信息化设计技术及在隧道工程施工中的应用

第31卷　第1期施　工　技　术

C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY

信息化设计技术及在隧道工程施工中的应用

曹国金1

,姜弘道1

,张建斌

2

(11河海大学土木学院,江苏南京　210098;21厦门路桥建设投资总公司,福建厦门　361000)

[摘要]对信息化设计技术及原理进行了分析探讨。根据“新奥法”施工方法的实际需要,结合某隧洞工程,设计和

编制了工程数据库信息管理系统。利用现场施工监测取得的位移资料,用最优化方法反演了围岩力学特性参数。并利用反演分析求得的围岩力学参数,应用有限元法对该工程施工过程中围岩稳定性进行了分析计算。

[关键词]信息化设计;新奥法;工程信息管理系统;隧道[中图分类号]T U92;T U94+

2;U45

[文献标识码]B 　　　　[文章编号]100228498(2002)0120039202

Application of I nformation Design Technique in Tunnel E ngineering

CAO Guo 2jin 1

,J I AN G Hong 2dao 1

,ZH AN G Jian 2bin

2

(11Civil Engineering School ,H ehai Univer sity ,Nanjing ,Jiangsu 　210098,China ;2.Xiamen Road &Bridge Construction Investment H ead Co .,Xiamen ,Fujian 　361000,China )

Abstract :In this article ,authors analyze and discuss in formation design technique and principle.C ombining a tunnel project ,au 2

thors designed and developed a project 2database in formation management system according to the practical requirements of New Au 2stria Tunnel C onstruction Method.With the offset data obtained by on 2site construction m onitoring ,this system inverse mechanical features parameters of wall rock ,and calculates the stability of wall rock during construction progress by the Finite E lement Method with these mechanical features parameters.

K ey w ords :in formation design ;New Austria Tunnel C onstruction Method ;project in formation management system ;tunnel

[收稿日期]2000212206;[修订日期]2001206206

[作者简介]曹国金(1973—

),男,湖南新化人,河海大学博士研究生,河海大学613号信箱　210098,电话:(025)3780414

1　信息化设计技术

图1　信息化设计流程

以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计,是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成一体的地下工程设计方法,其流程如图1所示。与其它方法相比,信息化设计要求在施工过程中布置监测系统,从围岩的开挖和支护过程获得围岩稳定性和支护设施工作状态信息。通过分析研究这些信息,可以间接地描述围岩的稳定性和支护作用,确定新的围岩及支护参数,并反馈于设计和施工决策。隧道信息化施工过程中,量测信息可作为输入量反演计算围岩的物理力学参数,检验地质信息的正确性,并利用反演分析求得的围岩力学参数,应用有限元法等数值方法对工程施工过程围岩稳定性进行分析计算,指导后续施工。

111　施工监测

施工监测可以把隧道开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据,把施工监测所获得的信息加以处理,与工程类比的经验方法相结合,建立一些必要的判断准则,借以直接利用量测结果(经处理)及时地调整、确定支护参数或进行施工决策。在新奥法施工中,位移是最值得推荐的测试项目。隧道周边点的位移是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反映,易于建立一些准则来实现量测结果的反馈。

112　反演分析

反演分析法是利用施工监测到的岩土体的一些基础信息,通过计算来求解岩土体的参数。其目的是把施工监测中采集到的新信息和资料以及由此通过反演分析获得的结果反馈到设计中去,对施工设计提出改进性意见或修改方案。由于施工期时间紧促,而且在施工中不断修改设计,因而对修改的施工设计方案和图纸要在短期内完成,此外,还要考虑修改后的方案与整体工程的协调配套问题,故应借助计算机辅助技术、优化方法、人工智能等手段来完成复杂的施工、反馈分析过程。优化位移反演分析的一般方法:该方法将反演分析问题转化为一个最小二乘问题,建立如下的目标函

9

3

i=1(f

i

(x)-u

i

)2,可以用优化的方法得到x一

组的近似值,使位移计算值与实测值误差为最小。

113　稳定性分析

隧道稳定问题主要是岩土体结构问题,应力状态通过岩土体结构的力学效应而表现出来,因此,一方面通过观测或量测围岩的应力状态可以认识岩土体结构,另一方面,可由反演分析得到的岩土力学参数,应用于稳定分析计算。评价隧洞围岩的稳定性,实质就是分析洞室围岩在工作过程中的应力和变形。对埋深大、围岩完好的隧洞,研究重点一般放在对围岩承载能力的研究上,以围岩实际的应力水平作为围岩稳定的判据;对埋深浅、围岩较破碎的隧洞,研究重点一般应放在对围岩能允许多大位移的研究上,以围岩实际的位移多少来作为围岩稳定的判据。通过对围岩稳定性的分析,一方面用来指导工程的后续施工,采取合理的支护措施,以最小的代价获得最合适的安全程度;另一方面可以为类似地质条件的工程提供第一手可靠的经验资料。

