隧道监控量测技术应用

1、新奥法隧道施工监控量测新奥法隧道施工监控量测技术技术应用应用交流会交流会范明坤 高级工程师交通部试验检测师 2016.1.12 昆明 云南航天工程物探检测股份有限公司 1 监控量测的定义监控量测的定义2 目的及意义目的及意义3 要求及流程要求及流程4 内容及方法内容及方法5 数据管理措施数据管理措施6成果分析及应用成果分析及应用7注意事项注意事项8典型案例典型案例目 录1、隧道监控量测的定义、隧道监控量测的定义 隧道现场监控量测是指在隧道施工过程中，对围岩和支护、衬砌受力状态的量测。现场监控量测是监视围岩稳定，判断支护、衬砌结构设计是否合理，施工方法是否正确的一种手段；也是保证新奥法安全施工、

2、提高经济效益的重要条件；为施工中可能有的工程变更提供科学依据；它贯穿隧道施工的全过程。为此公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009） 中规定：采用复合式衬砌的隧道，必须将现场监控量测项目列入施工组织设计，制定监控量测计划，并在施工中认真实施。2、监控量测的目的及意义、监控量测的目的及意义 监控量测可以及时提供隧道洞内拱顶下沉、周边位移和地表下沉测量，及时判断隧道围岩及支护结构变形和隧道洞口浅埋段地表沉降和稳定情况，通过上述监控，可以判断施工工艺的可行性，提出更加恰当的施工方法。实现隧道信息化动态施工控制，达到既能安全快速施工，又能节省工程造价的目的。同时若进行选择项目（支护结构应力状态量

3、测和围岩体内部位移等信息），可以对隧道支护参数的合理性进行分析判断，为支护参数的调整提供科学的依据。（1）确保安全：为此需要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。（2）指导施工：量测数据经过分析处，总结隧道围岩及支护变形规律，预测和确认围岩最终稳定时间，指导施工顺序和施作二次衬砌时间，以安排合理的施工顺序和二次衬砌施作时机。（3）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预设计，确保设计与施工的合理性和经济性。（4）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的工程中

4、，作为设计和施工的参考资料。2、监控量测的目的及意义、监控量测的目的及意义3 3、监控量测的要求及流程监控量测的要求及流程3.1量测的要求: 快速埋设测点(一般设置在距掌子面、工作面2m范围内，开挖后24小时、下次爆破前测取第一次读数。） 测量读数在隧道内尽量要快；保证测量点不被破坏；读数准确可靠3.2监测断面布置： 根据隧道围岩的级别不同，监控量测的周边位移、拱顶下沉量测断面布置如下：围岩级别围岩级别断面间距（断面间距（m）51010303050 现现 场场 工工 作作 程程 序序准准 备备 工工 作作确定埋设断面确定埋设断面测点埋设测点埋设数据整理分析数据整理分析资料归档资料归档数据采集数

5、据采集4 4、监控量测内容及方法、监控量测内容及方法 序号项目名称方法及工具布置测试精度量测间隔时间量测间隔时间115d16d1个月13个月大于3个月1洞内、外观察地质素描；地质罗盘、地质锤；相机开挖后及初期支护后进行2周边位移各种类型位移计每1050m一个断面，每断面23对测点。0.1mm1 2次/d1 次/2d12次/周13次/月3拱顶下沉水准测量的方法，水准仪、钢尺等（全站仪器）每1050m一个断面0.1mm4地表下沉水准测量的方法，水准仪、铟钢尺等幅口段、浅埋段h.02b)0.5mm开挖面距量测断面前后2b时，12次/d；开挖面距量测断面前后5b时，1次/23d；开挖面距量测断面前后5

6、b时，1次/37d.。4.1 地质、支护状态观察地质、支护状态观察 该项目包括对掌子面观察和支护结构的支护效果观察。掌子面工程地质和水文地质情况观察包括岩石的名称、岩层产状、断层、层理、节理等结构面的分布、走向、产状。每茬炮后需要观测一次。支护状态观察包括初期支护状态和已施工区域支护效果观察。如喷射砼开裂部位、宽度长度及深度。二次衬砌的整体性、防水效果等，每天观察一次。洞内状态观察是可靠性很高且最直接的判断资料。对洞外边仰坡稳定和地表渗透观察按要求进行描述；做好相关的观察记录。观察使用地质罗盘、地质锤、钢卷尺、放大镜、秒表、手电、照相机或摄像机等。 周边位移量测是最基本的主要量测项目之一，布置

7、在主测断面。先在测点处用凿岩机（或电钻）在待测部位成孔，然后将藕合剂（锚固剂）置入孔中，最后将收敛预埋件敲入，旋正收敛钩，尽量使两预埋件轴线在基线方向上，以利收敛计悬挂和观测。待凝固后，周边收敛量测采用收敛计进行数据采集。BCa)测线布置图DE b)B、C、D、E测点示意图 c)A测点(拱顶）示意图围岩围岩测头测头 拱顶下沉和周边收敛测线布置图测头 4.2 4.2 周边位移量测周边位移量测断面布置图断面布置图台阶法测点布置示意图 CRD法测点布置示意图不同施工方法断面布置图不同施工方法断面布置图不要焊接在钢拱架上不要焊接在钢拱架上 我们用测线布置图中的BC和DE边的值变化来实现对净空水平收敛的

