20101222隧道及地下工程监控量测技术(改).ppt

,隧道监控量测及超前地质预报 专题讲座,二一年十二月 四川绵阳,专题一、 新奥法 专题二、 监控量测 专题三、 地质超前预报 专题四、监控量测、地质预报案例,专题一、 新奥法,1、地下工程形成原理 地下施工基本目的是在各类地质体中修建长期稳定的洞室结构 体系，这个结构体系是周围地质体和各种支护结构构成的。 形成过程如下 与之相适应力学过程如下,一、新奥法,原始岩体,毛洞,支护体系,稳定洞室,开挖,支护,时间,初始应力状态(一次应力状态),坑道开挖后应力状态(二次应力状态),支护体系应力状态(三次应力状态),终极应力状态(四次应力状态),开挖,支护,时间,2、新奥法基本原理 新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。,一、新奥法,3 、新奥法核心内容 充分发挥围岩的自承能力。围岩是承载的主体，结构是安全贮备。,锚杆,喷混凝土,二次衬砌,岩体,围岩松弛区,一、新奥法,4、新奥法施工基本流程,一、新奥法,5、新奥法施工的基本原则 “少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭” 少扰动：隧道开挖时，尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。 早喷锚：开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩变形进入受控制状态。 勤量测：以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态或动态发展趋势，以便及时调接支护形式、开挖方法。 紧封闭：一方面采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减；另一方面要适时对围岩施作封闭形支护。,专题二：隧道及地下工程监控量测技术,主要内容,1.监控量测的目的和内容,2.监控量测的项目与方法,3.监控量测的管理,4.监控量测数据分析,5.监控量测的信息反馈,6.监控量测的未来展望,1.1 监测目的和意义,监测目的： 掌握围岩稳定和支护受力与变形的动态信息，判定隧道的安全性和经济性。 确保安全：掌握围岩和支护状态，进行动态管理，根据量测信息，预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。 指导施工：量测数据经过分析处理，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，指导施工顺序和施作二次衬砌时间。 修正设计：根据隧道开挖后所获得的量测信息，进行综合分析，修正支护参数和检验施工与设计。 积累资料：已有工程的量测结果可以直接应用到后续同类围岩中或者间接地应用到其他类似工程中，作为设计和施工的参考资料。,监控量测意义,对隧道在施工过程中进行监控量测，具有重大的经济意义和实用价值。因为通过现场监控量测，将迅速、准确地获得第一手数据资料，将数据资料和现场量测资料进行分析，并将分析结果及时反馈给设计、施工单位、监理和业主，直接服务于隧道施工；并能及时预报和预测施工过程中出现的险情，对可能出现的事故进行防范和处理。可以避免由于缺乏隧道施工监控量测数据和结果分析而造成施工与支护等工作安排的盲目性，尽量降低工程造价，争取时间，保证在计划工期内圆满的完成隧道施工任务。总之，监控是量测的目的，而量测是监控的手段。,监测意义： 提供设计依据 指导施工和预报险情 对运营工程提供安全监视 校核理论 为工程类比提供依据,1.2 监测内容,隧道安全及环境控制监测内容：,监控量测必测项目,监控量测选测项目,监控量测选测项目,2.1 地质及支护状况观察,内容 1.掌子面地质素描 岩性，产状，节理（断层）性质，地下水状态等。 2.支护状况的观察 喷层表面的观测及裂缝状况的描述与记录 有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象 喷混凝土是否发生剪切破坏 钢拱架有无被压曲现象,地质和支护状况观察,观察内容： (1)岩石种类和产状； (2)岩性特征：岩石的颜色、成分、结构、构造； (3)节理性质、组数、间距、规模； (4)断层的性质、产状、破碎带宽度、特征； (5)地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力等； (6)开挖工作面的稳定状态； (7)开挖后支护段初期支护是否有异常现象。 观察目的： (1)预测开挖面前方的地质条件； (2)为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据； (3)根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。,2.1 地质及支护状况观察,测试仪器 地质罗盘、地质锤、放大镜、数码相机或摄像机 测试频率 目测在隧道开挖工作面爆破后及初期支护后立即进行，每个监测断面绘制隧道开挖工作面及两帮素描剖面图,2.2 地表下沉量测,监测的内容 浅埋隧道洞口开挖成形后，地表岩土下沉量。 