隧道施工監控量測技術 目錄 一 概念二 必要性三 目的四 總體要求及方案制定五 監控量測項目與方法六 數據處理及應用七 監控量測管理 隧道施工監控量測技術 一 監控量測概念 重要性 監控量測是指在隧道施工過程中 對圍巖 地表 支護結構的變形和穩定狀態 以及周邊環境動態進行的經常性觀察和量測工作 以了解和掌握圍巖穩定狀態及支護結構體系可靠程度 確保隧道施工安全和結構的長期穩定性 為隧道施工中變更圍巖級別 調整初期支護和二次襯砌的參數 指導施工順序 修正及優化設計提供依據 是實現信息化設計與施工不可缺少的一道工序 二 隧道監控量測的必要性1 由于隧道處于千變萬化的巖體之中 其所受外力是不明確的 施工過程中應采用量測手段掌握受力情況 2 隧道在開挖 支護 成形 運營的過程中 自始自終都存在受力狀態變化這一特性 監控量測可以了解變化情況 隧道施工監控量測技術 3 隧道監控量測是隧道施工安全的哨兵 是確保隧道安全施工的前提條件 4 監控量測是判斷隧道支護結構穩定性 指導軟弱圍巖隧道安全施工最重要的信息化手段 很多隧道的變形與坍方是因為沒有進行量測 或沒有使用量測成果才產生的 教訓深刻 隧道監控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂 淺埋段應進行地表沉降量測 特別地段進行底部上鼓 填充面下沉量測 工程實例 1 鄭西客專函谷關隧道洞頂公路路面 服務區下沉及開裂情況 最大下沉529mm 2 杭州地鐵車站基坑坍塌 三 隧道施工監控量測的目的1 確保安全 根據量測信息 預見事故和險情 防患于未然 2 指導施工 分析處理量測數據 預測和確認隧道圍巖最終穩定時間及變形量 指導施工順序 開挖預留變形量和施作二次襯砌時間 3 修正設計 根據隧道開挖后所獲得的量測信息 進行綜合分析 修正支護參數和檢驗施工與設計措施的可靠性 4 環境監控 對工程施工可能產生的環境影響進行全面的監控 判斷隧道施工對周圍環境的影響程度 隧道施工監控量測技術 四 隧道施工監控量測總體要求及方案制定1 隧道施工監控量測總體要求 按照 關于印發鐵路隧道設計施工有關標準補充規定的通知 鐵建設 2007 88號 關于加強鐵路隧道工程安全工作的若干意見 鐵建設 2007 102號 關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知 鐵建設 2010 120號 和 鐵路隧道監控量測技術規程 TB10121一2007 等相關要求開展工作 并將監控量測納入關鍵工序進行管理 監控量測結果應及時反饋 指導設計與施工 隧道開挖后的圍巖變形量測應按規定實施 量測數據應繪制成圖 每座隧道應根據工程地質情況 編制具體監控量測方案及實施細則 并配置專門人員和儀器負責此項工作 針對隧道不同地質情況 選用監控量測項目和監控手段 配置相應精度的儀器 測點應緊靠工作面快速埋設 盡早測量 一般在距開挖工作面2m范圍內設置 拱頂下沉 收斂量測起始讀數宜在開挖支護后2h內完成 建技 2010 352號 其他量測應在每次開挖后12h內取得起始讀數 在噴射混凝土后 下次爆破前測取初讀數 隧道開挖后最初時間的變形及應力變化較快 盡快取得初讀數對后期的最終位移及應力預測很重要 位移監控測量宜采用無尺量測 當采用收斂計量測時 每次測點位置應固定 掛鉤應采用三角形掛鉤 隧道施工監控量測技術 有尺量測的掛鉤設置 初期支護施做后 用沖擊鉆或鑿巖機鑿 40mm 深600mm的孔 其中伸入巖體250 300mm 外露不小于50mm 用1 1快硬水泥砂漿或錨固藥卷填滿后插入端頭焊接掛鉤的 22螺紋鋼筋 使同一基線兩測點的固定方向在同一斷面及水平線上 隧道施工監控量測技術 關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知 鐵建設 2010 120號 有關監控量測的規定 1 隧道監控量測應按現行 鐵路隧道監控量測技術規程 TB10121一2007 