8、量测。周边收敛数据处理：回归分析时，一般同时采用下面的三种函数，通过对比，推算最终位移时采用三个函数中回归精度（拟合程度）较高的一个函数，不同测点的回归函数可能不同。 数据分析数据分析4.3 拱顶拱顶下沉量测下沉量测 拱顶下沉量测数据，主要用于确认围岩的稳定性。测点布设方法是在拱顶中心位置，常与周边量测点布设在一起，即布在主量测断面。用凿岩机钻孔，然后将藕合剂（锚固剂）置入孔中，最后将收敛预埋件敲入，旋正收敛钩，以利收敛计悬挂和观测。待凝固后，拱顶下沉量测采用收敛计进行数据采集。 拱顶下沉量测的方法常有三种： （1）用收敛计量测 该方法投入较少，用收敛计量测来获取数据，操作简单，且仪器设备投入

9、少；但后期的数据处理较多，可用计算机编程来实现计算，提高工作效率。在实际隧道中主要是挂勾子太困难。（首推全站仪贴反光片来完成）（2）用水准仪量测(差值法计算) 该方法用一测量钢尺和高精度的水准仪配合测量来实现对拱顶下沉的量测。测量时把钢尺挂在预埋的测点上，下挂一1Kg的垂球保持钢尺牵直，有水准仪读取钢尺上的读数，来实现数据的采集。最后采用差值法来计算，如果隧道较长，里面的BM点不好控制，视线不是很明显。（3）用全站仪量测 该方法用全站仪来实现对拱顶下沉的量测。测量时在拱顶测点位置贴一个反光膜，用全站仪测量测点处的标高，来实现数据的采集。 断面布置图不要焊接在钢拱架上不要焊接在钢拱架上 根据测线

10、布置图 ，由于ABC在同一垂直面内，其计算方法如下：令BC=L、AB=m、AC=n、BH=Xb、CH=Xc、AH=h。由勾股定理：Xa2+h2=m2、Xb2+h2=n2、Xc+Xb=L解方程得：Xb=（L2+m2-n2）/2L、 Xc =（L2+n2-m2）/2L、 h2 = m2-Xb2 = n2-Xc2 我们用h值的变化来实现对拱顶下沉的量测。拱顶下沉数据处理：回归分析时，与周边收敛的数据方法相同。（如果隧道存在整体沉降数据分析不准确）BC4.4 地表下沉量测地表下沉量测 监测断面布设原则监测断面布设原则地表下沉量测，在浅埋隧道和隧道的洞口段通常位于软弱、破碎、自然时间较短的围岩中；每个隧

11、道至少2个断面，若出现不良地质情况时，加设监测断面； 当现场地形陡峭及有树木遮挡时，作适当的调整；每个断面上测线与隧道中心线垂直，埋设测点时中心监测点设在隧道轴线的地表位置，其它监测点沿中心线对称布置，测点间距由中心监测点开始至距离地表隧道轴线最远一点由密至疏布置，具体距离按25m布置，宽度范围为：W = B（开挖宽度）+ H/2（两侧埋深的一半）；参照标准水准点埋设方法，埋设2个临时水准基点临时水准基点应埋设在通视条件良好的隧道两侧稍远区域、不受隧道开挖下沉的影响稳固地点，所有测点应和基点联测以取得原始高程。测点埋设与监测测点埋设与监测基点埋设在隧道开挖纵、横向（35）倍洞径外的区域，参照标

12、准水准点埋设方法，埋设2个基点，以便互相校核，每个断面711个测点。所有基点应和附近水准点联测取得原始高程。在测点位置，开挖成长、宽、深均为200mm的坑，然后，放入地表测点预埋件（自制），测点四周用混凝土填实，待混凝土固结后即可量测。地表下沉用高精度水准仪进行观测。观测时坚持四固定原则，即施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定。从地表设点观测，根据下沉位移量判定开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构。地表下沉量测数据计算地表下沉量测数据计算地表下沉采用闭合测量法，这样有利益我们检查是否有误，当闭合差超过3mm时，我们必须重新测。在地形较陡、视线不通时我们有时候一站不能测

13、完，此时我们可以设置转点。当地表下沉累计量到46cm时我们要加强观测，必要调整施工工艺或提交量测预警报告。数据处理（仪高法计算）见下表。水准测量记录表及计算应用5 5、监测数据管理措施监测数据管理措施管理等级管理位移施工状态U0Un3正常施工Un3U02Un3加强支护U02Un3采取特殊措施5.15.1变形监测项目管理基准变形监测项目管理基准针对隧道监控量测，建立监测变形管理等级标准，管理等级分三等，其等级划分及相应基准值见下表。通过对监测结果的比较和分析来判定支护结构的稳定性和安全性，并指导施工。表变形管理等级标准表表变形管理等级标准表注：U0 为实测变形值，Un允许变形值，Un的确定：Un

