《隧道工程》监控量测与数据分析

隧道施工工艺及施工技术围岩预支护(预加固)装渣与运输初期支护监控量测与数据分析防排水施工工艺辅助坑道二次衬砌隧道爆破施工技术 隧道施工工艺及施工技术第五节监控量测与数据分析一、现场量测(一)量测目的(1)掌握围岩力学形态的变化和规律；(2)掌握支护结构的工作状态；评价围岩和支护系统的稳定性、安全性。(3)为理论解析、数据分析提供计算数据与对比指标；(4)为隧道工程设计与施工积累资料。 隧道施工工艺及施工技术(7)对隧道未来性态作出预测。依据各类观测曲线的形态特征，可掌握其变化规律，进而对未来性态作出有效的预测。(5)及时预报围岩险情，以便采取措施，防止事故发生。(6)指导安全施工，修正施工参数或施工工序。 隧道施工工艺及施工技术(二)监测项目与内容(1)地质和支护状态现场观察：(2)岩体(岩石)力学参数测试：(3)应力应变测试：(4)压力测试：(5)位移测试：(6)温度测试：(7)物理探测： 隧道施工工艺及施工技术隧道工程的量测项目：应测项目地质和支护状态观察周边位移拱顶下沉地表下沉 隧道施工工艺及施工技术选测项目围岩内部位移(地表设点)围岩内部位移(洞内设点)围岩压力及两层支护间压力钢支撑内力及外力支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝测量锚杆或锚索内力及抗拔力围岩弹性波测试爆破震动监测 隧道施工工艺及施工技术二、量测方法(一)洞内外观察（主要为地质素描）l.代表性测试断面的位置、形状、尺寸及编号；2.岩石名称、结构、颜色；3.结构面情况；4.岩脉穿插情况及其与围岩接触关系，软硬程度及破碎程度； 隧道施工工艺及施工技术5.岩体风化程度、特点、抗风化能力；6.地下水的类型、出露位置、水量大小及喷锚支护施工的影响等；7.施工开挖方式方法、锚喷支护参数及循环时间；8.围岩内鼓、弯折、变形、岩爆、掉块，坍塌的位置、规模、数量和分布情况，围岩的自稳时间等； 隧道施工工艺及施工技术9.溶洞等特殊地质条件描述；10.喷层开裂起鼓、剥落情况描述；11.地质断面展示图(1:20~1:100)或纵横剖面图(1:50~1:100)。必要时应附彩色照片。(二)拱顶下沉和地表沉降精密水准仪 隧道施工工艺及施工技术(三)坑道周边相对位移为量测方便起见，除对拱顶、地表下沉及底鼓可以量测绝对位移值外，坑道周边其它各点，一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值。拱顶下沉变形量测水平收敛 JSS30A型数显收敛计量测范围:0.5～10、0.5～15、0.5～20及0.5～30m分辩率0.01mm测量精度:0.1mm 隧道施工工艺及施工技术测试方法及注意事项(l)开挖后尽快埋设测点，并测取初读数，要求12h内完成；(2)测点(测试断面)应尽可能靠近开挖面，要求在2m以内；(3)读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定指示规定的张力值时读取；(4)当相对位移值较大时，要注意消除换孔误差；(5)测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况而定。 隧道施工工艺及施工技术(6)整个量测过程中，应作好详细记录，并随时检查有无错误。记录内容应包括断面位置、测点(测线)编号、初始读数、各次测试读数、当时温度以及开挖面距量测断面的距离等。两测点的连线称为测线。(5)测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况而定。 隧道施工工艺及施工技术4.数据整理量测数据整理包括数据计算、列表或绘图表示各种关系。(1)坑道周边相对位移计算式为式中，R0——初始观测值；Ri——第i次观测值；ui——第i次量测时，该两测点之间的相对位移值。 