的規定建立等級管理 信息反饋和報告制度 2 隧道監控量測應作為關鍵工序納入現場施工組織 監控量測必須設置專職人員并經培訓后上崗 對周邊建筑物可能產生嚴重影響的城市鐵路隧道 應實施第三方監測 3 隧道拱頂下沉和凈空變化的量測斷面間距 級圍巖不得大于10米 級圍巖不得大于5米 4 隧道淺埋 下穿建筑物地段 地表必須設置監測網點并實施監測 5 當拱頂下沉或水平收斂速率達5mm d或位移累計達100mm時 要暫停掘進 分析產生原因 采取處理措施 預警機制 6 采用有尺量測時 測點掛鉤要做成閉合的三角形 保證牢固不變形 點接觸 將監控量測工作納入工序管理 監控量測工作是隧道信息化施工的重要組成部分 必須將此項工作作為關鍵工序納入現場施工組織和生產工序之中 結合公司相關要求 施工單位須編制監控量測實施細則及作業指導書 并報監理單位審批 施工中嚴格 認真實施 監控量測與信息反饋程序圖 無尺量測 傳統的隧道施工位移監測多采用鋼尺式收斂計 但這種方法已有明顯的局限性 如現場操作困難 對施工干擾大 測量精度下降等問題 隨著國內光電測距技術的迅速發展 隧道工程施工中已廣泛采用無尺量測技術 該監測系統采用全站儀 方形十字反射片 規格20mm 20mm 組成現場觀測系統 具體施做步驟 埋設測點 設置儀器 測點量測 處理數據 反饋指導施工 無尺量測 無尺量測法主要用于圍巖變形量測 具有以下優點 1 自動化程度高 操作簡便 大大減少了因人工操作而引起的誤差 2 系統精度高 左右兩側進行復測復核 能夠滿足量測要求 3 非接觸量測 在大跨度隧道量測中具有明顯優勢 4 軟件操作方便 可及時反饋信息 無尺量測指導施工 無尺量測現場實施 隧道開工前 根據隧道規模 地形 地質條件 支護類型和參數 施工方法等進行監控量測設計 其中包括 量測管理組織機構 量測項目 量測儀器 測點布置 量測頻率 數據處理及量測數據報告制度等 變形觀測點埋設元件及標識牌 全站儀要具有免棱鏡激光測距功能 采用兩次讀數取平均值的方法 2 施工監控量測方案的制定量測方案應根據隧道地質地形條件 支護類型和參數 施工方法和其他有關條件制定 其具體內容包括 監控量測項目 方法及監控量測斷面選定 斷面內測點的數量 位置 量測頻率 量測儀器和元件的選定及其精度 埋設時間等 傳感器埋設設計 埋設方法 步驟 各部分尺寸 工藝選定及工程進度銜接等 固定測試元件的結構設計 量測數據記錄表格式 表達量測結果的格式 量測數據精度確認的方法 隧道施工監控量測技術 量測斷面布置圖和文字說明 量測數據處理方法 利用量測反饋信息修正設計和施工方法 量測數據大致范圍 作為判斷異常依據 用初期量測值預測最終值 綜合判斷隧道最終穩定的標準 施工管理方法 出現異常情況的對策 隧道施工監控量測技術 1 隧道施工量測項目包括必測項目和選測項目 應根據隧道工程地質條件 圍巖類別 圍巖應力分布情況 隧道跨度 埋深 工程性質 支護類型等因素確定 五 隧道施工量測項目與方法 監控量測必測項目 隧道施工監控量測技術 必測項目是施工的經常性量測項目 這類量測項目通常測試方法簡單 費用少 可靠性高 對監視圍巖穩定 指導設計和施工卻具有重要的作用 選測項目是對一些有特殊意義和具有代表性的區段進行監測 以求更深入地掌握圍巖的穩定狀態與錨噴支護效果 以便更好地指導未開挖區的設計與施工 這類量測項目較多 費用較大 一般由設計文件規定在局部地段進行 必須實施 可以實施 必要時實施 2 隧道施工量測內容及方法洞內外觀察 必測項目 目測觀察的目的 預測開挖面前方的地質條件 超前地質預報 為判斷圍巖的穩定性提供地質依據 根據噴層表面狀態及錨桿的工作狀態 分析支護結構的可靠程度 隧道施工監控量測技術 隧道觀察內容 開挖工作面觀察應在每次開挖后進行 主要觀察掌子面巖性 結構面產狀 節理裂隙發育程度 斷層的性質 產狀 掌子面自穩情況 涌水量大小 涌水位置等 觀察中發現圍巖條件惡化時 應立即采取相應處理措施 及時繪制開挖工作面地質素描圖 或數碼拍照 