港珠澳接线工程建设监测方案二稿.docx
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港珠澳接线工程建设监测方案二稿
港珠澳大桥珠海连接线隧道工程建设监测方案（系统）
1、工程概况
本项目依托的港珠澳大桥珠海连接线隧道工程，是港珠澳大桥的重要组成部分，桥梁、隧道长度占路线总长的93%。
其中，隧道有拱北隧道、南湾隧道两座，均为高速公路双向六车道超大断面隧道，由于地质条件复杂多变，隧道是整个工程的重点控制性工程。
其中，拱北隧道中东段穿越拱北、澳门口岸，沿线密集分布有重要的地表建筑物及地下管线设施；隧道东段陆海交界区域为富含水层，承压含水层与海域水体可能存在紧密联系，局部可能存在强突水软弱地带；隧道基底为软土和砂砾互层；拱北、澳门两口岸之间地面空间狭小，隧道有效走廊带宽度仅为35m，该段隧道不得不变为双层叠加的断面形式，隧道开挖横断面积将超过300m2，为超大断面隧道，围岩稳定与施工安全及对周边环境的影响控制是隧道施工的难题。
其次，南湾隧道和湾仔隧道穿越将军山自然景区，邻近珠海、澳门两地生活供水水库。
隧道围岩风化严重，节理、裂隙发育，开挖施工过程中二次应力场的调整形成必将促使围岩裂隙网络的扩展，从而影响其连通性和导水性，威胁到隧道施工安全，并对地表水库及附属设施产生不良影响。
因此，本项目需要以港珠澳大桥珠海连接线工程建设为对象，为复杂条件下的城市超大断面隧道建设关键技术研究提供必要的及时的监测数据支持。
港珠澳大桥珠海侧接线主要技术标准表1-1
序号
项目
主线技术标准
1
公路等级
双向六车道高速公路
2
设计速度
80km/h
3
路基宽度
32m
4
设计荷载
公路—I级
5
地震动峰值加速度
0.1g（相当于Ⅶ级）
6
设计洪水频率
特大桥1/300，路基、大、中、小桥1/100
2、主要目的
本监测项目既完成一般第三方监测的任务，同时又紧密结合“港珠澳大桥珠海连接线隧道工程建设关键技术研究”的数据需求，并可与整个工程的三维可视化展示系统实现快速对接。
本项目拟在对港珠澳大桥珠海连接线工程的结构特点、周边环境分析与预测的基础上，设计建立一套完整的由监测节点网络和监测中心构成的多信息无线监测与预警系统，实现对基坑土体、工程围岩、结构与周边建筑物多种状态参数（应力、应变、沉降、温度及水位等）的实时监测与分析，为工程设计研究提供必要的数据支持。
其功能还可延伸至对工程结构承载能力、运营状况和性能退化的长期监测和评估，及时发现并消除工程结构的安全隐患，为运营期的科学养护和维修提供有力支持。
3、监测方案（系统）
3.1监测系统构成
本项目监测系统（港珠澳大桥珠海连接线工程监测系统）包含多个子系统，根据隧道施工段与监测目的进行分组，采用分布式数据管理，并在需要的时候引入信息融合技术进行管理。
本监测系统的架构拓扑图如下图所示。
土体压力
支撑轴力
多点位移
水位监测
●●●
●
●
远程监测节点
远程监测节点
远程监测节点
●●●
●
●
监测子网二
监测子网一
岩体结构面
不良地质体
表面位移
桩体位移
●●●
●
●
●●●
●
●
手机预警
可视化展示系统
数据分析与预警
图1监测系统结构拓扑图
监测系统的建设从时间上可分为初期和终期两个阶段，在初期勘测和工程设计的基础上，在施工前确定最初的前端传感器的选型和空间配置；随着施工进展和监测数据的增多，根据进一步的分析结果，增加（或者选择性减少）前端传感器，动态调整传感器的网络配置，达到终期阶段。
当监测网络节点达到一定规模后，需要采用信息融合技术进行处理。
其具体方式是，监测节点根据数据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量；另一方面也可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。
本次针对珠澳大桥珠海连接线工程监测系统建设的主要步骤有：
（1）需要根据现场勘测，确定监测参量，配备监测传感单元；
（2）配备远程监测单元设备；
（3）配备并调试采用无线方式与监测中心的通讯；
（4）运行期系统仪器设备的保障。
本项目监测系统按监测目的进行监测传感器群的分组，同时兼顾了接线工程关键技术子课题科研内容的数据需求，以分布式动态实时数据管理技术进行监测数据的集成管理。
