文摘

传统监测技术面临的问题,采集频率较低,很容易在盾构隧道施工环境的影响,不能满足实际需要的及时监测周围环境对盾构隧道施工的影响。基于这一实际需求,无线传感器网络(WSN)系统用于监控隧道管片结构的反应和周围建筑物在盾构隧道在这项研究中。根据信号传输测试的结果,一个微机电系统(MEMS)传感器布局的优化方案旨在提高监测效率的传感器网络系统。WSN系统监测数据,通过比较分析传统的监控数据,它是发现,随着距离监控部分和隧道,隧道衬砌的收敛值间隙逐渐趋于稳定,无线监测结果的横向间隙的隧道收敛在本节的整体变形趋势一致收敛计监测结果。这项研究还模拟盾构隧道相邻建筑物使用非线性有限元方法。支持的参数灵敏度分析开挖面压力和灌浆压力的尾巴盾。结果表明,地表沉降可以减少通过适当地增加灌浆压力和支持挖掘面临的压力。此外,增加支持挖掘面临的压力有更好的抑制效应的解决表面土壤比增加了灌浆压力。

1。介绍

盾构法广泛应用于城市轨道交通系统的建设。在盾构隧道,邻近区域是不可避免的干扰,将开挖表面支持压力和地面体积损失(1,2]。具有重要意义和价值探讨盾构施工对邻近地区的影响(3,4]。

黄和魏5]研究了上海地铁盾构隧道的部分受到大量的过载,导致严重的盾构隧道部分收敛变形和结构问题。的受损部分隧道甚至显示螺栓断裂,大体积混凝土脱落,和其他方面的问题。太阳et al。6]分析了盾构施工对邻近地下建筑的影响,结果表明,盾构施工会导致地面土壤的重要结算时到来。有必要提高盾构施工的先进的速度和尾巴灌浆和上覆土进行二次灌浆的盾构施工,确保施工安全。通过考虑表面变形和采取合理的隧道变量,李et al。7解释了地面变形的控制措施和解决建筑。Yoo和金姆et al。8]介绍TURISK,一个系统可以预测隧道开挖引起的地表变形和评价开挖对邻近建筑物的影响,并应用它来大邱地铁2号线。基于现场监测数据和仿真结果使用有限元分析(FEA), Mirhabibi和Soroush9]研究了平行隧道开挖对地面建筑物的影响通过在建地铁1号线设拉子和一些实用的结论。的保护建筑结构的影响,通过隧道的三维数值模拟和邻近地区,Mroueh和Shahrour10)获得,如果建筑物的重量是忽略了在建模过程中,隧道开挖引起的沉降值会显著降低。

全站仪仪器、仪表、收敛计和分布式光纤传感器主要用于地铁盾构隧道施工的监控程序,如图1。传统的监控措施广泛用于盾构隧道的建设。但隧道施工监测的传统方式越来越无法满足要求在实践中由于它的高成本,nonautomation, nonreal-time性质,监测频率低,和有限的监测区域。很难实现全程同步实时监控,使监测结果难以反映结构的健康状况及时和有效的方式。因此,无线传感器网络(WSN)系统监控隧道管片结构的反应和盾构隧道周围建筑物在近年来(11,12]。目前,多个初步成就了无线智能监控在结构健康监测中的应用工程。姓et al。13)首次提出结构健康监测的无线传感器网络的应用和开发了一种低成本的无线传感单元应用于动态性能监控测试供应商之一的峡谷大桥。大米和斯宾塞教授(14)取得了一些成就在WSN用于结构健康监测的研究如桥梁。Ayyildiz et al。15]介绍了钢筋混凝土结构的健康监测系统成员和应用它来模拟地震条件下钢筋混凝土结构列。该系统可以成功地检测构件的裂缝。王等人。16)应用无线传感器网络监测系统倾向于上海地铁盾构隧道的实时监控,提出了转换公式适用于水平收敛值的计算盾构隧道的隧道片倾角值,和验证的准确性通过现场监测数据的转换关系。班尼特et al。17)建立了一个传感器网络监测系统包括一个网关和26个无线传感器在伦敦地铁盾构隧道的支点。系统监控隧道管片结构的旋转变形和裂缝宽度很长一段时间,显示无线传感器网络监测方法的可行性在地铁盾构隧道。班尼特et al。18)开发的一套无线传感器网络监测系统对隧道结构健康监测,总结了监测数据网关和传播给用户视觉界面通过GPRS网络,然后应用系统的监控项目伦敦地铁地下和布拉格。上述测量点布局主要是基于相关算法和标准理论来获得最优布局,但使用数值模拟和无线传感技术的特点结合工程实践测点布局相对较少;在此基础上,本文将提出一个灵活、高效的无线传感器支点布局方案。总之,与传统的监测方法相比,网络很容易扩张,智能化,自动化程度高。基于无线传感器网络技术的结构变形可以实现实时动态监测和全天候、自动化,远程安全预警,可以获得感官信息的结构和及时掌握结构的健康状态。WSN智能监控系统和MEMS传感器包括收购的支点,倾角传感器、激光传感器如图2。