监测的目的 地表下沉量的多少和下沉的快慢，判断分析隧道洞口围岩是否稳定，为设计优化支护参数提供可靠的数据，保证施工安全。,2.2 地表下沉量测,测试方法：水准测量和三角高程测量 监测仪器与测点布设： 水准测量：水准仪和标尺 三角高程：全站仪、反射片(棱镜）、钢尺等仪器,2.3 拱顶下沉和周边位移量测,量测内容:拱顶下沉量量测，是指对隧道拱顶的实际位移值进行量测，是相对于不动点的绝对位移 量测目的：了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性；根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机 测试方法：水准测量和三角高程测量 监测仪器与测点布设： 水准测量：水准仪和标尺 三角高程：全站仪、反射片(棱镜）、钢尺等仪器,2.3 拱顶下沉和周边位移量测,监测断面布置 测点布置：根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置、隧道埋置深度等条件确定,级以下围岩监测点布置型式,双侧壁导坑法监测点布置型式,级以上围岩监测点布置型式,crd法监测点布置型式,2.3 拱顶下沉和周边位移量测,监测频率 管理等级,2.4 拱顶下沉和周边位移量测,接触量测法 非接触量测法,2.4 锚杆质量检查-锚杆轴力量测,锚杆应力量测测点布设,量测目的 了解锚杆受力状态及轴力的大小，为确定合理的锚杆参数提供依据； 判断围岩变形的发展趋势，概略判断围岩内强度下降区的界限； 评价锚杆的支护效果； 掌握围岩内应力重分布的过程,2.4 锚杆质量检查-锚杆轴力量测,量测方法：采用zx-425bt型钢筋应力计连接而成的量测锚杆；沿锚杆不同长度上布置原件，量测沿锚杆长度各点的轴力。,2.4 锚杆质量检查-锚杆长度和饱满度量测,量测方法：采用锚杆质量检测仪进行无损检测。系统由震源发射器、主机、检波器和分析处理软件组成。,2.4 锚杆质量检查-锚杆长度和饱满度量测,检测评价标准,2.4 锚杆质量检查-锚杆长度和饱满度量测,不同质量的波形,2.5 围岩内部位移量测,量测目的： 了解径向位移分布； 判断开挖后围岩的松动区和强度下降区； 判断锚杆长度是否适宜； 判断相邻隧道施工对既有隧道围岩稳定性的影响。,地中位移量测测点布设,2.5 围岩内部位移量测,测量仪器 多点位移常使用的是四点钻孔伸长计进行量测。它由四个钻孔锚头、四根量测钢丝、一个测筒、四个电感式传感器和它的量测仪器数字位移计组成,2.6 围岩压力量测,测量目的 围岩压力量测目的是了解初期支护实际受荷情况； 了解初期支护对围岩的支护效果； 保证施工安全，优化支护参数。 量测方法：压轴弦式双膜数码压力盒,2.7 初期支护与二衬间的层间压力量测,测量目的 研究二次衬砌的作用与二次衬砌的实际受荷情况； 了解初期支护传递给二次衬砌的力的大小； 保证施工安全，优化设计参数。 量测方法：压轴弦式双膜数码压力盒,2.8 钢支撑应力量测,测量目的 了解钢支撑与喷射混凝土对围岩的组合支护效果； 了解钢支撑的实际工作状态； 判断初期支护承载能力，保证施工安全，优化设计参数。 量测方法：表面弦式数码应变计,2.9 二次衬砌应变量测,测量目的 了解二次衬砌的受力条件，判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度； 检验二次衬砌设计的合理性，积累资料为类似工程的设计提供经验 。 量测方法：混凝土应变计,3.1 监控量测组织机构,成立监测项目组，项目组由相关专业人员组成,3.2 监控量测的量测处理系统,4.1 监测成果的整理与分析,在监测过程中，监测断面多，监测布设项目复杂，采集到的数据可以用海量来形容，如何在大量的数据中寻找有用的信息，进行数据分析，对隧道的稳定性作出正确的判断，就成为监测的重中之中。 以拱顶下沉监测数据的分析为例简要介绍现场监测数据的分析与判断。,监控量测数据处理,(a)当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，表明围岩稳定性良好，可适当减弱衬砌； (b)当位移速率逐渐减小，时态曲线趋于平缓，表明围岩变形趋于稳定，可正常施工； (c)当位移速率不变，则表明围岩变形急剧增长，无稳定趋势，应及时加强支护，必要时暂停掘进； (d)当位移速率逐步增大，时态曲线出现反弯点，则表明围岩已处于不稳定状态，应立即停止掘进，尽快采取加固措施。,4.1 监测成果的整理与分析,正常型：初期位移速度最大，以后日趋减少，下沉逐渐收敛。当在出现收敛趋势后，某一时间段内拱顶位移趋近于零时，判定围岩达到稳定状态。此类曲线占拱顶下沉监测曲线的大部分。,4.1 监测成果的整理与分析,反复型：此种曲线属于比较安全范畴，一般是由于测量误差和施工扰动引起的。此时围岩比较稳定，没有发生内部位移等。,4.1 监测成果的整理与分析,突变型：此类曲线是关注的重点。曲线一旦有突变发生，并且排除测量误差、操作错误和测点松动破坏所引起的突变可能后，一般该点就是隧道稳定与否的节点。,4.2 监测数据的回归分析,测试数据散点分布规律，可选用下列之一函数式进行回归分析,4.2 监测数据的回归分析,采用对数函数回归分析,5.1 信息反馈流程,5.2监测数据的经验反馈方法,在复杂多变的隧道施工条件如何进行准确的信息反馈与可靠的预测预报是监控量测的主要内容。