铁路隧道技术培训讲义202页（PPT 知名教授）_ppt

1、铁路隧道概述及培训内容 全线共新建隧道221座，总长466km，占正线长度约55 。 正线设计速度200km/h，双线隧道轨面以上内净空为92m2。 暗洞均采用复合式衬砌 ，明洞均采用整体式明洞衬砌。xx铁路隧道概况 重点隧道： 格老山隧道 14598m，为本线最长隧道 同马山隧道 13929m 岩山隧道 14480m，为本线第二长隧道 黄岗隧道 12245m 洛香隧道 11232m 高青隧道 10953m 等。xx铁路隧道概况 主要不良地质： 岩溶 断层破碎带 软岩大变形 岩爆 高地温 放射性 xx铁路隧道概况一、不良地质条件隧道施工技术二、隧道监控量测技术及超前地质预报三、隧道施工质量控制

2、技术四、隧道施工风险管理讲课内容针对xx铁路隧道：1 不良地质条件隧道施工不良地质中隧道施工的一般原则： 充分利用各种手段和方法，尽可能准确掌握不良地质的情况； 根据掌握的不良地质情况，制定相应的施工方案和处理措施 ； 随着施工揭露地质，并根据施工安全性和支护措施的效果，及时修正设计，保证施工安全和隧道质量。 不良地质条件施工一般原则 在隧道施工中，往往会遇到断层破碎带、富水软岩及大量涌水地段，这些地段往往不是单独出现，不少情况是同时存在的。因此三者之间既有联系，又各有特点，其施工措施也是既有共性，又各有侧重。 富水断层破碎围岩概况 断层破碎带是常见的不良地质段，断层带内岩体破碎，呈块石、破碎

3、或角砾状，甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩自稳能力差，施工困难。其施工难度取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层本身的活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的组合关系等因素。 富水断层破碎围岩概况（一）断层破碎带 隧道轴线接近于垂直构造线方向时，断层规模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有利可随挖随撑。当隧道轴线斜交或者平行于构造方向时，则隧道穿过破碎带的长度增大，施工难度大。见下页图。 富水断层破碎围岩概况（一）断层破碎带 富水断层破碎围岩概况（一）断层破碎带隧道中线与断层带的位置 富水软岩是指各类土质、软岩、极严重的风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层，在

4、富含地下水的情况下，岩体强度很低，自稳能力极差的围岩。施工难度极大，俗称“烂洞子”。 富水断层破碎围岩概况（二）富水软岩 大量涌水也是常见的不良地质现象。在雨量充沛和地下水丰富的地区，隧道穿过断层破碎带、裂隙密集带、不同岩层接触带或岩溶发育地段时，施工中往往会发生地下水和承压水大量涌出的现象。典型隧道：渝怀线圆梁山隧道、兰武线乌鞘岭隧道。 富水断层破碎围岩概况（三）大量涌水 富水断层破碎围岩概况（三）大量涌水乌鞘岭隧道7号斜井洞内涌水 对于富水软弱破碎围岩隧道，设计一般根据地表探测和少量的地质钻孔，来推断地下深处的隧道地质条件，往往与实际地质条件存在差异。因此，准确预报施工掌子面前方的地质条件

5、就非常必要，应把地质超前预报作为一个工序纳入生产过程。 富水断层破碎围岩施工（一）超前地质预报 地质预报方法主要有：钻孔超前探测；超前地质导坑；地震波、声波、地质雷达等物理探测。 富水断层破碎围岩施工（一）超前地质预报重点预报内容：开挖面前方的地质情况；围岩整体性、断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响；地下水活动情况等。 富水断层破碎围岩施工（一）超前地质预报 地下水处理原则：以堵截为主，排引为辅。 堵截地下水方法：一类是整个富水段注浆止水，加固围岩，相当于提高围岩等级；如深孔劈裂、挤压注浆。一类沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减少地下水进入开挖面；如浅孔注浆、管棚

