《隧道施工技术》课件模块7

1、隧道施工技术模块7 监 控 量 测7.3周边位移7.1 监控量测概述7.2洞内外观察7.4拱顶下沉量测7.5地表下沉量测7.6隧道监控量测数据处理与应用7.1 监控量测概述 自从新奥法技术问世以来，隧道工程与地下工程的设计与施工技术已有较大的发展。新奥法的特点是借助现场的监控量测对隧道围岩进行动态的监测，指导隧道的开挖作业，并使支护结构的设计与施工进一步优化。量测是对围岩动态监控的重要手段，是新奥法的重要组成部分。7.1 监控量测概述 监控设计的原理是通过现场量测获得围岩力学动态和支护工作状态的有关数据（信息），再通过对这些数据（信息）的数理统计和力学分析，来判断围岩和支护结构体系的稳定性及工

2、作状态，从而选择和修正支护参数及指导施工。7.1 监控量测概述 监控设计通常包括两个阶段：初始设计阶段和修正设计阶段。初始设计一般应用工程类比法与数理初步分析法进行；修正设计则是根据现场量测所得数据进行数值分析和理论解析，做出更为接近工程实际的判断，以此来修正支护参数和指导施工。7.1 监控量测概述 量测是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它始终伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一个环节。实践证明，通过工程类比法和量测手段获得有关参数进行设计可以得到满意的效果。7.1 监控量测概述 近年来我国公路隧道的设计越来越多地采用复合式衬砌形式。复合式衬砌一般由喷锚

3、支护和模筑混凝土衬砌两部分组成。为了掌握施工中围岩稳定程度与支护受力、变形的力学动态或信息，保证设计、施工的安全和经济，必须将现场监控量测项目列入施工组织计划，并在施工中认真实施。隧道监控量测的一般规定1.7.1 监控量测概述隧道监控量测的目的2.（4）工程运营期间的监控手段。（3）校核工程理论计算结果，完善工程类比方法。（2）指导施工，预报险情。（1）为监控设计提供依据。7.1 监控量测概述隧道监控量测的任务3.积累资料。（1）（2）（3）（4） 指导施工。修正设计。 确保安全。7.1 监控量测概述 定性的动态反映，也是修正设计的重要依据，必须对反馈的信息做全面分析，最后才能确认或修改设计参

4、数。 简而言之，量测是监控的手段，监控是量测的目的。监控过程可分为现场量测、数据处理和信息反馈。7.1 监控量测概述隧道监控量测的要求4. （1）快速埋设测点。 （2）每一次量测数据所需时间尽可能短。 （3）测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力。 （4）测试数据应准确可靠。 （5）测试元件在埋设后应能长期有效地工作。 （6）测试元件应有足够的精度。7.1 监控量测概述隧道监控量测的项目与方法5. 监控量测是新奥法三大核心内容之一，公路隧道施工技术规范（TG F602009）规定，现场量测分为必测项目和选测项目两大类。必测项目有4项，分别是洞内外观察、周边位移、拱顶下沉和地表下沉；选测项目有1

5、1项，分别是刚架内力及外力，围岩体内位移（洞内设点），围岩体内位移（地表设点），围岩压力，两层支护间压力，锚杆轴力，支护、衬砌内应力，围岩弹性波速度，爆破震动，渗水压力、水流量和地表下沉。各测试项目的测点尽可能布置在同一横断面上，以便于对各测试项目测试结果进行对比分析。7.1 监控量测概述 选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性意义的区段进行补充测试，要求更深入地掌握围岩的稳定状态与锚喷支护的效果，具有指导未开挖区的设计与施工的作用。由于不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测要取得的数据类型不同，选择的测试项目也不同。由于条件的不同和要取得的信息不同，在不同的隧道工程中往往采用不同的测试项目

6、。但对于一个具体的隧道工程来说，对上述列举的项目不会全部应用，只是有目的地选用其中的几项。这类量测项目测试较为麻烦，量测项目较多，花费较大，一般只根据需要选择其中部分项目。7.1 监控量测概述 我国公路隧道的设计和施工越来越多地采用新奥法。为了掌握施工中围岩的稳定程度与支护受力、变形的力学动态或信息，以判断设计、施工的安全性与经济性，隧道开挖后应按照设计要求和现场实际情况立即布点并进行监测，及时将监测数据和意见建议提交给设计、施工等单位，从而达到反馈设计、指导施工的目的。7.1 监控量测概述 一般情况下，复合式衬砌和锚喷衬砌隧道开工前，应制定施工全过程的监控量测方案。监控量测工作应结合开挖、支