迄今为止，信息反馈与预测预报通过两个途径来实现。 经验反馈法和理论反演分析法。,5.2 监测数据的经验反馈方法,工程经验反馈法 建立在现场量测的基础之上的，其核心是根据经验建立一些判断标准来直接根据量测结果或回归分析数据来判断围岩的稳定性和支护系统的工作状态。 根据位移速率来判断： 当位移速率小于0.2mm/d时，则认为位移达到基本稳定； 当位移速率0.21mm/d时，表明位移大，应加强观测； 当位移速率大于1mm/d时，应报警，采取及时的安全措施。,5.2 监测数据的经验反馈方法,根据变形时态曲线的形态来判断: 当变形速率不断下降时（du2/d2t0），表明围岩趋于稳定状态； 当变形速率保持不变时（du2/d2t =0），表明围岩不稳定，应考虑加强支护； 当变形速率不断上升时（du2/d2t0），表示围岩进入危险状态，必须立即停止开挖，加强支护。,围岩稳定综合判断,1、实测位移值不应大于隧道的极限位移。一般情况下，宜将隧道设计的预留变形量作为极限位移，而设计变形量应根据监测结构不断修正。,注：u-实测位移值； u0 设计极限位移值。,围岩稳定综合判断,2、根据位移速率判断：速率大于1mm/d时，围岩处于急剧变化状态，应加强初期支护；速率变化在0.21.0mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。在高地应力、岩溶地层和挤压地层等不良地质中，应根据具体情况制定判断标准。 3、根据位移速率变化趋势判断：当围岩位移速率不断下降时，围岩处于稳定状态；当围岩位移速率变化保持不变时，围岩尚不稳定，应加强支护；当围岩位移速率变化上升时，围岩处于危险状态，必须立即停止掘进，采取应急措施。,围岩稳定综合判断,4、初期支护承受压力、应变、压力实测值与允许值之比大于或等于0.8时，围岩不稳定，应加强初期支护；初期支护承受的应力、应变、压力实测值与允许值之比小于0.8时，围岩处于稳定状态。,计算机软件和硬件技术的飞速发展，为隧道监控量测技术开辟了新的方向。数据库技术和web技术相结合运用到量控监测已经成为一个新的发展趋势。,6.1 远程监控,光纤光栅（fbg）传感器的使用：测量多个物理量。包括应力、应变、温度等。 数据分析系统接收监测数据，并与隧道管理系统，通过相关数据处理得出隧道安全预警等级。,6.2 隧道安全预警,专题三：超前地质预报,三、超前预报,地质超前预报定义,隧道工程施工阶段的地质超前预报是根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道施工掌子面前方可能遇到的不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测。,三、超前预报,地质超前预报必要性,大量的隧道工作建设实践表明，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌沙、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，从而给隧道施工造成极大的危害。因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确的预测，是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工安全的需要。,三、超前预报,地质超前预报目的,进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程施工的顺利进行。 降低地质灾害发生的几率和危害程度。 为优化工程设计提供地质依据。,三、超前预报,地质超前预报主要内容,地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报。 地质构造预测预报，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报。 不良地质预测预报，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报。 地下水预测预报，特别是对岩溶管道水及富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。,三、超前预报,地质超前预报分类,目前常用的超前地质预报方法较多，主要可分为地质分析方法和地球物理探测方法两大类。 地质分析方法主要有地面地质调查法、掌子面地质调查法、超前水平钻孔法、超前导坑法等。 地球物探探测方法主要有地质雷达法、tsp地震反射波法、瞬变电磁法、 beam超前预报法、陆地声纳法、红外辐射测温法、声波发射法等。,三、超前预报,地面地质调查法,地面地质调查法是隧道地质预报中使用最早的方法。该方法通过调查与分析地表工程地质条件，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。调查的内容包括地层与岩性的产出特征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶带发育的部位、走向、形态等，预测隧道掌子面前方的不良地质体可能的类型、出露部位、规模大小等，以便隧道施工中采取合理的工艺与措施，避免事故。