6、注浆、小导管注浆等。 排水辅助措施：导坑、钻孔；目的是排水降压。 富水断层破碎围岩施工（二）注浆堵水并加固围岩 虽地层经注浆加固，为确保施工安全，一般在开挖前采用超前支护，如超前锚杆、超前小导管等； 地下水较大的隧道，开挖前采取排水降压措施，排水主要采用钻孔，钻孔深度应超出注浆范围。 富水断层破碎围岩施工（三）开挖及支护 开挖方法视围岩稳定情况，有：台阶法、正台阶预留核心土开挖法、双侧壁导坑法。 开挖手段有两种：一是非爆破开挖，如十字镐、风镐或小型挖装机开挖；二是控制爆破，如松动爆破、微振动爆破。目的是尽可能减少开挖对围岩的扰动。 富水断层破碎围岩施工（三）开挖及支护 概 念：膨胀岩是指土中粘

7、土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物质主要是蒙脱石粘土矿物。 膨胀岩及其对隧道施工的影响（一）膨胀岩概念 膨胀岩判别标准：一是间接反应岩石膨胀指标；二是定量反应岩石膨胀力学指标。 膨胀岩和挤压性围岩（一）膨胀岩概念项目指标极限膨胀力（Pmax）100kPa极限膨胀率（max）3%干燥饱和吸水率（Rdw）10%自由膨胀率（Fs）30%矿物质成分（蒙脱石、伊利石含量）15% 膨胀岩分级：按膨胀性的大小进行分级。 膨胀岩和挤压性围岩（一）膨胀岩概念项目极限膨胀力(kPa)极限膨胀率(%)干燥饱和吸水率

8、(%)自由膨胀率(%)弱膨胀岩10030031510303050中膨胀岩300500153030505070强膨胀岩500305070 由于膨胀性岩层所具有的特征，在隧道开挖后不久即产生膨胀性压力，往往发生如下一些现象：风化迅速，挖出的土石块很快酥散；坑道顶部及两侧常被挤压，底部隆起；随着时间的增长，支撑、衬砌往往发生严重的变形或破坏。 膨胀岩和挤压性围岩（二）膨胀岩对隧道施工的危害 围岩普遍开裂 洞室下沉 围岩膨胀突出和坍塌 隧道底部隆起 衬砌变形和破坏 膨胀岩和挤压性围岩（二）膨胀岩对隧道施工的危害 挤压性围岩是高地应力作用下的软岩。挤压性软弱围岩在高地应力作用下发生挤压大变形及破坏的特征

9、不仅受围岩本身力学性质的影响，还与初始应力场状况及工程因素有关 。 挤压性围岩（一）概念 变形量大 变形速率快 变形持续时间长 挤压性围岩（二）挤压性围岩隧道变形特征 认真实施设计文件提出的技术要求 对围岩压力及变形情况认真量测，分析其规律 探明地下水分布规律，确定水对施工的影响 根据现场情况，采取相应的施工措施，实施动态管理。 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工（一）加强调查，量测围岩的压力和流变特性 尽量减少对围岩扰动和防止水的浸湿为原则 宜采用非爆破开挖，如风镐、小型挖装机 尽可能缩短围岩暴露时间，及时支护 开挖方法宜不分部或少分部 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工（二）合理选择施工方法 开挖后及时喷

10、射混凝土，封闭和支护围岩 有地下水渗流隧道，采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩浸湿 局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工（三）防止围岩湿度变化 喷锚支护，稳定围岩。 衬砌结构及早封闭。 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工（四）合理进行围岩支护 我国是碳酸盐分布极广泛的国家，覆盖及出露的碳酸盐总面积约占我国领土面积的1/5。在岩溶地质地区形成的各种溶蚀形式中，对隧道工程影响严重的主要是溶洞和暗河。介绍岩溶地质最常见的溶蚀形式和对隧道工程影响最严重的溶洞问题。 岩溶地质 溶洞（karst cave ）是以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成

11、的基本沿水平方向延伸的通道。 溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞处理方法则较为复杂。 溶洞的类型及对隧道施工的影响（一）溶洞的类型 当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌； 有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，隧道基底难于处理； 有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥沙夹水大量涌入隧道。 溶洞的类型及对隧道施工的影响（二）溶洞对隧道施工的影响 有时遇到填满饱含水分的充填物溶槽，坑道掘进至边缘时，充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至地表开裂下沉，山体压力剧增；有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。 溶洞的类型