填寫開挖工作面地質狀況記錄表和施工階段圍巖級別判定卡 并與勘察資料進行對比 已施工地段觀察每天至少應進行一次 記錄噴射混凝土是否發生裂隙和剝離現象 錨桿的受力變形情況 鋼架是否壓曲變形和二次襯砌的工作狀態等 洞外觀察重點應在洞口段和洞身淺埋段 記錄地表開裂 變形 邊坡及仰坡穩定狀態 地表水滲漏情況等 同時還應對地面建 構 筑物進行觀察 隧道施工監控量測技術 周邊位移量測 周邊位移量測目的收斂量測是隧道施工監控量測的重要項目 周邊位移是隧道圍巖應力狀態變化最直觀的反映 通過周邊位移量測可以達到以下目的 判斷隧道空間的穩定性 根據變位速度判斷圍巖穩定程度和二次襯砌施作的合理時機 指導現場的施工 隧道施工監控量測技術 周邊位移量測方法及要求收斂量測的主要內容包括儀器選擇 斷面間距 量測頻率 測線布置 量測點埋設時間等 收斂量測的間距與測點數量 必測項目量測斷面間距和每斷面測點數量 注 級圍巖視具體情況確定間距 隧道施工監控量測技術 量測頻率 量測頻率可根據位移速度和量測斷面距開挖面距離確定 按位移速度 按距開挖面距離 注 b為隧道開挖寬度 由位移速度決定的監控量測頻率和由距開挖面的距離決定的監控量測頻率之中 原則上采用較高的頻率值 出現異常情況或不良地質時 應增大監控量測頻率 量測儀器目前隧道施工中常用的收斂計為機械式的收斂計和數顯式收斂計 測試原理 測試中讀得初始數值X0 間隔時間t后 用同樣的方法可讀得t時刻的值Xt 則t時刻的周邊收斂值Ut即為的兩次讀數差 即Ut L0 Lt Xt1 Xt0式中 L0 初讀數時所用尺孔刻度值 Lt t時刻時所用尺孔刻度值 Xt1 t時刻時經溫度修正后的讀數值 Xt1 Xt tXt0 初讀數時經溫度修正后的讀數值 Xt0 X0 toXt t時刻量測時讀數值 X0 初始時刻讀數值 t 溫度修正值 t T0 T L 鋼尺線膨脹系數 T0 鑒定鋼尺的標準溫度 T0 20 T 每次量測時的平均氣溫 L 鋼尺長度 拱頂下沉量測 拱頂下沉量測目的確認圍巖的穩定性 判斷支護效果 指導施工工序 預防拱頂崩塌 保證施工質量和安全 拱頂下沉量測儀器精密水準儀或全站儀 隧道施工監控量測技術 3 拱頂下沉量測原理第一次讀數后視點讀數為A1 前視讀數為B1 第二次后視點讀數為A2 前視讀數為B2 拱頂變位計算方法如下 差值計算法 鋼尺和標尺均正立 即讀數上小下大 后視讀數差A A2 A1前視讀數差B B2 B1拱頂變位值C B AC 0拱頂上移 C0拱頂上移 C 0拱頂下沉 地表下沉量測目的 淺埋段預測地表坡面的穩定 根據地表建筑物類別 控制最大下沉量 設點 地表沉降測點橫向間距為2 5m 每個斷面設7 11個點 監測范圍應在隧道開挖影響范圍以內 在隧道中線附近測點應適當加密 隧道中線兩側量測范圍不應小于Ho B Ho為隧道埋深 B為隧道開挖寬度 地表有控制性建 構 筑物時 量測范圍應適當加寬 測點采用 22螺紋鋼 深入坡體60 80cm 外露5cm 表面磨平后在表面打眼作標記 地表下沉量測應在開挖工作面前方 隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始 直到二次襯砌結構封閉 下沉基本停止時為止 地表下沉量測頻率應與洞內拱頂下沉和凈空變化的量測頻率相同 地表沉降與隧道埋深 注 B為隧道直徑 H為隧道埋深 地表沉降測點縱向間距 5 10 H B 10 20 B H 2B 20 50 2 5B H 2B 縱向測點間距 m 埋深與開挖寬度 凈空變化量測測線數 圖1洞頂地表下沉測點布置圖 圖2 1全斷面開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖 圖2 2上下臺階及三臺階法開挖拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖 圖2 3CD CRD法開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖 圖2 4雙側壁導坑法開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖 圖3拱部下沉 底部上鼓 填充面下沉測點布置圖 圍巖內部位移量測 隧道圍巖內部位移量測的主要目的 了解隧道圍巖的徑向位移分布和松弛范圍 判斷開挖后圍巖的松動區 強度下降區以及彈性區的范圍 根據實測結果優化錨桿參數 指導施工 量測儀器多點位移計 隧道施工監控量測選測項目 錨桿軸力量測 量測目的 了解錨桿實際工作狀態及軸向力的大小 結合位移量測 判斷圍巖發展趨勢 分析圍巖內強度下降區的界限 修正錨桿設計參數 評價錨桿支護效果 量測方法和儀器錨桿的軸向力測定 按其量測原理可分為電測式和機械式兩類 其中電測式又可分為電阻應變式和鋼弦式 電阻應變式和機械式是通過量測錨桿不同深度處的應變 或變形 然后按有關計算方法轉求應力 鋼弦式則是通過測定不同深度處傳感器受力后的鋼弦振動頻率變化 轉求應力 圍巖壓力及兩層支護間壓力量測隧道開挖后 圍巖要向凈空方向變形 而支護結構要阻止這種變形 這樣就會產生圍巖作用與支護結構上的圍巖壓力 圍巖壓力量測 通常情況下是指圍巖與支護或噴層與二次襯砌混凝土間的接觸壓力的測試 量測目的了解圍巖壓力的量值及分布狀態 判斷圍巖和支護的穩定性 分析二次襯砌的穩定性和安全度 量測儀器與原理接觸壓力量測儀器根據測試原理和測力計結構不同分為液壓式測力計和電測式測力計 目前隧道中多用電測式 弦測法原理 在傳感器中有一根張緊的鋼弦 當傳感器受外力作用時 弦的內應力發生變化 隨著弦的內應力改變 自振頻率也相應地發生變化 弦的張力越大 自振頻率越高 反之 自振頻率越低 鋼支撐應力量測一般在 級圍巖中常采用型鋼支撐 級圍巖中常采用格柵支撐 通過對鋼支撐的應力量測 可知鋼支撐的實際工作狀態 從鋼支撐的性能曲線上可以確定在此壓力作用下鋼支撐所具有的安全系數 視具體情況確定是否需要采用加固措施 量測目的 了解鋼支撐應力的大小 為鋼支撐選型與設計提供依據 根據鋼支撐的受力狀態 判斷隧道空間和支護結構的穩定性 了解鋼支撐的實際工作狀態 保證隧道施工安全 隧道施工監控量測技術 量測元件目前使用較普遍的型鋼支撐應力量測多采用鋼弦式表面應變計 格柵支撐應力量測多采用鋼弦式鋼筋應力計 鋼弦式表面應變計結構圖 鋼弦式鋼筋應力計 混凝土應力量測混凝土應力量測包括噴射混凝土和二次襯砌模筑混凝土應力量測 其目的是了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應力狀態 掌握噴層所受應力的大小 判斷噴射混凝土層的穩定狀況 判斷支護結構長期使用的可靠性以及安全程度 檢驗二次襯砌設計的合理性 六 隧道施工量測數據處理及應用1 隧道施工監控量測數據處理由于現場量測所得的原始數據 不可避免具有一定的離散性 其中包含著測量誤差甚至測試錯誤 數學處理的目的 將同一量測斷面的各種量測數據進行分析對比 相互印證 以確認量測結果的可靠性 探求圍巖變形或支護系統的受力隨時間變化規律 空間分布規律 判定圍巖和支護系統穩定狀態 量測數據處理的內容 可用Excel軟件編制程序進行 繪制位移 應力 應變隨時間變化的曲線 時態曲線 繪制位移速率 應力速率 應變速率隨時間變化的曲線 繪制接觸壓力 支護結構應力在隧道橫斷面上分布圖 量測數據整理 分析與反饋應符合下列要求 1 每次量測后應及時進行數據整理 并繪制量測數據時態曲線 2 選擇回歸曲線 對初期的時態曲線應進行回歸分析 預測可能出現的最大值和變化速度 3 對支護及圍巖狀態 工法 工序進行評價 4 數據異常時 應根據具體情況及時采取增加臨時支撐 加厚噴層 加密或加長錨桿 增加鋼架等加固措施 并按公司有關規定程序報告 當發現隧道穩定性出現問題時 應對隧道施工方法進行調整 一般包括以下幾個方面 采取穩定開挖工作面的措施 斷面的早期閉合 開挖進尺的改變 開挖分部尺寸的改變 開挖方法的變更 支護結構的變更 增加輔助工法 