该技术是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术，通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。
监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。
在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对大量物理目标的的实时、动态的监测。
■拱北隧道：
本隧道路线穿越拱北口岸，控制因素较多，主要有拱北口岸风雨廊、免税商店地下工程及地下通道、口岸进出口检查通道、澳门口岸联检大楼、边防五支队办公楼等。
隧道路段线位与珠海城轨拱北站地下工程距离很近，干扰较大，且处于含水地层，地质条件复杂，需要在设计和施工过程中进行充分监测。
本项目将对监测对象进行分类，结合监测子网设计组成总体的监测网络，监测对象或目标可分为：
明挖段基坑监测、暗挖段隧道监测、周边建筑物与管线监测和工程结构监测。
◎明挖段基坑监测：
（建筑密集区富水软弱地层明挖隧道超大基坑，1100米）
需要进行的监测项目有：
●土压力监测
●连续墙位移监测；
●支撑轴力监测
●桩体位移监测；
●桩体应力监测；
●水压水位监测；
监测网络布置的说明如下：
按照规范，在坑后土体中配置土压力盒监测节点200个，在地下连续墙、内支撑中配置应力计监测节点50个，在桩顶与连续墙中配置位移监测节点110个，以获取土体压力分布、连续墙墙体及桩体水平位移、支撑轴力等数据，
在基坑底部基底配置水位、水压、温度传感节点50个。
明挖段施工时应保证基坑稳定与周边建筑物的安全
监测频度：
每天1~2次，由监测与预警系统通过监测子网节点管理自动完成。
监测点位按照类型分别标注在平面图中：
◎暗挖段隧道监测：
需要进行的监测项目有：
●土压力监测
●应力应变监测；
●桩体位移监测；
●桩体应力监测；
监测网络布置的说明如下：
配置多点位移计监测节点15个（5个断面）、围岩表面位移监测节点50个（10个断面），以获取隧道分步开挖条件下围岩卸荷损伤破坏演化过程的变形数据，为隧道围岩开挖损伤破坏施工过程力学效应和稳定性演化机理的数学模型和分析方法提供动态反馈，并验证开挖支护步序及开挖支护设计方案的合理性。
暗挖段施工时应保证隧道自身、地面建筑及地下管线的安全。
监测频度：
每天1~2次
监测点位按照类型分别标注在平面图中：
◎周边建筑物与管线监测：
●地面或建筑物沉降监测
●建筑物倾斜监测；
●管线监测；
●道路沉降监测；
●建筑群视频监测（可选）。
（考虑要点：
拱北口岸段对施工沉降及工后沉降控制非常严格）
监测网络布置的说明如下：
共配置地面与周边建筑物沉降变形的监测节点40~50个，
●武警边防五支队办公楼（沉降、倾斜监测节点各2个）
●澳门联检大楼（沉降、倾斜监测节点各2个）
●武警边防五支队办公楼与澳门联检大楼之间走廊（沉降监测节点2个）
●出入境风雨廊（沉降、倾斜监测节点各2个）
●拱北口岸免税商场地下通道平面（沉降、裂缝监测节点各2个）
●拱北口岸旗楼（免税商场地面建筑）（沉降、倾斜监测节点各2个）
●拱北口岸西侧车辆出入检查站（沉降、倾斜监测节点各2个）
●拱北口岸一站式通道（沉降监测节点2个）
●广州-珠海城际轨道拱北站（沉降监测节点2个）
●国防公路（沉降、裂缝监测节点各2个）
●拱北口岸管线（见拱北口岸内管线分布图）（挠度监测节点9*3个）
包含：
D400混凝土污水管、D200混凝土污水管、D500混凝土污水管、D1400混凝土污水管、雨水管、DN不明管线，DN100消毒铁管、D1000对澳供水水管，供电管。
监测频度：
每天1~2次
监测点位按照类型分别标注在平面图中：
（5）软弱围岩超大断面隧道变形控制的分步联合支护技术和围岩破坏损伤区固结修复技术。
暗挖管幕工法在管幕法施工时，钢管之间配置位移监测节点10个，应力计监测节点10个，为管幕法施工参数调整提供实测数据。
。
“城区复杂条件下宽体隧道施工过程安全监控及预警预报技术”
（对应拱北隧道段）结合具体的研究内容，监测网络的配置说明如下：
（1）复杂条件下隧道施工过程的自动监测技术与安全评价方法
本研究分配置的大部监测节点与监测子网络一、二（即基坑、隧道开挖影响地面地下建筑物的监测节点以及隧道内的变形监测节点）形成复用。