12、及对隧道施工的影响（二）溶洞对隧道施工的影响渝怀铁路板桃隧道 岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面： 洞害 水害 洞顶地表沉陷 洞穴充填物及坍塌 溶洞的类型及对隧道施工的影响（二）溶洞对隧道施工的影响 隧道在溶洞地段施工时，应根据设计文件有关资料及现场实际情况，查明溶洞分布范围、类型情况（如大小、有无水，溶洞是否在发育中，以及其充填物）、岩层的稳定程度和地下水流情况（有无长期不计来源、雨季水量有无增长）等，分别以引、堵、越、绕等措施进行处理。 隧道遇到岩溶的处理措施 当暗河和溶洞有水流时，宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施，宣泄水流或开凿泄水洞，将水排出洞

13、外 。 隧道遇到岩溶的处理措施 （一）引排水 当水流的位置在隧道上部或高于隧道时，应在适当的距离外，开凿引水斜洞（或引水槽）将水位降低到隧道底部位置以下再引排 。 隧道遇到岩溶的处理措施 （一）引排水 对已停止发育、跨径较小、无水的溶洞，可根据其与隧道的相交位置及其填充情况，采用混凝土、浆砌片石、或干砌片石予以回填封闭，根据地质情况决定是否需要加深边墙基础。 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填溶洞位于隧道底部 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填溶洞位于隧道侧面 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填溶洞贯穿整个隧道 当隧道拱部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在

14、溶洞顶部采用锚杆或喷锚网加固，必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及对拱顶进行回填处理。 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填喷锚加固与浆砌（混凝土）护拱 当溶洞较大、较深，可采用梁、拱跨越。但梁端或拱座应置于稳固可靠的基石上，必要时用圬工加固。隧道在不同部位遇到溶洞采取不同的跨越措施。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越加深边墙基础 当隧道底部遇有较大溶洞并无流水时，可在隧道底下砌筑浆砌片石支墙，支承隧道结构，并在支墙内套设涵管引排溶洞水。 隧道遇到岩溶的处理措施

15、（三）跨越支墙内套设涵管 当隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或在隧道底以下筑拱通过。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越筑拱跨过 当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台架梁通过。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越架梁跨过 溶洞上大下小，且有部分填充物时，可将隧道顶部的充填物清除，然后在隧道底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁，横梁两端嵌入岩层。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越钢筋混凝土横梁及纵梁 在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行

16、开挖时，应防止洞壁失稳。 隧道遇到岩溶的处理措施 （四）绕行施工 埋深较深的隧道工程，在高应力、脆性岩体中，由于施工爆破扰动原岩，岩体受到破坏，使掌子面附近的岩体突然释放出潜能，产生脆性破坏，这时围岩表面发生爆裂声，随之有大小不等的片状岩块弹射剥落出来，这种现象称之为岩爆。 岩爆及其防治措施 （一）岩爆的概念 常见的岩爆以顶部或拱腰部位为多。图中阴影部分表示即将暴落的岩片，断续线条代表岩片在脱落之前岩体产生的裂缝。 “A”“B”，表示即将暴落的岩块。 岩爆及其防治措施 （一）岩爆的概念岩爆在未发生前并无明显的预兆。岩爆时，岩块自洞壁围岩母体弹射出来，一般呈中厚边薄的不规则片状。岩爆发生的地点，

17、多在新开挖工作面及其附近，个别的也有距新开挖面较远处。 岩爆及其防治措施 （二）岩爆的特点地层的岩性条件和地应力大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。能量的观点：岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存在释放直到最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。岩爆是否发生的条件：岩体中是否储存足够能量、是否具有释放能量的条件、及能量释放的方式。 岩爆及其防治措施 （三）岩爆产生的条件防止岩爆的措施： 一、强化围岩。如喷射混凝土、锚杆加固、喷锚支护、钢支撑网喷联合、紧跟衬砌混凝土。 二、弱化围岩。如注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法。 岩爆及其防治措施 （四）岩爆防治的措施 一般来说，地温超过30度，称为高地温。 隧道