隧道施工工艺及施工技术(2)测尺为普通钢尺时，要消除温度影响尤其当洞径大(测线长)、温度变化大时，应进行温度改正。式中:——钢尺的线膨胀系数(一般取＝12×10-6/℃)L——量测基线长；t0、ti——分别为初始量测时温度和第i次量测时温度。 隧道施工工艺及施工技术(3)量测过程应及时计算出各测线的相对位移值，相对位移速率，及其与时间和开挖断面距离之间的关系，并列表或绘图。位移位移－时间关系曲线0初期支护二次支护下台阶开挖时间 隧道施工工艺及施工技术位移位移-开挖面距离关系曲线距离下台阶开挖锚杆喷混凝土 位移速度0时间位移速度-时间关系曲线 隧道施工工艺及施工技术 YDK174+500YDK175+000+500+900变形/mm斜井开口YDK175+330板岩占50%~80%千枚岩占60%~85%兰州方向武威方向里程志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布图 DK176+900DK177+000+100+200+300+400+500+600里程变形/mm初支拆换段新开挖段图7-4F7断层区段左线隧道变形沿隧道纵向分布图F7断层影响带F7断层主带 F7断层影响带主带影响带图7-7F7断层区段右线隧道最大变形速率沿隧道纵向分布图 图7-9最大变形速率与累计变形的关系最大变形速率/mm F4断层+290+440+640+740主带影响带影响带图7-15F4断层区段右线隧道二衬拱脚水平收敛纵向分布 隧道施工工艺及施工技术(四)围岩内部位移1.量测原理用位移计量测钻孔内(围岩内部)各点相对于孔口(岩壁)一点的相对位移。2.位移计位移计有两种类型，一类是机械式，另一类是电测式。其构造是由定位装置、位移传递装置、孔口固定装置、百分表或读数仪等部分组成。JXW-1型位移计 测量百分表单点杆式位移计内锚头位移传递杆外锚头 DWJ－1型深孔六点伸长计结构原理示意图1234561－位移测定器；2-圆形支架；3-锚固器；4-保护套管；5-砂浆；6-定位器 1-锚固压缩木；2-位移传递杆；3-硬杂木定位器；4-WY－40位移传感器；5-位移测点；6-测试导线电阻式多点位移计123456L1L2L3 隧道施工工艺及施工技术(五)锚杆应力及锚杆抗拔力实际量测工作中，是采用与设计锚杆强度相等，且刚度基本相等的各式钢筋计来观测锚杆的应力——应变。a)钢弦式量测锚杆钢弦式钢筋计1000mm1500mm电缆接长钢筋300mm800mm250mm焊接孔口250mm 图6-57YDK177+345锚杆轴力分布2.1m23.5kN2.1m3.4m3.4m3.4m2.1m40.7kN25.9kN50.7kN52.0kN33.5kN-12.9kN0.9m-12.2kN 隧道施工工艺及施工技术拉拔器检测锚杆抗拔力：概念：指锚杆能够承受的最大拉力。目的：一是测定锚杆锚固力是否达到设计要求，二是判断所使用的锚杆长度是否适宜，三是检查锚杆的安装质量。 隧道施工工艺及施工技术(六)围岩压力/初支与二衬间接触压力1.量测原理支护(喷射混凝土或模筑混凝土衬砌)与围岩之间的接触应力大小，既反映了支护的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况。可采用盒式压力传感器(称压力盒)进行测试。将压力盒埋设于混凝土内的测试部位及支护——围岩接触面的测试部位，则压力盒所受压力即为该部位(测点)压力。 隧道施工工艺及施工技术钢弦式双膜土压力盒钢弦式单膜土压力盒 隧道施工工艺及施工技术测试方法及注意事项：(1)将压力传感器按测试应力的方向埋设于测试部位，在喷射混凝土或模筑混凝土振捣过程中，应注意不要损伤导线或导管。(2)垂直于测试面布置。(3)测试频率应按要求执行。 隧道施工工艺及施工技术(七)混凝土应变埋入式应变计表面应变计既反映了混凝土的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况。 