2　应用实例

211　工程概况

某隧洞全长68815m,隧洞身净尺寸b×h=613m×516m,为三心拱断面,隧道大部分地段被第四系土层覆盖,北段岩性为灰白色、微带红色结晶灰岩,白云质灰岩,南段岩性以棕黄色、灰黄色以及灰色粘土为主,夹薄层煤层、碎石角砾等。212　工程监测数据库管理系统的建立

对工程建立监测数据库管理系统,可对工程监测数据进行有效管理,可在施工过程中随时监控工程稳定状况及确定新的围岩力学参数和支护结构参数,并将这些信息反馈于设计和施工决策。监测信息数据库管理系统能充分利用监测信息来掌握围岩和支护结构的动态信息,保证工程安全。该系统除具有一般数据库的特征外,突出其“工程监测”功能。

工程监测信息数据库管理系统设计由两方面组成,即数据结构、功能设计。数据结构设计,首先要对采集的信息和现场量测项目进行分类。功能设计,要能将现场量测获取的数据进行实时输入,并能及时将数据以表格、图形等直观形式反映出来,以便及时提交有关部门;能随时存取、随时处理和翻阅;也能将数据以拟定的格式传输给相应的计算软件。该系统主要由主控模块和4个子模块构成:监测仪器管理模块、监测数据管理模块、计算模块、报表自动生成模块,各模块具有相互的功能。

213　反演分析计算

利用监测到的位移信息对该隧道进行位移反演分析计算,岩土体本构模型:根据工程实际,选取了邓肯2张E-μ模型。反演目标函数的构造:对于位移反演问题,目标函数可以符合最小二乘准则的位移误差函数加以构造。待反演参数选定为k、R

f

、n、G。根据复合形法迭代步骤及正演模型,编制了相应的优化反演分析程序CG JOPT.FOR。这样可以反演出邓肯2张模型中待反演的未知参数。依据工程类比参照经验值,计算中预先规定各待反演参数取值范围:1000≤k≤

2000,0.2≤n≤1.0,0.3≤R f≤0.9,0.1≤G≤0.6。隧洞衬砌混凝土材料的力学参数:密度214×103kgΠm3,抗压强度22MPa,抗拉强度1175MPa,弹性模量119×104MPa,泊松比01167。隧洞位移测点布置如图2所示。经反演分析,得到隧洞不同开挖长度时的各反演参数及目标函数的最优值如表1所示。

表1　参数反演结果

开挖长度Πm

岩土参数

2468101214 k152110151514151510151119156714148016149714

R f015840156301583015015810155401563

n019060186201886014019380194401887

G01287013300127901314012590128301280 minΦ(x)Πmm112210118115215312212　　围岩岩土介质其它模型参数如下:ρ=1800kgΠm3,c=32732NΠm2,φ=3014°,

F=011,D=410

图2　隧洞位移

测点布置示意

214　稳定性分析计算

该隧洞在施工过程中,若中槽开

挖过长,可能导致围岩失稳,为了合

理加快施工进度,保证隧洞安全,必

须对隧洞进行稳定分析,并给出合理

的中槽进尺方案。本工程围岩力学

参数的确定是事先进行反演分析得

到的。得到隧洞不同开挖长度时的各参数目标优化值见表1。有限元计算结果及分析:计算出中槽不同进尺时S+ 105m断面洞壁的位移及洞周的应力最大值,发现z向位移最大,x、y向位移很小;y、z向正应力大致相等,x向正应力较y、z向正应力小,剪应力更小。为了求得中槽最佳进尺,作者把有限元的计算结果经计算机处理后输出等值线图(此处限于篇幅,均未列出)。根据浅埋隧洞的围岩稳定性判断准则,经计算可得出中槽最佳进尺为6m左右,此时洞顶最大位移量为62mm,当中槽进尺大于6m时,若不及时支护,隧洞就会因拱顶位移急剧上升而导致围岩失稳(整体坐标系为:沿隧洞纵轴线方向为x轴,垂直隧洞轴线方向为y轴,取铅直方向为z轴)。

3　结语

(1)由于隧道工程的特殊性和复杂性,采用信息化技术施工是必要的和可行的,可在一定程度上克服地质资料不详细,特别是在地质情况复杂,工程质量要求高的隧道中,这种施工思路既可做到安全施工,也可带来经济效益和社会效益。

(2)隧洞工程监测信息数据库管理系统,具有良好的人机界面,既提高数据处理的精度和预测的时效性,又降低了数据处理的时间,提高了工作效率,便于推广。笔者认为对那些通过试验方法难以准确测定,或因试验费用比较昂贵而不宜试验确定的特征参数,可通过位移反演分析法求得其“综合参数”。

(3)以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计,是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成一体的地下工程设计方法,易于一般工程技术人员理解,易于计算机实现,是今后地下工程施工方法的发展方向。

(下转第52页)

04施工技术第31卷

施　工　技　术

C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY 2002年1月第31卷　第1期

[收稿日期]2001210222

[作者简介]沈保汉(1938—

),男,浙江余姚人,北京市建筑工程研究院教授级高级工程师,北京市复兴路34号　100039,电话:

(010)6822442222328

桩基础施工技术讲座

第二十一讲　液压锤沉桩

沈保汉

(北京市建筑工程研究院,北京　100039)[中图分类号]T U75313　[文献标识码]E [文章编号]100228498(2002)0120052201

Pile Driving by H ydraulic H ammers (21)

SHEN Bao 2han

(Beijing Building Construction Research Institute ,Beijing 　100039,China )1　概述

在已有的沉桩方式(落锤、蒸汽锤、振动沉拔桩锤、导杆式柴油锤及筒式柴油锤等)中,筒式柴油锤沉桩法是最经济的、而且在施工管理上也是最成熟的方法。但是筒式柴油打桩锤沉桩方式存在噪声高、振动大和油污飞溅三大公害,故在城市居民区、商业区、医院及有精密仪器设备的厂房等地区,其应用受到严格的,甚至不准应用。泥浆护壁法的钻、冲孔灌注桩存在着排土处理、泥水处理等涉及环境污染问题。为此,从20世纪70年代起,人们对冲击沉桩方式进行了研究,在英国、德国、荷兰、日本地区先后开发出多种形式的液压打桩锤。

液压锤沉桩机理是,该种锤是以液压能作为动力,抬举起冲击体然后快速泄油,或同时反向供油,使冲击体加速下降,锤击桩帽并将桩体沉入土中。

液压锤正广泛地用于土木建筑各个领域中,如果加上防水保护罩,可在水面以下进行作业。由于液压锤通过桩帽直接将能量传给桩体,一般不需要夹桩装置,因此可对各种形状的钢桩和混凝土预制桩进行沉桩作业。

2　液压锤优缺点

(1)优点　①环保能力优于筒式柴油锤,作业清洁,噪声

低些,作封闭处理后可进一步降低噪声;②灵活简便,可用于各种形状的预制桩和钢板桩,适用于沉桩及拔桩;③施工控制性好,冲程、冲击频率及各种控制均只需1人操作;④启动性能好,每一锤均可沉桩;⑤部件可靠性好;⑥锤体可分块组合,以适应多种作业需要;⑦能量利用率高,筒式柴油锤在提升至爆发过程中约需消耗60%的液压能,仅40%的液压能作用于桩顶进行沉桩;液压锤从举升至自由下落过程中消耗的液压能不足5%,95%的液压能作用于桩顶进行沉桩。

(2)缺点　①锤价格昂贵,一般企业承担不起;②购置国

外生产的液压锤,维修及更换零件不便。

液压打桩锤与筒式柴油锤的比较见参考文献[1]。

3　液压锤分类

按结构和工作原理可分为单作用式和双作用式两大类。

单作用式液压锤是通过液压油将冲击体举升到一定高度后快速释放,冲击体以自由落体方式冲击桩顶。

双作用式液压锤是通过液压油将冲击体举升到一定高度后,由液压系统的控制,液压油改变方向,推动冲击体以更高的动能冲击桩顶,这时的冲击能除了冲击体的重力能外,还有压力油的强大推力所提供的能量,使冲击体下落的加速度超过自由落体加速度。由此可见,双作用式液压锤的冲击能量要比单作用式液压锤的冲击能大,打桩工作效率要高。

液压锤有5种类型:液压缸双作用方式;液压缸驱动自由落下方式;液压缸和钢缆驱动自由落下方式;单作用油缸自由落下方式和冲击体直接驱动自由落下方式,这5种类型的比较见参考文献[1]。

国外部分液压锤的型号、规格和技术性能见“日本车辆”、“英国BSP 公司”、“德国ME NCK 公司”产品目录。

4　液压锤使用一般要求

①桩锤在运输过程中,必须平行放置,并栓好保险绳;②桩锤在运输之前,要确保动力装置中溢流阀调节正确,并安装好油路和连接信号线;③在拆卸过程中要尽量减少液压油的损失,当把逆止阀从动力装置中拆下时,不要将拆掉;各进出油口必须用闷头螺栓拧紧;④桩帽内无缓冲材料时,不得启动桩锤;⑤经运输后重新使用的桩锤,每次启动前,应对溢流阀的卸载压力进行调试。

5　桩锤的操作

①将桩锤控制箱的各种及导线与动力装置连接好;②启动动力装置,并逐渐加速;③打开控制板上的开关,并把行程开关调节到适当的位置;④当人工控制时,只须按动手控阀按钮,即可提起冲击块,松掉按钮,冲击块即冲击下落;⑤当进行连续作业时,须将“提升”和“停止”控制装置调整到所要求位置,并把“输出”开关扳到“自动控制”位置;⑥对首次使用的液压锤,需添加液压油;⑦停锤时,把“输出开关”扳回关闭位置。参考文献:

[1]　沈保汉.桩基础,高层建筑施工手册(第二版)[M].北京:中国建

筑工业出版社,2001:498～772.

(上接第40页)

参考文献:

[1]　钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京:水利电力

出版社,1996.

[2]　李世辉.隧道围岩稳定系统分析[M].北京:中国铁道出版社,

1991.

[3]　王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理[M].北京:中国铁道

出版社,1990.

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