累资料3.监测和检测的目的（1）指导施工 通过监测了解地层在施工过程中的动态变化，明确工程施工对地层的影响程度及可能产生失稳的
6、薄弱环节，了解施工方法的实际效果，了解施工对周边环境的影响等等，以便采取相应的工程措施来。（2）安全评价 通过监测了解支护结构及周边建（构）筑物的变形及受力状况，掌握施工过程中工程自身结构所处的安全状态，并对其安全稳定性进行评价。（3）修正设计 用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，调整相应的设计支护参数。（4）积累资料 通过监控量测，收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验。施工过程中进行的监控量测是信息化施工的基础，具有重要作用，在地下工程施工过程中进行现场监控量测，及时获取围岩变位与地下工程支护结构的动态信息，并反馈于修正支护参数与施工措
7、施，以期达到安全与经济合理的目的。信息化施工的实质监测技术在地下工程建设中重要的作用 作为工程建设预测预估的依据，以保证建筑物和相邻土 层的安全 和稳定A另 为今后的工程实践提供有价值的经验和第一手资料BA监测的国内外新技术及现在存在的问题B现存在的问题及发展方向四、国内外研究现状1.监测的国内外新技术光纤监测技术非接触监测系统电容感应式静力水准仪系统巴赛特结构收敛系统轨道变形监测系统目前发展的远程监测系统主要有：利用外界因素使光在光纤中传输时光强、相位、偏振态以及波长（或频率）等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输的技术称为光纤检测技术。(1)光纤监测技术 光纤传感技术与传统传
8、感技术在岩土工程中应用的优缺点 光纤传感技术与传统传感技术比较表比较项目光纤传感技术电磁传感技术监测环境可用在水下、潮湿、易燃易爆、电磁干扰、高能辐射等环境，无需作任何防护进行长期监测不适于复杂环境，如做特殊防护，可做短期监测灵敏度位移达10-210-4量级，压力0.010.001Mpa位移达10-210-4量级，压力0.010.001Mpa联结成网需做无源联结，联结器件价格昂贵，修复较复杂易于联结与修复，费用低廉、方便智能化易于实现易于实现施工干扰需做防护；但体积小易于隐蔽，元件损坏难以修复需做防护；鼓掌易于排除；设备需要空间较多服务年限10年12年监测费用在同一精度与测试量程内，为电磁法的
9、1/21/3一般较高 从表上可以看出光纤传感技术与传统传感技术相比，有明显的优越性和巨大的发展潜力。由于隧道位移监测具有长时效性；环境复杂；监测对象的时空限制和施工环境制约等特点，因而对于隧道围岩位移监测，应用光纤检测技术与其他检测技术相比，体现出了明显的优越性，它能够有效地解决通常遇到的防潮和抗电磁干扰等问题。而目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。总 结 从整体上看利用光纤检测技术进行隧道位移的量测与监控，需要隧道力学、光通讯技术、微电子技术和计算机技术更多的通力合作，并要有一定的经费投入，这就是目前发展本项技术的主要困难。但是，通过上述的比较与分析，将
10、光纤检测技术应用于隧道围岩位移量测与监控，的确具有巨大的发展潜力和经济效益。全站仪非接触监测系统通过先进全站仪具有自动目标识别、自动跟踪、无棱镜测距的功能、将全站仪置于固定测站，通过数据线与远处控制室连接，通过控制室电脑发出指令控制全站仪对目标进行测量。(2)自动全站仪非 接触监测系统 该系统具有获取信息及时、测量精度高、监测与施工测量可共用一套仪器的优势。优势自动全站仪非接触监测系统 徕卡全站仪配合使用的徕卡反射片，是一种具有回复反射性能的反射膜片，反射膜片由丙烯酸脂制成，厚度为0.28mm，呈银灰色，大小可根据测距选择。徕卡全站仪 反射片技术参数 反射片大小（mm）测量范围（m）精度（mm
11、）20202401.04040201001.06060601801.0(3)巴赛特结构收敛系统 巴赛特结构收敛系统可以进行隧道断面变形的连续监测，该系统可安装在隧道典型断面用于监测因结构变形而引起的变形破坏，能够适应隧道交通、防震、水流、温度变化以及电磁辐射环境。使用数据记录仪远程读取读数。巴塞特结构收敛系统巴塞特结构收敛系统仪器性能类型：陶器体电解质式倾斜传感器范围：10分辨率：0.002线性度：好于0.1mm，在20，用5次多项式拟合温度补偿。巴赛特结构收敛系统是一种高精度、自动化监测隧道 变形的系统，在国外地下工程中得到广泛应用。系统具有抗振、防潮、防电磁功能01测试精度高02从数据自动