在隧道工程影响的范围内进行建筑物和地下管线等的变形监测，包括1）武警边防五支队办公楼；2）澳门联检大楼；3）武警边防五支队办公楼与澳门联检大楼之间走廊；4）出入境风雨廊；5）拱北口岸免税商场地下通道平面；6）拱北口岸旗楼；7）拱北口岸西侧车辆出入检查站；8）国防公路；9）沿隧道走向分布水管等等。
在拱北隧道内部多断面配置多点位移计监测节点、围岩表面位移监测节点,基于激光全站仪的隧道自动定位监测技术，实现超大断面隧道三维非接触式收敛变形的快速测量。
本子项目研究中对各节点进行自定位功能增强。
对于地面建筑物的监测节点，采用混合定位方法：
手动部署少量的锚节点（携带GPS模块），其他节点根据拓扑和距离关系进行间接的位置计算。
隧道内部的节点通过测量导线引入的办法获得与建筑物变形、地面沉降监测节点相关联的相对坐标。
这样得到的具有统一局部坐标系的位移监测数据，可用以研究建筑物的沉降变化规律及其与隧道开挖施工的关系，采用多物理量综合分析与模糊综合评判建立地面建筑物科学合理的安全评价方法。
（2）隧道施工监测信息管理-快速反馈-预警预报一体化集成技术
监测子网络一二三四中所包含的前端传感单元以及多层传感网络的构建与控制软件研发，均与本子项目研究内容密切相关。
通过无线传感器及数据采集设备，实时自动采集隧道施工中的应力、位移等多元信息，实现隧道施工监测信息的自动实时反馈，形成隧道大范围安全监测信息实时采集与远程传输技术方案。
研发形成隧道施工监测信息管理、分析、预警的软件系统，具备数据库管理和查询功能、预警功能及网络监控和权限分级管理功能，业主、监理和技术咨询组等相关单位可以通过网络实时浏览第三方监测成果。
◎工程结构监测：
●表面应变监测
●应力监测；
●温度监测；
●腐蚀监测；
●等等。
。
。
监测网络布置的说明如下：
在隧道双线会合、分离及桥隧衔接等关键部位配置应力计监测节点15个、表面应变计监测节点15个、表面测缝计监测节点10~20个、支座位移监测节点15个、温度传感器监测节点5个、静力水准仪监测节点3个，以获取结构附加应力和沉降变形，分析流变效应对隧道结构的长期影响机理，检验研究提出的软土地区施工对洞身结构的安全性和耐久性影响的数学模型，和延长结构耐久性的工程措施的有效性。
在工程结构典型位置钢筋与混凝土交界处取点配置湿度传感器监测节点3个，应力计监测节点3个，为揭示复杂环境下隧道结构腐蚀的机理，从工程角度防止结构腐蚀的措施提供实测数据。
共配置监测节点40~50个，
●
监测频度：
每天1~2次
监测点位按照类型分别标注在平面图中：
■南湾隧道
由于南湾隧道环境保护要求高、邻近供水水库、围岩节理裂隙发育，设计和施工中存在种种技术难点，需要在设计和施工过程中进行及时充分的监测，动态反馈。
结合具体的研究内容，监测网络的配置说明如下：
（1）岩体内部不良地质条件（断层、导水带等）快速探测方法，精细探测与综合解释技术；与
（2）岩体结构面几何信息特征的快速量测、不稳定块体识别及三维重构技术。
在软件层面形成概念监测节点，对工程地段存在的断层破碎带、含水带、岩溶等不良地质体空间分布信息，以及工程围岩出露岩体结构面量测结果等，实施汇总和传送，为工程设计和施工提供准确可靠的地质资料，并方便与施工过程可视化系统的对接。
（3）基于申报单位研发的隧道开挖激光定位与变形监测软硬件系统，建立移动式位移监测节点2个，配置围岩表面位移光学监测靶标点25个（5个断面），实现岩变形实时监测分析与开挖工作面形态快速准确定位一体化的隧道开挖激光定位技术体系。
（4）裂隙岩体应力-渗流耦合本构模型和数值模拟方法
配置水位监测节点15个（3个断面）、多点位移计监测节点15个（5个断面），研究分析应力-渗流耦合作用下隧道围岩变形破坏特征及稳定性。
3.2现场监测传感单元
现场测量的前端传感单元，根据研究精度、可靠性和项目预算要求进行选型。
例如：
●土压力盒：
TPC总（土）压力盒
量程范围（弦式传感器）（kPa）200~20000
超载能力量程的200%
传感器型式弦式
精度±0.5%全值
分辨率0.1L.U.（MB-6TL）
●应力计：
EG-3839HIC-200012应力计式薄壁包体应力计
应力范围:
可达100MPa
精度:
应力的标准误差：
+/-10ppm
温度范围:
5°-50℃.