7、护作业的进程，按要求布点和监测，并根据现场实际情况及时调整补充，量测数据应及时分析处理和反馈。在复合式衬砌和喷锚衬砌隧道施工时必须进行必测项目的量测。应根据设计要求、隧道横断面形状和断面大小、埋深、围岩条件、周边环境条件、支护类型和参数、施工方法等综合选择选测项目。7.1 监控量测概述量测断面的确定和测点的布设6.1）量测断面的确定 进行测试的断面有两种：一种是单一的测试断面，另一种是综合的测试断面。把单项量测内容布设在一个测试断面，了解围岩和支护在这个断面上各部位的变化情况，这种测试断面即单一的测试断面；把几项量测内容有机地组合布设在一个测试断面里，使各项量测内容、量测结果、量测手段互相校验

8、，对该断面的动态变化进行综合分析和判断，这种测试断面称为综合的测试断面。7.1 监控量测概述 隧道工程现场量测的测试断面一般均沿隧道纵向间距布设，必测项目的量测间距一般为550 m，但对于洞口段、浅埋地段，以及特别软的地层段，应小于20 m。凡是地质条件差或为重要工程的，应从密布点。7.1 监控量测概述2）测点的布设 在测试断面上测点主要是依据断面形状、围岩级别、开挖方式和支护类型等因素进行布置，在量测中，可根据具体情况决定布设数量，并进行适当的调整。 （1）净空位移量测（收敛量测）的测线数可参考图7-1及表7-5。7.1 监控量测概述图7-1净空变形量测的测线数7.1 监控量测概述表7-5净

9、空位移量测的测线数7.1 监控量测概述 （2）围岩体内位移测孔的布置。围岩体内位移测孔布置，除应考虑地质、隧道断面形状、开挖等因素外，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。 （3）轴力量测锚杆的布置。轴力量测锚杆在断面上的布置位置要依据具体工程中支护锚杆的安设位置、方式而定，一般可参照围岩内位移测孔布置。 （4）支护、衬砌应力量测布置。喷层（衬砌）应力量测，除应与锚杆受力量测孔相对应布设外，还要在有代表性的部位设测点，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对应布置。7.1 监控量测概述 （5）地表、地中沉降测点布置。地表、地中沉降测

10、点原则上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作为参照。 （6）围岩弹性波测孔布置。围岩弹性波测孔宜布置在有代表性的部位。 （7）监控量测频率。监控量测频率间隔时间可分为4个阶段。7.1 监控量测概述 应根据量测数据处理结果，及时提出调整和优化施工方案与工艺;围岩变形和速率较大时应及时采取安全措施，并建议变更设计。围岩稳定性、二次支护时间应根据所测得的位移量或回归分析所得的最终位移量、位移速度及其变化趋势、隧道埋深、开挖断面大小、围岩等级、支护所受压力、应力、应变等进行综合分析判定。7.2 洞内外观察 在隧道工程

11、设计时，地质勘探工作很难提供非常准确的地质资料。因此，特别需要在施工过程中对开挖工作面附近围岩的性质、状态进行观察，了解其变化，以便及时采取加强或减弱设计的支护措施，在确保施工安全的同时，尽量减少工程投资。此外，没有监控量测的边仰坡、围岩及支护的变形状况仍需用肉眼观察，以便在发现异常时及时进行处置，确保工程安全。7.2 洞内外观察观察目的1. 预测开挖面前方的地质条件；为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据；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。7.2 洞内外观察观察内容2. 洞内外观察的内容有洞内掌子面观察、开挖后已施工区间观察和洞外观察。每次隧道开挖工作面爆破后应立即观察

12、，按要求及时记录整理。7.2 洞内外观察（1） 掌子面观察。（2）开挖后已施工区间观察。（3）洞外观察。7.2 洞内外观察实践操作3.（4）在下列情况下，应观察围岩的破坏形态并分析，及时处理或上报。（3）洞外记录。（2）开挖后已施工区间记录。（1）掌子面记录。7.3 周 边 位 移 周边位移概述7.3.1周边位移的概念和量测目的1. 周边位移是指隧道开挖后隧道周边量测点处围岩的位移。通常量测某空间点的绝对位移值较为困难且精度较差，因此，常通过专用钢尺测量隧道内壁面两点连线方向的位移，来了解这两点的位移情况。两点间的位移称为收敛，此项量测也称为收敛量测。在开挖后的洞壁上应及时安设测点，用收敛计量