18、越长，埋深越大，高地温越严重。 地温随隧道埋深而升高，埋深小于1000m时，地温起伏不大；当大于1500m时，埋深增加地温急剧升高。 岩体温度达到35度，湿度达80%时，高地温就非常严重。 高地温隧道 （一）高地温的产生 恶化施工环境，严重威胁施工人员健康和安全； 影响施工材料的选取，如耐高温炸药、止水带、排水盲管及防水板等； 产生的附加温度应力可能引起衬砌开裂，对衬砌结构的耐久性不利； 高温导致隧道内机械设备的工作条件恶化，效率降低，故障增多。 高地温隧道 （二）高地温对隧道的不利影响1、通风降温 增大通风量，则气流温度大幅度下降，并且该温度的下降程度在通风量达到一定量时有急剧加快之势，如果

19、风量再增加则气流温度的下降又逐渐缓慢下来。 热害不太严重的情况下，加大风量降低作业区段环境温度是有效的。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施2、个体防护 个体防护的主要措施是工人穿冷却服，冷却服的工作介质有干冰、压缩空气、冷水等。 在分散的高温作业地点，不便采取集中降温措施时，可采用个体防护措施。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施3、减少热源 隧道内热源包括：围岩散热、机电设备散热、矿物氧化放热等。对于高地温隧道，主要是围岩散热 可通过在隧道壁面涂敷一层隔热材料或能降低隧道壁面与空气热传导系数的物质，来减少原岩对空气的放热量。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施4、人工制冷

20、降温 以上几种措施不能消除热害，或技术经济效果不佳时，才采取人工制冷降温。制冷有两种： 独立移动式制冷机，在工作面局部制冷 大型制冷机安装在洞口，集中固定制冷送进隧道 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施 放射性物质的特点就是不断地释放出射线，产生辐射照射。当人体接受的放射剂量超过一定值时，人体的机能就要受到损伤，它的危害程度与放射性质、强度、距离和人体吸收辐射率、收照时间有关。 放射性地段施工 （一）放射性物质特点 隧道开挖及爆破产生含矿粉尘对隧道内空气的污染 开挖后裸露的岩石及裂隙水中逸出的氡气及氡子体对空气的污染 围岩中矿石射线对施工人员的外照射 放射性物质造成的表面污染 放射性地段

21、施工 （二）放射性物质的影响 对有害物质进行监测： 氡气、氡子体浓度 辐射剂量率测定 废渣的放射性监测 氡气析出率监测 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护 对施工中在隧道周边发现的局部零星的小块铀矿石，立即进行清除并采用素混凝土充填，及时喷射混凝土 对开挖出的少量铀矿石，用非矿石石碴在弃碴场就地集中掩埋，并在弃碴场四周设排水沟 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护 在施工中遇到的含有微量放射性物质的地下水及时排出洞外，并教育职工不能用此水冲凉、洗衣服，更不能冲洗蔬菜或引用 严禁在洞内放射性物质浓度高的地段吸烟、吃东西和引水等。 放射性地段施工 （三）施工期间放射性

22、地段的施工防护 施工人员在施工时必须佩戴防尘口罩，口罩中的活性炭定期更换 适当注意营养保健并定期进行健康检查等。 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护2 隧道监控量测技术及超前地质预报1.概念: 现场量测与工程地质、数学力学处理分析紧密结合,形成的一套信息化设计的原理和方法。量测是手段,监控是量测的目的。2.原理:通过现场监测获得围岩介质力学的动态特性和支护结构工作状态的有关参数或数据(信息),对这些数据进行数学力学上的处理和分析,来预报(当前和未来)围岩及支护结构体系的稳定性及工作状态,进一步选择和修正支护及开挖设计参数,指导施工, 确保隧道施工及运营的安全与可靠。一、监控设计