应变计:
工作长度10mm
●测缝计：
JM-E/JM-S埋入/表面测缝计
量程（mm）:
25,50,100,150,200,250
直径（mm）:
9.6
超额定范围:
1.25×量程
精度:
±0.1%范围
分辨率:
0.01毫秒/0.1L.U.（MB-6T（L））
温度范围:
-27~+65℃
●渗压计：
PW系列弦式渗压计
测量范围15~10000psi
分辨率0.01µs或0.1L.U.（MB-6TL）0.1Hz.（PALMETOVW）0.1℃
精度±0.5%F.S.（±0.25%和±0.1%选项）
温度飘移±0.1%F.S./°C
最大超载两倍量程范围
●土体沉降计：
SSG型土体沉降计
最大量程（灌充水银）2.54m
最大过压1.5×量程
分辨率（水银）:
MB-6T（L）:
0.25mm
PALMETROVW:
0.75mm
蓄水罐PVC,外径73mm,高61mm
更多的具体选型此处不做详述。
3.3远程监测单元设备
监测系统可采用远程监测单元（如DTRTU80G-20及其自动测量集线箱DTCEM-20）进行节点管理和数据采集、传输。
DT数据采集单元（RTU）以数据采集器（澳大利亚dataTakerDT80G）为核心，是最新一代的监测产品，具有性能稳定、技术先进、质量可靠、耐用、精度高等特点，各项技术指标均满足多种信息源监测的要求。
整个监测系统计划配置30台DTRTU80G-20远程监测单元及50台DTCEM-20自动测量集线箱，通讯采用了CDMA的DTU实现GPRS/CDMA无线数据传输。
3.4数据处理与分析预警系统
本项目基于隧道大范围安全监测信息实时采集与远程传输技术方案，研发形成隧道施工监测信息控制、管理、分析、预警的网络版软件系统。
系统具备多级无线监测节点网络的控制功能，根据能耗和监测子任务合理管理前端传感单元的采集作业，并具备数据库管理和查询功能、预警功能及网络监控和权限分级管理功能，业主、监理和技术咨询组等相关单位可以通过网络实时浏览第三方监测成果。
3.5可视化集成与展示系统
本项目研发形成的隧道施工监测信息管理、分析、预测软件系统，除具备一般的数据库管理功能外，还与施工过程三维可视化展示系统对接，实现直观地展示隧道沿线地物，动态模拟基坑施工开挖过程，形象地展示施工引起的整个基坑以及周边建筑物的变形及其发展过程。
供有关部门实时掌握施工进度和周边环境动态。
对接方式有两种：
（1）施工的可视化软件系统直接集成到隧道施工监测信息管理、分析、预测软件系统中，数据流为软件内部传输模式，施工过程显示的实时性更好。
（2）隧道施工监测信息管理、分析、预测软件系统汇总形成的各类实时监测数据，包括不良地质体的解释图像等，以数据库文件形式传输给另外开发的可视化展示软件，数据流为软件外部共享模式。
3.6部分依据标准：
1）《建筑变形测量规范》JGJ8-2007
2）《工程测量规范》GB50026-2007
3）《电气装置安装工程施工及验收规范》（GB50254-96～GB50259-96）
4）《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》（GB50169-92）
4、结语
为了验证设计阶段推测的情况，必须通过监测系统实时了解实际情况才能完成。
监测系统（方案）的范围和详细程度应该取决于实际采用的施工方法，以及导致该施工方法失效的主要机理。
只有在设计阶段、施工过程被正确地模拟，而且结论期望明确的情况下，监测方案才可能是有效的，从而保证最敏感的施工工序和最大的不确定性后果都能被监测到。
因此本项目提出的监测系统方案是基于已有信息作出的初步方案，必须在施工进程中以及相关研究开展后，随着更多信息的获取（包括岩土性质）动态地进行调整。
附：
（2）明挖段施工时应保证基坑稳定与周边建筑物的安全；
（3）暗挖段施工时应保证隧道自身、地面建筑及地下管线的安全；
①敏感地带富水地层大规模深基坑研究
②海域地带强突水软弱地段深大基坑研究
③敏感地带浅埋软弱大断面暗挖隧道建设技术研究
④敏感地带临近建筑物保护技术研究
⑤拱北隧道风险评估及控制措施研究
（3）结合地质条件、周边建筑物及地下管线情况，加强基坑围护体系及隧道结构分析计算工作，确保隧道施工安全及耐久性要求。
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