这种预报方法在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性，但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下，该方法工作难度较大，准确性较差。,地质分析法,三、超前预报,掌子面地质调查法,掌子面素描的主要内容包括岩性、产状、岩体结构、节理裂隙情况、风化卸荷特征、地下水特征、围岩变形破坏特征等。通过对掌子面进行详细的地质素描，我们可以对掌子面前方510范围内的地层岩性、地下水状况、地应力大小、围岩级别以及其所处的构造环境做出定性判断；通过断层前兆预测法以及地应力定性判断标志，对掌子面前方510m范围内是否出现断层和地应力高低能做出宏观上的判断。,地质分析法,三、超前预报,超前水平钻孔法,超前水平钻孔法是在隧道掌子面进行超前水平钻探，通过钻进速度测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定等手段来确定掌子面前方地层的展布、地层岩石的软硬程度、岩体完整性及可能存在的断层、孔洞的分布位置。 超前钻探是超前地质预报技术体系的主要组成部分，占有重要的地位，具有不可缺少、不可替代的作用。特别是在岩溶、瓦斯隧道的超前地质预报中，更是起着突出的作用。也是对tsp隧道地震波预报、地质雷达探报及红外预报等手段探测到的不良地质体的验证，是用水平钻机直接揭露掌子面前方岩体来了解掌子面地质情况的一种可靠的方法。,地质分析法,三、超前预报,地质雷达法,地质雷达（ground penetrating radar，简称gpr）法是一种用于探测地下介质的电磁技术。地质雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。,地球物理探测法,地质雷达探测示意图,三、超前预报,地质雷达法,地球物理探测法,地质雷达探测工作照片,三、超前预报,tsp地震反射波法,tsp地震反射波法是瑞士amberg测量技术公司于20世纪90年代初期研制开发的一套隧道地震超前预报系统，该系统采用地震波反射原理，利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方150m范围内的地质条件和岩石特性变化；同时，还可以提供杨氏模量、泊松比等岩石力学参数，也可预测围岩级别，从而更清晰地反映前方的地质状况。,地球物理探测法,三、超前预报,tsp地震反射波法,地球物理探测法,tsp探测工作照片,三、超前预报,瞬变电磁法,瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程（衰减过程），该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。在地表用接收线圈接收二次场，该二次场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减特性，从而达到寻找各种地质目标的一种物理勘探方法。,地球物理探测法,三、超前预报,瞬变电磁法,地球物理探测法,瞬变电磁仪,三、超前预报,综合预报原则,超前预报综合分析的目的是为了综合多种优势互补的预报方法，利用反映介质不同物理特性的不同方法之间的综合解释，最大限度地消除物探解释的非唯一性，分析及推断前方的不良地质情况，预测可能发生的施工地质灾害及等级。隧道超前综合预报应“以地质分析为核心，综合物探分析，洞内外结合、长短预测结合，物性参数互补”为原则。其中： “以地质分析为核心，综合物探分析”是指以地面地质调查和掌子面地质调查为核心，结合tsp、地质雷达、瞬变电磁法等物探方法。,三、超前预报,综合预报原则,“洞内外结合”是指洞外预报和洞内预报相结合，并以洞内预报为主，如地面地质调查是洞外预报，掌子面素描、超前钻探和各种物探方法是洞内预报。 “长短预测结合”是指在长距离预报的指导下，进行短距离精确预报，如地面地质调查和tsp是长距离预报，掌子面素描、地质雷达、超前钻探等是短距离预报。 “物性参数互补”是指选取的物探预报方法其预报物性参数应相互补充配合，如tsp探测和地质雷达探测配合、tsp探测和瞬变电磁法探测配合等。,三、超前预报,综合预报原则,在上述地质分析和物理探测的基础上，对掌子面前方基本地质情况（包括岩性、岩体强度、围岩完整性、断层破碎带、地下水情况、围岩类别等）进行综合分析预报，判断是否存在不良地质体。若不存在不良地质体，则按照通常方式继续施工；若存在不良地质体，结合地质综合分析，应判断是否会演变成地质灾害。此时，如果预测地质灾害强度低，危险性不高，则直接采取常规措施处理后继续施工；如果预测地质灾害强度高、危险性大，则需采用超前钻探、超前导洞等方法进行验证。如果确认地质灾害危险性高，应采取其相应的防治措施对策。,专题四 监控量测、超前地质预报案例,监控量测及超前地质预报案例 本案例以正在施工的省道s303线映（秀）卧（龙）公路箭竹隧道为背景进行讲述。 一、箭竹隧道监控量测 1、地质及支护状况观察 综合采用数码相机拍摄图片、地质罗盘测量地层产状、记录地质及支护状况等方法，