12、采集到结果显示均实现了计算机化，效果非常直观03目前价格较高04仪器特点(4)轨道变形监测系统轨道沉降监测系统专门开发用于监测铁路轨道的沉降和扭转用于维护铁路和路基的安全，采用数据记录仪进行远程读数。仪器性能：EL电解质式轨道沉降监 测 传 感 器，量 程 40分，SINCO96806350分 辨 率 1秒（0.005mm），测 试 精 度0.015mm。轨道沉降监测系统实时性01实用性02自动化程度高，效率高03功能齐全04系统性能指标（1）实时性 24小时全天侯实时监测，完全可以实现无人值守。（2）实用性 系统可靠、稳定，适应性强。可以在列车正常运行环境及潮湿环境中稳定运行。（3）自动化程
13、度高，效率高 对于经常性的工作量较大的作业，可选入批处理功能自动完成，大大提高了工作效率。（4）功能齐全 实现与在线监控系统之间数据的自动转换接口。数据的综合检验。输入及管理各类信息，包括仪器观测数据及各类检查（现场检查、定期检查等）的结果。5.远程静力水准仪监测系统 当地下工程穿越重要建筑物及既有地铁等不便实施常规沉降监测时，可应用静力水准仪监测系统。静力水准仪系统由静力水准仪及数据采集系统组成。自动化程度高，可以实施远程监测01系统精度高，系统最小分辨率可达0.01mm02系统可靠性强，对环境具有出色的适应能力03静力水准系统测试的特点系统长期稳定性好04系统为分布式结构，个别测点的损坏不
14、影响整个系 统的正常运行05系统具有自动报警功能06静力水准系统测试的特点A现状及存在的问题B监测体会与展望2.现存在的问题及发展方向现状及存在的问题 近年来我国相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对监控量测作了具体规定，监控量测是城市地下工程施工中必不可少的组成部分。A 城市地下工程不论采用何种施工方法，都借鉴了山岭隧道新奥法有关信息化设计与施工的理念，实施过程中，不仅要考虑地下工程结构的稳定，而且要考虑地下工程施工对周围环境的影响。现状及存在的问题A实施不规范，应用效果较差。01监测造价低02监测设计与测试03监测定位不明确04缺乏环境的评估标准05监测手段06实施过程中存在
15、的问题 监控量测与信息反馈应作为重要工序编入施工组织设计，但目前实施不规范，应用效果较差。（1）实施不规范，应用效果较差（2）监测造价低 监测造价相对于工程造价普遍偏低，费用过低不仅不能有效保证工程安全，制约了监测技术的发展，还在某种程度上造成了浪费，进一步恶化了监测的市场环境。（3）监测设计与测试 现场监测人员没能真正领会和掌握信息化设计与施工技术，实施过程中缺少专业人员。特别是信息反馈方面，很少能结合施工情况，对监测信息进行合理分析，进而对工程设计和施工起指导作用。（4）监测定位不明确 施工监测、第三方监测两者均需要同时具备，而目前有的地下工程只有两者其一；只有在这些基础体系完善后才有可能
16、为之后进行相关咨询等技术服务提供平台。（5）缺乏环境的评估标准 监测工作伴随工程始末，周期较长，但由于监测造价太低，在同样的也没有精力因地制宜，照抄照搬现象普遍；在制定监测控制值时无据可依，目前这么多监测项目，没有一一制定控制标准，只个别几项有说明，而这个别项目的控制值也是照搬好几十年前的工程经验。（6）监测手段 目前监测手段逐步多样化，但总体来说手段较为古老和陈旧，涉及到的仪器设备数量很少，实现监测项目的方法基本依赖人工静态观测。监测手段需要及时更新，从而推动监测技术的发展和与时俱进。01充分重视日常巡视监测02充裕的经济支撑03监测设计专业化监测人员业务素质对监测工作至关重要，应建立专业队
17、伍，并引入第三方监控量测04监测手段先进化、信息反馈可视化05监测体会与展望改进和发展B五、本课程的学习方法 地下工程监测方法与检测技术是一门实践性很强的工程应用型学科，与其他课程相比无论是在内容体系上，还是教学要求上，均存在着很大差别。学生在学习过程中，必须充分注意到该课程的特点，掌握其内在的规律及其基本要领，变被动为主动。作为一门技术型和应用型课程，涉及内容不仅需要有关地下建筑与岩土材料方面的专业知识，同时还需要熟悉和掌握诸如材料力学、电工学、数理统计、测量学等学科的基础知识。学生在涉及这些知识时，应该辅以阅读相应的课外读物，温故而知新，这样才更有利于掌握本课程的基本原理和基本概念。01在学习过程中，必须牢固树立服务于工程、切实解决工程实际问题的思想，要求深入工程、熟悉工程，密切注意当前建筑工程，特别是地下工程监测方法和检测技术的发展动态。学生应该十分珍惜这些机会，增强参与意识，努力提高动手能力，努力将到的理论知识应用于实际，真正达到学以致用的目的。02现有的监测手段和检测技术是通过长期工程实践摸索和总结出来的方法，相对于目前的施工水平而言无疑是相适应的，具有一定的先进性和经济性，但这不等于说就不存在任何不足了。在学习和熟悉过程中，学生会发现许多问题有待进一步解决和改进，现有技术水平有待提高。03本课程在教学和学习上有如下特点谢谢观看讲师：李 晓 乐