隧道施工工艺及施工技术埋入式砼应变计 隧道施工工艺及施工技术(八)钢筋应力 隧道施工工艺及施工技术频率接收仪 隧道施工工艺及施工技术(九)围岩的弹性波速度声波测试原理示意图1-振荡器；2-发射换能器；3-接收换能器；4-放大器；5-显示器12345岩石(体)l.量测原理目前，在工程测试中，普遍应用声波在岩体中传播的纵波速度(VP)来作为评价岩体物理力学性质的指标。 隧道施工工艺及施工技术一般有以下规律：(1)岩体风化、破碎、结构面发育则波速低、衰减快、频谱复杂；(2)岩体充水或应力增加则波速高、衰减小、频谱简化；(3)岩体不均匀和各向异性则其波速与频谱也相应表现出不均一和各向异性。 隧道施工工艺及施工技术2.测试方法及注意事项声波测试应注意以下几点：①探测区域的选择要有典型性和代表性；②测点、测线、测孔的布置要有明确的目的性，要根据实际工程地质情况、岩体力学特性及建筑形式等进行布设；③声波测试一般以测纵波速度(VP)为主，但应根据实际要求，可测其横波速度(VS)，记录波幅，进行频谱分析。 隧道施工工艺及施工技术三、现场量测计划(一)量测项目的确定及量测手段的选择量测项目的确定主要是依据围岩条件、工程规模及支护方式。量测项目通常分为必测项目A和选测项目B。量测项目、仪器、测点布置、量测频率、数据处理、量测人员组织等 隧道施工工艺及施工技术(二)测试断面的确定进行测试的断面有两种，一是单一的测试断面，二是综合的测试断面。在应测项目中，原则上净空位移与拱顶下沉量测应布置在同一断面上。量测断面间距视隧道长度、地质条件和施工方法等确定。 隧道施工工艺及施工技术 隧道施工工艺及施工技术对于土砂、软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉量测，沿隧道纵向布置测点的间距可视地质、覆盖层厚度、施工方法和周围建筑物的情况确定。其量测断面间距可按表 隧道施工工艺及施工技术(三)测点的布置(a)一条测线(b)两条测线(c)三条测线(d)五条测线(e)六条测线(f)七条测线1.净空位移量测的测线布置 隧道施工工艺及施工技术2.围岩内部位移测孔的布置(a)三测孔(b)五测孔(c)七测孔围岩内部位移测孔布置，一般应与净空位移测线相应布设，以便使两项测试结果能够相互印证，协同分析与应用。一般每100~500m设一个量测断面。 隧道施工工艺及施工技术3.地表、地中沉降测点布置地表、地中沉降测点，原则上主要测点应布置在隧道中心线上，并在与隧道轴线正交平面的一定范围内布设必要数量的测点。并在有可能下沉的范围外设置不会下沉的固定测点。2~5m间隔地中沉陷计不动点倾斜计450 隧道施工工艺及施工技术4.锚杆轴力量测的布置量测锚杆要依据具体工程中支护锚杆的安设位置、方式而定，如局部加强锚杆，要在加强区域内有代表性的位置设量测锚杆。全断面系统锚杆(不包括仰拱)，量测锚杆在断面上布置可参见围岩内部位移测孔图方式进行。锚杆轴力(b)锚杆轴力 隧道施工工艺及施工技术5.喷层(衬砌)应力量测布置(a)三测点(b)六测点(c)九测点喷层应力量测，除应与锚杆受力量测孔相对应布设外，还要在有代表性部位设测点，如拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚等部位，并应考虑与锚杆应力量测作对应布置。另外，在有偏压、底鼓等特殊情况下，则应视具体情形，调整测点位置和数量。以便了解喷层(衬砌)在整个断面上的受力状态和支护作用。 隧道施工工艺及施工技术6.围岩压力量测测点布置围岩压力量测的测点一般埋设在拱顶、拱脚和仰拱的中间，其量测断面一般和支护衬砌间压力以及支护、衬砌应力的测点布置在一个断面上，以便将量测结果相互印证。 