本文旨在设计一个MEMS传感器的布局优化方案。进行了三维有限元模型,使用有限元分析模拟隧道的开挖过程,考虑到复杂的环境的影响涉及相邻建筑物。此外,一个广泛的参数进行了研究调查的影响灌浆压力和支持相邻建筑物和地面的压力反应。

2。项目概述

现场条件包括两个部分:(i)相邻建筑物和(2)的确界隧道。在施工过程中,盾构机通过了相邻建筑物是六层框架结构(如图3)。之间的最小距离保护身体和相邻建筑物是1米。盾构隧道和邻近建筑图所示3。建筑是28米长,15米宽的单层高度3米。建筑的基础是一个条形地基深度2 m,组成的混凝土方桩横断面尺寸为400毫米×400毫米,平均深度为20米。

根据现场调查,右线隧道的地质包含杂填满,软塑料粉质粘土、软塑料粘土、粉质粘土、塑料粉质粘土,闪长岩等。岩土层相关参数如表所示1。的区间盾构隧道右线的19 m是圆形钢筋混凝土衬砌结构的形式与错缝采用单层衬砌结构。衬里的内径5800毫米,外直径是6400毫米,衬砌厚度为300毫米。

3所示。监控程序

盾构隧道的施工对邻近建筑物有一定的影响,地面和其他结构。有必要监控建筑物和地面表面邻近区域的定期。MEMS传感器包括激光传感器和倾角传感器应用在这个监控程序,和网络系统被用来传输监测数据。在盾构隧道,激光传感器和收敛指标被应用于监测衬里的横向间隙收敛。此外,倾角传感器和全站仪应用于监测相邻建筑物的倾斜。监测点的布置应遵循以下原则:(i)无线监控点的布局设计是第一,其次是它的细节。结合数值模拟和工程实践的结果,测量的位置点是全面考虑。(2)根据实际项目,无线测量点的位置和数量应适当调整。(3)监控目标应调整根据实际项目的变化。

根据测点布局的经验在盾建设和实际工程、无线测点的盾构隧道和邻近建筑布局。一般来说,监控部分采用每20环在盾构施工。然而,当有一个明显的变形区,有必要进行一个横向的监控部分衬里的净空收敛,并安排每8环的内壁。激光传感支点是安排在隧道实时监控的侧隙衬里的收敛。激光传感支点在隧道之间的距离约为90米,和最近的约20米。第一层之间的信号传输距离继电器跳支点和智能终端大约是100米。现场测量的布局点如图4。四个倾角传感器排列在屋顶的四个角落。网站布局如图4,测量在隧道衬砌的平面布局和屋顶图所示5。监视点的详细布局信息的隧道和邻近建筑经过部分如表所示2。

4所示。监测数据的分析

4.1。衬里净空收敛

图6展示了无线监控和结果之间的比较收敛计监测隧道侧隙收敛。应该指出的是,净空收敛的积极价值意味着隧道横向间距的增加,而负值意味着隧道横向间距减小。结果表明,隧道间隙趋于稳定的收敛值随着距离监控部分和工作面。无线监测结果的整体变形趋势是一致收敛的指标。然而,收集的数据收敛指标波动超过那些收集的无线监测。这是因为无线监控不是手动和自动收集数据,而收敛计将由相关因素干扰每次收集数据。从数据,最大变化值小于2毫米,这是远远低于10米的安全控制价值。