13、测两测点间的距离，两次测定的距离之差为该地段的收敛值（周边位移值）。根据洞壁收敛值或位移速率，可判断围岩与支护是否稳定。7.3 周 边 位 移周边位移量测的实践操作2.（1）收敛计量测周边位移。（2）围岩周边位移量测要点。1）量测方法7.3 周 边 位 移2）量测仪器目前，我国公路隧道施工中常用的收敛计为机械式的收敛计。7.3 周 边 位 移3）原始记录和量测资料整理 原始记录和量测资料包括原始记录表及实际测点布置图，位移随时间及开挖面距离的变化图，位移速度、位移加速度随时间及开挖面距离的变化图。7.3 周 边 位 移4）数据处理根据现场量测数据绘制时态曲线（或散点图）和空间关系曲线。7.3

14、周 边 位 移5）收敛量测结果的应用 公路隧道施工技术规范（TG F602009）中第1033条规定：围岩稳定性、二次支护时间应根据所测得位移量或回归分析所得最终位移量、位移速度及其变化趋势、隧道埋深、开挖面大小、围岩等级、支护所受压力、应力、应变等进行综合分析判定。7.3 周 边 位 移 周边位移量测7.3.2任务分析1. 隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是围岩动态的最显著表现，最能反映出围岩（或围岩加支护）的稳定性。它不仅反映了围岩内部的松弛程度，而且更能反映围岩松弛范围的大小，也是判断围岩稳定性的一个重要指标。因此对坑道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的量测项目。

15、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，坑道周边其他各点一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，以反映围岩位移动态。7.3 周 边 位 移收敛计2. 收敛计一般由带孔钢尺、测微百分表、张力调节器、测点连接器组成。 （1）测点连接器有单向连接销式及球形铰接式两种，其中销式连接的测头预埋安装有方向的要求。 （2）张力调节器分为重锤式（如SW-8型、美国SINCO-518115型）、弹簧式（如SL-80型、Q-81型）、应力环式（如GSL型、WRM-4型）。7.3 周 边 位 移测试方法及注意事项3. （1）开挖后应尽快埋设测点，并测取初读数，要求在12 h内完成。 （2）

16、测点（测试断面）应尽可能靠近开挖面，要求在2 m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，一般应按表7-1的要求而定。 （6）在整个量测过程中，应做好详细记录，并随时检查有无错误。7.3 周 边 位 移量测数据整理4. （1）坑道周边相对位移计算式为 ui=RiR0 （7-1） 式中，ui为第i次量测时，该两测点之间的相对位移值（cm）；Ri为第i次观测值（cm）；R0 为初始观测值（cm）。 （2）当测尺为普通钢尺时，要消除温度影响，尤其当洞径大（测线长）

17、、温度变化大时，应进行温度改正。 （3）在量测过程中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，并列表或绘图进行直观表示。7.4 拱顶下沉量测拱顶下沉的特点1. 隧道拱顶内壁点垂直方向的绝对位移值称为拱顶下沉值。单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。在开挖后的拱顶壁面上及时安设测点，通过已知的高程水准点（通常借用隧道高程控制点），用悬吊钢尺和水准仪测量读出测点高程，两次测定的高程之差即拱顶下沉值，根据拱顶下沉值和下沉速率，可判断围岩的稳定状态和支护效果。也可用收敛计测出拱顶相对于隧道某点（边墙或隧底）的位移。7.4 拱顶下沉量测拱顶下沉测试原理2. 由已知

18、高程的临时或永久水准点（通常借用隧道高程控制点），使用较高精度的水准仪，就可观测出隧道拱顶或隧道上方地表各点的下沉量及其随时间的变化情况。隧道底鼓也可用此法观测。通常这个值是绝对位移值。另外也可以用收敛计量测拱顶相对于隧道底的相对位移。 隧道的拱顶是坑道周边上的一个特殊点，是挠度最大的一个点，具有较强的代表性。浅埋隧道洞顶地表下沉量测应在隧道尚未开挖前就开始进行，借以获得开挖过程中的全部位移曲线。7.4 拱顶下沉量测7.4 拱顶下沉量测实践操作3. 对于浅埋隧道，可由地面钻孔，使用挠度计或其他仪表测定拱顶相对地面不动点的位移值。对于深埋隧道，可用拱顶变位计，将钢尺或收敛计挂在顶点作为标尺，后视

19、点可设在稳定衬砌上，用水准仪进行观测。1）量测方法7.4 拱顶下沉量测实践操作2）量测要求 （1） 拱顶下沉量测断面间距、量测频率、初读数的测取等同收敛量测。 （2） 每个断面布置13个测点，测点设在拱顶中心或其附近。 （3） 量测精度为0.1 mm。 （4） 量测时间应延续到拱顶下沉稳定后。7.4 拱顶下沉量测实践操作3）量测仪器拱顶下沉量测主要用隧道拱部变位观测计。7.4 拱顶下沉量测实践操作4）原始记录和量测资料积累 量测的原始记录与收敛量测相同，用下沉量、下沉速度与时间关系图来表示。7.5 地表下沉量测量测目的1. 浅埋隧道和隧道的洞口段通常位于软弱、破碎、自稳时间较短的围岩中，如施工