隧道施工工艺及施工技术太行山隧道7#斜井工区断面测点布置图围岩压力初支砼及钢架应力二衬接触压力二衬砼及钢筋应力锚杆轴力 隧道施工工艺及施工技术F7断层左线迂回导坑YZK0＋210断面测点布置水平收敛锚杆轴力围岩压力初支砼应力及钢架应力拱顶下沉④⑦②⑤③⑥ 隧道施工工艺及施工技术7.声波测孔布置(a)五测孔(b)九测孔(c)十三测孔声波测孔宜布置在有代表性的部位。还要考虑到围岩层理、节理的方向与测孔方向的关系。可采用单孔、双孔两种测试方法；或在同一部位，呈直角相交布置三个测孔，以便充分掌握围岩结构对声波测试结果的影响。 隧道施工工艺及施工技术(四)量测仪器(测点)的安设与量测频率快——要求在开挖爆破后24h内，在下一循环爆破前完成全都埋设，并测取初读数。近——仪器(测点)埋设，要尽量靠近开挖掌子面，要求不超过2m，有的安设在距开挖掌子面0.5m左右的断面上，观测效果更好，不过需要加强仪器(测点)的保护。安设 隧道施工工艺及施工技术量测频率 隧道施工工艺及施工技术量测期间在变形量小的隧道中(开挖后一个月内收敛)，因变形收敛快，在变形收敛至一定值后，再以每天测一次的频率测一周时间，观察其稳定状态。在变形量大的隧道中(开挖后经两个月以上，变形仍不收敛)，直至变形量收敛至一定数值后，再以每天测一次的频率测两周时间，以确认变形是否稳定。在塑性流变岩体中，如变形长期(两月以上)不收敛，量测要进行到1mm/30d为止。 隧道施工工艺及施工技术确定量测期间的方法经过日数(d)(变形量大)(变形量小)1周2周变形量(mm) 隧道施工工艺及施工技术在选测项目中，地表沉降量测频率，在量测区间内原则上1~2d一次。上半下半D地表沉降量测区间量测区间上半下半(2~5)DH+h345°Hh1h2 隧道施工工艺及施工技术围岩位移量测、锚杆轴力量测、喷层(衬砌)应力量测、围岩压力量测、格栅应力量测等的量测频率，原则上与同一断面内的应测项目量测频率相同。 隧道施工工艺及施工技术四、量测数据分析与反馈(一)地质预报(1)在洞内直观评价当前已暴露围岩的稳定状态，检验和修正初步的围岩分类；(2)根据修正的围岩分类，检验初步设计的支护参数是否合理，如不恰当，则应予修正；(3)直观检验初期支护的实际工作状态； 隧道施工工艺及施工技术(4)根据当前围岩的地质特征，推断前方一定范围内围岩的地质特征，进行地质预报；防范不良地质突然出现。(5)根据地质预报，并结合对已作初期支护实际工作状态的评价，预先确定下循环的支护参数和施工措施；(6)配合量测工作进行测试位置选取和量测成果的分析。 隧道施工工艺及施工技术(二)净空位移分析与反馈隧道工程现场量测主要以净空位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的指标。1.判断标准(或称为“收敛标推”)：包括三个方面：位移量(绝对或相对)、位移速率、位移加速度。2.根据以上判断标准，如果围岩位移速度不超过允许值，且不出现蠕变趋势，则可以认为围岩是稳定的，初期支护是成功的。若表现出稳定性较好，则可以考虑适当加大循环进尺。 隧道施工工艺及施工技术3.二次衬砌(内层衬砌)的施作时间。按新奥法施工原则，当围岩或围岩加初期支护基本达成稳定后，就可以施作二次衬砌。0.5350.3020.3371.0220.310.6900.3560.03 隧道施工工艺及施工技术(三)围岩内位移及松动区分析与反馈(四)锚杆轴力分析与反馈根据实际调查发现锚杆轴应力在洞室断面各部位是不同的，表现为：1.同一断面内，锚杆轴应力最大者多数在拱部45°附近到起拱线之间；2.拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现压应力的情况是不少的。 隧道施工工艺及施工技术(五)围岩压力分析与反馈围岩压力的大小与围岩位移量及支护刚度密切相关。(六)喷层应力分析与反馈喷层应力是指切向应力，喷层应力与围岩压力及位移有密切关系。喷层应力大的原因有二个方面，一是围岩压力和位移大；二是由于支护不足。(七)地表下沉分析与反馈(八)声波速度分析与反馈