4.2。倾斜的相邻建筑

基于建筑倾斜的监测结果和解决相邻建筑,盾构隧道施工的影响的六层框架结构部分进行了分析。图7显示了建筑物倾斜的变化在盾构隧道施工开挖面之间的距离的差异和监控部分的无线测量点A和B。应该指出,一个积极的值表示对隧道附近的侧倾斜,而一个负值表示相反。从上面的图片,我们可以看到整个建筑倾向于一侧的隧道。随着盾构通过监控部分测量A和B点在哪里,房子的意愿降低,这是由于挤压盾构推进时周围的土壤。随着盾继续前进,相邻建筑物的整体倾斜继续增加。直到浆凝固,总体倾向增加缓慢,逐渐稳定。最大倾斜率不超过0.00008,在0.004的安全控制价值,属于安全范围内的倾斜变化。

5。有限元分析模型

5.1。几何和网格

基本三维有限元模型的尺寸(长度)×60 72(宽度)×60米(深度)生成考虑相邻建筑物和岩溶洞穴充满水。模型的尺寸足够大以减少边界条件的影响在主应力和应变诱导区深基坑。模型的底部限制各个方向的位移,而四个垂直边界的节点设置为0在水平方向位移。一个均匀分布的重力是应用于整个模型。

如图692304年,土壤质量是模拟元素类型的C3D8R (8-node三线位移和减少集成模式)。六层框架结构,内衬和灌浆层模拟13812个元素的C3D8I (8-node三线位移和兼容模式)。此外,2304个元素类型的S4 (4-node双重弯曲的通用shell)是用于struts和支柱。均匀分布的初始孔隙比之前配置的土壤分析。

5.2。材料特性

车站的剖视图,桥是描绘在图7。如图7,地面主要由各种各样的填补,软塑料粉质粘土、软塑料粘土、粉质粘土、塑料粉质粘土,闪长岩等。列出了详细的有限元分析中使用的材料参数表1。采用莫尔-库仑本构模型的主要特征建模如下所示:(1)最初各向同性的材料。(2)屈服行为是受到第二主应力( )。(3)材料是各向同性硬化或软化。(4)一般来说,非弹性变形与体积变形发生。

5.3。仿真过程

施工过程模拟的“死亡元素”技术。配置的速度建设基于现场记录。如图8,仿真过程的细节描述如下:步骤1。初始化。模型的初始应力场引起的重力和附加费负荷配置在这个步骤中,虽然都是零的初始位移场毕业典礼之前开挖。步骤2。模拟隧道盾构机的第一环盾机元素释放和第八环盾机元素被激活。消除压力在步骤1中,应用相同的支持挖掘面临的压力。激活第一个环衬砌和灌浆层,并应用统一的灌浆压力的内表面土壤相应灌浆层。步骤8。盾单位进步7环。在这个过程中,7环衬砌和灌浆层单位是“激活。灌浆压力是同时适用于周围的土元素在这个范围内。步骤15。盾单位继续推进7环;此时,在步骤8中灌浆压力都取消了,和相应的灌浆层硬化材料所取代。

6。讨论表面相邻建筑物和地面

6.1。在隧道相邻建筑物的影响

如图9,点A和B两个点在不同位置相邻的建筑物。规定,积极的垂直位移代表隆起和消极的垂直位移代表了沉降监测结果。地表沉降逐渐减少隧道中轴线的两边,和沉降曲线大约是对称抛物线的形状。指出解决测量A点和B点总是发生在隧道。作为最近的相邻建筑物和隧道之间的距离是1米,相邻建筑物的沉降值接近地表沉降值的轴。邻近建筑物的沉降是3毫米和小于12毫米内邻近建筑物的沉降控制价值规范中指定的(19]。