20、方法不妥，极易发生冒顶塌方或地表有害沉降，当地表有建筑物时会危及其安全。特别是对城市隧道，地表下沉量测具有特殊意义。7.5 地表下沉量测实践操作2.1）量测方法一般用精密水准仪量测，量测精度为0.5 mm。7.5 地表下沉量测实践操作2）量测断面及测点的布置 量测断面沿纵向（隧道中线方向）布置，其间距为：当埋深h2b时，取2050 m;当埋深bh2b时，取1020 m;当埋深hb时，取510 m（b为隧道宽度）。每处隧道至少有两个断面。7.5 地表下沉量测实践操作3）量测频率 地表下沉量测应从开挖工作面前方 h+（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。7.5 地

21、表下沉量测实践操作4）原始记录和量测资料积累分别作出纵向下沉-时间曲线和横向下沉-时间曲线，以作为原始记录和量测资料。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作 量测数据反馈于设计、施工是监控设计的重要一环，但目前尚未形成完整的设计体系。当前采用的量测数据反馈设计的方法主要是定性的，即依据经验和理论上的推理来建立一些准则。根据量测的数据和这些准则即可修正设计支护参数与调整施工措施。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作 量测数据处理施作时间的确定7.6.1 现场量测数据处理即及时根据现场量测数据绘制时态曲线（或散点图）和空间关系曲线。所谓时态曲线即被测量项目随时间的变化规律曲线。7.6 隧

22、道监控量测数据处理与应用实践操作 （1）根据记录绘制位移与时间的关系曲线。 （2）绘制位移与开挖面距离关系曲线。 （3）绘制位移速度（v）与时间关系曲线。净空位移量测1.7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作围岩体内位移测定2. （1）绘制孔内各测点（l1、l2、）位移与时间关系曲线。 （2）绘制不同时间（t1、t2、）位移与深度（测点位置L）的关系曲线。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作 （1）绘制不同时间（t1、t2、）应变（）与深度的关系曲线。 （2）绘制围岩体内不同测点（1、2、）的应变与时间的关系曲线。围岩径向应变测试3.7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作锚杆轴向

23、力测试4. （1）绘制不同时间（t1、t2、）锚杆轴力与深度的关系曲线。 （2）绘制各测点（1、2、）轴力与时间的关系曲线。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作 绘制应力与时间的关系曲线。 喷层应力与围岩压力密切相关，喷层应力反映喷层的安全度，可据此调整喷锚支护参数，特别是喷层的厚度。喷层应力、应变测试5.7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作声波测试6. （1）由于量测的偶然误差所造成的离散性，绘制的散点图总是上下波动和不规则的，因此必须进行数据处理才能获得合理的典型曲线，并以相应的数学公式进行描述。 （2）位移与时间的正常曲线和反常曲线如图7-11所示。 （3）根据量测获得的位移

24、与时间曲线，即能看出各时刻的总位移量、位移速度及位移加速度趋势等。7.6 隧道监控量测数据处理与应用图7-11位移与时间的正常曲线和反常曲线7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作 量测数据的应用7.6.2实践操作地质预报1.地质预报就是根据地质素描来预测预报开挖面前方围岩的地质状况，以便考虑选择适当的施工方案调整各项施工措施。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作周边位移分析与反馈2. 如前所述，周边位移是围岩动态的最显著表现，所以隧道工程现场量测主要以围岩周边位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的指标。 一般而言，坑道开挖后，若围岩位移量小，持续时间短，其稳定性就好；若围岩位移量

25、大，持续时间长，其稳定性就差。7.6 隧道监控量测数据处理与应用 用围岩的位移来判断其稳定状态，关键是要确定一个判断标准（或称为收敛标准），即判断围岩稳定与否的界限。它包括位移量（绝对或相对）、位移速率、位移加速度三个方面。1）判断标准7.6 隧道监控量测数据处理与应用2）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到稳定后，就可以施作二次衬砌。 应当特别指出的是，在流变性和膨胀性强烈的地层中，单靠初期支护不能使围岩位移收敛时，就宜在位移收敛之前，施作模筑混凝土二次衬砌，以有效地约束围岩位移。7.6 隧道监控量测数据处理与应用实践操作围岩内位移及松动区分析与反馈3. 与净空位移同理，如果实测围岩的松动区超过了允许的最大松动区（该允许松动区半径与允许位移量相对应），则表明围岩已出现松动破坏，此时必须加强支护或调整施工措施以控制松动范围。例如，加强锚杆（加长、加密或加粗锚杆）等，一般要求锚杆长度大于松动区