超前支護 臨時支撐 注漿加固等 由于量測誤差所造成的離散性 按實測數據所繪制的位移等物理量隨時間或空間變化的散點圖上下波動 很不規則 難以用來分析 因此 需要采用數學處理的方法 將實測數據采用經驗公式進行分析 回歸分析是目前量測數據處理的主要方法 通過對量測數據回歸分析可以預測最終值和各階段的變化速率 回歸分析使用的函數如下 對數函數 指數函數 雙曲函數 分析方法見課件附件 回歸分析計算 指南上公式不對 2 隧道施工監控量測數據的應用從維護圍巖穩定性和支護系統的可靠性出發 現場測試人員關心圍巖變形量的大小 是否侵入隧道設計斷面的限界 是否對施工人員的安全構成威脅 以便及時調整設計參數和進行施工決策 初期支護階段圍巖穩定性的判斷和施工管理 根據最大位移值進行施工管理a 當量測位移U小于Uo 3 表明圍巖穩定 可以正常施工 b 當量測位移U大于Uo 3并小于2Uo 3時 表明圍巖變形偏大 應密切注意圍巖動向 可采取一定的加強措施 如加密 加長錨桿等措施 U 位移實測值 Uo 極限相對位移值 c 當量測位移U大于2Uo 3時 表明圍巖變形很大 應先停止掘進 并采取特殊的加固措施 如超前支護 注漿加固等 d 實測最大位移值或預測最大位移值不大于2Uo 3時 可認為初期支護達到基本穩定 根據位移速率進行施工管理a 凈空變化速度持續大于5 0mm d時 表明圍巖處于急劇變形狀態 應加強初期支護系統 b 當位移速度在1 0 2mm d之間時 表明圍巖處于緩慢變形階段 c 當位移速度小于0 2mm d時 拱頂下沉速度小于0 15mm d時 表明圍巖已達到基本穩定 在淺埋地段以及膨脹性和擠壓性圍巖等情況下 應采用其他指標判別 根據位移時態曲線進行施工管理每次量測后應及時整理數據 繪制時態曲線 a 當位移速率很快變小 時態曲線很快平緩 表明圍巖穩定性好 可適當減弱支護 b 當位移速率逐漸變小 即d2u dt2 0 時態曲線趨于平緩 表明圍巖變形趨于穩定 可正常施工 c 當位移速率不變 即d2u dt2 0 時態曲線直線上升 表明圍巖變形急劇增長 無穩定趨勢 應及時加強支護 必要時暫停掘進 d 當位移速率逐步增大 即d2u dt2 0 時態曲線出現反彎點 表明圍巖已處于不穩定狀態 應停止掘進 采取加固措施 隧道施工監控量測控制基準 監控量測控制基準包括隧道內位移 地表沉降 爆破振動等 應根據地質條件 隧道施工安全性 隧道結構的長期穩定性 以及周圍建 構 筑物特點和重要性等因素制定 隧道初期支護極限相對位移可參照下表選用 跨度B 7m隧道初期支護極限相對位移 跨度7m B 12m隧道初期支護極限相對位移 注 1 本表適用于復合式襯砌的初期支護 硬質圍巖隧道取表中較小值 軟質圍巖隧道取表中較大值 表列數值可在施工中通過實測資料積累作適當修正 2 拱腳水平相對凈空變化指兩拱腳測點間凈空水平變化值與其距離之比 拱頂相對下沉指拱頂下沉變化值與原拱頂至隧底高度之比 3 墻腰水平相對凈空變化極限值可按拱腳水平相對凈空變化極限值乘以1 2 1 3后采用 位移控制基準應根據測點距開挖面的距離 由初期支護極限相對位移按下表要求確定 注 B為隧道開挖寬度 U 為極限相對位移值 根據位移控制基準 可按下表分為三個管理等級 對于跨度大于12米的鐵路隧道 目前還沒有統一的位移判斷標準 4 隧道二次襯砌的施作條件 各測試項目的位移速率明顯收斂 圍巖基本穩定 已產生的各項位移已達預計總位移量的80 90 周邊位移收斂速率小于0 1 0 2mm d 或拱頂下沉速率小于0 07 0 15mm d 從安全考慮 周邊位移速率與拱頂下沉速度 應指不少于7d的平均值 總位移值可由回歸分析計算取得 隧道施工監控量測技術 綜合應用 對圍巖位移的監控量測也不能完全遵循圍巖穩定后施做二襯的原則 尤其是在洞口段通常圍巖較差 應及時施作二襯 有的隧道洞口段因二襯施工不及時導致圍巖變形侵限 造成了初期支護返工 因此在圍巖位移出現線性變化或不斷波動且不趨于穩定甚至出現凹型曲線變化時 應立