14、的确定应考虑围岩级别、隧道埋置深度等因素并结合现场条件选择。依据铁路隧道施工规范（TB10204-2002）规定，进行围岩稳定判别，其判据如下所示：根据位移速度变化判别：周边位移变化速度持续大于1.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统；周边位移变化速度小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。5.2 5.2 变形监测速度管理基准变形监测速度管理基准二阶导数（加速度）二阶导数（加速度）隧道位移监控量测结果必须同时达到下列三项标准时，才可以进行二次衬砌施作： 隧道周边位移水平位移速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。（回归曲线后得到的速度） 隧道周边水平

15、位移速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降； 隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。5 5.3 .3 二次衬砌施工条件二次衬砌施工条件6 6、隧道监控量测成果分析隧道监控量测成果分析6.1举例：某某隧道K133+180断面周边位移(对数函数) 1). 回归曲线:图1-周边位移-时间曲线回归函数：回归函数：AB： y = -6.578+3.018Ln(x)； Xmax4 55, Ymax = 11.895AC： y = -6.421+2.933Ln(x)； Xmax =4 55, Ymax = 11.530图2、周边位移速度-时间曲线回归函数：回归函数：AB： y = 3.018/x；

16、 Xmax = 455, Ymax = 0.007AC： y = 2.933/x； Xmax = 455, Ymax = 0.006图3、周边位移加速度-时间曲线2). 2). 稳定性判别表稳定性判别表: :变形等级管理变形等级管理( (根据累计位移计算根据累计位移计算) ) AB线：管理等级：III，施工状态：可正常施工 AC线：管理等级：III，施工状态：可正常施工分析结果分析结果( (根据位移变化速度计算根据位移变化速度计算) ) AB线：围岩基本达到稳定。 AC线：围岩基本达到稳定。分析结果分析结果( (根据位移变化加速度计算根据位移变化加速度计算) ) AB线：速率不断下降，围岩趋于

17、稳定状态。 AC线：速率不断下降，围岩趋于稳定状态。3). 3). 综合分析综合分析 综上所述： K133+180监测断面AB线累计位移、位移速度均较小、围岩趋于稳定，可正常施工。AC线累计位移、位移速度均较小、围岩趋于稳定，可正常施工。6.2举例：某某隧道k133+180拱顶下沉(对数函数)1). 回归曲线:图4、拱顶下沉位移-时间曲线图5、拱顶下沉速度-时间曲线图6、拱顶下沉加速度曲线-时间曲线2). 稳定性判别表:变形等级管理(根据累计位移计算) A点：管理等级：I，施工状态：应采取特殊措施分析结果(根据位移变化速度计算) A点：围岩基本达到稳定。分析结果(根据位移变化加速度计算) A点

18、：速率不断下降，围岩趋于稳定状态。3). 综合分析K133+180监测断面拱顶A测点累计位移较大、但位移速度逐渐减小，表明围岩变形偏大，应密切注意围岩动向，有待观测。桩号桩号测点测点监测天数监测天数累计值累计值（mm）平均速平均速度度(mm/d)数据分析数据分析K101+447 测点14558.61.30累计沉降值较大，曲线呈缓慢上升趋势，下断面尚未开挖。测点24581.51.81测点34582.61.84测点44588.91.98测点54597.52.17测点64591.02.02测点74574.11.65测点84556.01.246.3 大风丫口隧道地表下沉数据分析6.4 地质支护状态观察

19、7 7、量测数据应用注意事项、量测数据应用注意事项测点埋设应测点埋设应准确准确量测数据应量测数据应真实性真实性量测数据量测和反馈信息应量测数据量测和反馈信息应及时性及时性量测数据的突变与位移量测数据的突变与位移量测数据与施工状态量测数据与施工状态量测数据与修改设计量测数据与修改设计8 8、 隧道监控量测典型案例隧道监控量测典型案例 2009年6月厦蓉高速公路(贵州境)AT17合同段托苗坳隧道属地质条件差的连拱隧道，我公司监测人员在现场监测，地表下沉值在洞口段掘进时明显变化，且洞内量测断面的周边收敛、拱顶下沉值变化较大，表明围岩松弛在发展，支护的强度不够。初期支护多处出现开裂现象，量测数据已经超出规范规定值我方及时提交预警报告（分别以电话、短信等方式）给业主、监理、施工单位要求撤离人员，停止施工，最终凌晨3点钟隧道垮塌，无人员伤亡事故，见照片7.8.1 8.1 隧道监控量测工程应用实例一隧道监控量测工程应用实例一 2012年11月在丽攀高速公路华坪隧道进口端左幅ZK182+815ZK182+821段，设计为V级围岩；岩土体主要为褐色、浅灰色、黄色粉质粘土及粉土，潮湿或较潮湿，呈疏松状、可塑状；岩土体稳定性较差，易发生小坍塌及大塌方。我公司监测组发现在地表ZK182+800ZK182+831区域段，地表下沉各观测点沉降位移速度发生急剧变化，地