6.2。在隧道地面表面的影响

如图10、全站仪监测点E和F是两个表面沉降监测点上方的纵轴的隧道。垂直位移的数值模拟结果和全站仪监测结果在本研究中指定。垂直位移表示的积极价值提升,负值表示和解。如图10通过全站仪的比较分析结果和数值模拟,测量点数的变化趋势E和F是一致的。由于压缩的土壤,土壤的应力状态在盾构隧道前变化,导致土壤的结算。当开挖面约5米远离测点E,挖掘面临的支持力量增加,导致土体挤压对盾构隧道的方向,从而导致一个小表面隆起。然后,开挖的支持力量面对减少,土壤质量稳定。当盾牌到达两个计量点的部分,周围土体改变了开挖卸荷应力状态近1毫米。当盾牌穿过两个点,测量盾壳和周围土壤之间的摩擦会产生剪切力,导致结算值接近0.4毫米。盾尾出来,管之间的“尾部空隙”创建和土壤,导致表面沉降值为0.6毫米。最后,盾牌是远离这两个点,测量和土壤受到长期的固结沉降。

6.3。参数研究

盾构法广泛应用于城市轨道交通系统的建设。在盾构隧道,邻近区域是不可避免的干扰。干扰主要是由开挖引起的表面压力和地层损失的支持。支持的参数灵敏度分析开挖面压力和灌浆压力的尾巴盾。仿真结果不同的开挖面支承压力和注浆压力施工参数进行了进一步的分析。支持挖掘面临的压力参数可以通过公式(1),支持挖掘面临的压力参数可以通过公式(2)。 在哪里调整系数支持挖掘面临的压力。最初支持挖掘面临的压力。面对支持根据不同的系数调整的压力。 在哪里灌浆压力的调整系数的尾巴。最初的灌浆压力的尾巴。面对灌浆压力调整根据不同的系数。总结了参数研究的细节表3。

6.3.1。不同的参数对地表沉降的影响

图8和图11显示表面沉降的变化曲线在不同位置下的隧道轴线上方九个不同工作条件。在盾构隧道的过程中,地表沉降逐渐增加,与和解的增加幅度随距离的增加监控部分。应该指出,表面有一个小隆起的距离约-10米从开挖面测点e .这是因为盾增加支承压力的过程中本节隧道。的最大地表沉降测量两点15米的范围内开挖面接近3.5毫米。改变支承压力的影响开挖面比这更明显的改变了灌浆压力。这是因为土的内摩擦角本节中相对较小,凝聚力相对较大,围岩相对自力更生的好,稳定是相对较高的。总之,可以看出,开挖面支持力量可以合理增加建设减少地表沉降。

再。不同参数对邻近建筑物的影响

数据12和13显示协议的变化曲线在不同的位置相邻建筑物下上面的九个不同工作条件。当盾牌通过了监视点A和B,逐步增加,相邻建筑物的沉降,沉降幅度的增加随距离的增加监控部分。最大沉降在15 m从开挖面监控A点和B点接近3.5毫米和3毫米,分别。当支承压力和注浆压力逐渐增加,相邻建筑物的沉降值逐渐降低。解决相邻建筑的减少,增加了支持挖掘面临的压力比增加灌浆压力(数据更有效14- - - - - -16)。

7所示。结论

本文通过数值模拟实验,发现增加的支持力量盾构开挖面能有效降低表面和邻近建筑物的沉降和指导地铁建设的部分。通过数值模拟试验,发现增加的支持力量盾构开挖面可以有效地减少地面的沉降和相邻建筑物。数值模拟不同结构参数的灌浆压力和支持力量开挖的脸。可以得出以下结论:(1)根据工程的布局原则和注意事项的网站,无线测点的布局方案。结果表明,传感器网络的监测数据是一致的与传统的监测方法之一。与传统的监测方法相比,无线传感技术显示实时动态监测的优势在实际工程的应用。(2)盾构隧道地表沉降具有明显的影响。主要的影响使开挖面附近的阶段和shield-tail跨越阶段。表面有轻微隆起盾之前到达测量点。然后,发生了大和解盾构施工引起的塌方。(3)增加注浆压力和支持挖掘面临的压力可以减少表面和邻近建筑物的沉降。除此之外,增加的支持力量盾牌的脸能有效控制表面和邻近建筑物的沉降。

数据可用性

数据支持本研究的发现中可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是进行融资提供的山东省自然科学基金(批准号ZR2020KE031),中国国家自然科学基金(批准号51808150),广东省自然科学基金(批准号2018 a030313132)。