23、的概念和原理二、隧道现场监测的必要性1.地质构造的复杂、介质材料的不确定 掌握围岩及支护结构力学性态的变化和规律 2.各种力的作用(施工)和自然作用影响 掌握施工方法方式进展及外界作用力对隧道结构及其围岩力学性态的影响3.对工程诊断的需要: 为理论解析、数值分析提供计算数据 验证设计参数 施工方法技术的评估改进 对稳定性判断 验证运营安全状况及时发现险情采取相应补救措施4.未来预测的需要:对未来的性态进行预测,防患于未然5.法律的需要:确定事故责任原因6.研究需要1.了解隧道工程条件与概况: 形式,类型,功能,尺寸,地层条件,周围环境,服务年限等2.明确监测目的:各阶段的安全评估需要,施工稳定

24、性需要,验证设计,新技术新方法或新材料的研究性需要3.监测内容(监测项目或监测变量) 分前期原位观测、施工期监测和运营期监测三部分三、隧道监测的设计1).前期原位观测:围岩多点位移2).施工期监测 必测项目:掌子面附近的地层特性及支护状况观测 收敛位移 拱顶下沉 地表下沉（浅埋地层） 选测项目:掌子面前方的地质探测 隧道内围岩多点位移 围岩压力及两层支护之间的压力 钢支撑内力及外力 支护结构应力及应变 围岩弹性波松动圈测试 爆破监测 渗压和渗流及温度测试（有水条件下）3).运营期观测:变形、应力、支护应力和应变、裂缝等4.仪器选择: 可靠性(在特殊环境下元件与测试仪器的可行性与可靠性),仪器量

25、程,精度等5.监测断面布置的原则 1).在综合考虑经济和技术条件下优化布置测试断面和测试内容 2).地层构造、围岩特性和工程形状尺寸变化部位 3).断面关键部位和关键施工阶段的情况 4).在少数点或断面安装较全面的测试项目,即最重要的断面进行最详细的观测,其他断面进行一种或几种不同内容的观测 5).在少量测试元件情况下, 不要在大区域内均匀分散布置, 应集中布置获取尽可能多的详细资料以分析 6).不宜限制埋设的元件数量和观测频率,应留有随机布置的数量和余地,适当调整和优化四、仪器安装埋设与观测1.接触压力是通过埋设压力盒来测试的2.衬砌内力通过埋设钢筋应力计或混凝土应力计测试3.沉降和收敛变形

26、观测点(隧道的三维变形观测)4.围岩深层位移或沉降通过埋设多点位移计观测5.爆破震动监测是通过布设的震动传感器量测震动时的震速 部分监测仪器照片 IDTS3850-4爆破振动记录仪精密水准仪进行沉降监测 沉降监测立尺 五、最新监测进展 1）、传感器的发展：由大向小、精度高、抗各种因素高（水、磁、振动等）、耐久性强、光纤传感器（比喻为神经）的应用 2）、由监测设备发展到自动监测仪器：数据自动采集仪、全站仪、电子水平尺、自动沉降仪、自动测斜仪等，以及超前地质雷达及TSP的应用； 3）、监测模式发生变化：手动发展到自动采集、电话传真到网络实时传送文字和图像多媒体等、实时（Real Time）监测、远

27、程（远距离）遥控监测六、监测数据的处理、分析和预测一）、数据的取舍1、数据的统计分析1）平均值（表示变量分布的集中位置） 算术平均值、几何平均值及加权平均值2）标准差或方差（表示变量的分散程度）3）变异系数（表示变量的相对偏差程度）2、异常数据舍弃的工程方法 1）施工工况及周围环境扰动等因素分析 2）在时间上数据的变化规律 3）在空间上临近同一变量数据的变化 4）几个测试变量的对比分析 5）测试人员、仪器的因素分析 综合之后可以判定是否舍弃，如仍不能明显决定，则加强测试频率，观测数据变化，并力求在最短时间内决定是否舍弃数据还是真实的性态反映。二）、数据分析的方式表格：汇总表格及关系表格图像:

28、曲线、形态图、直方图、馅饼图、立体图函数方式： 单变量：直线、双曲线、幂函数、指数函数、 对数函数、S型（Logistic）函数、多项式函数； 两个变量或以上变量时：非线性动态模式三）、监测数据的预测 1、测点在时间轴上的变化及预测 简单回归方法、经验方法、时间序列分析、非线性动态模式、神经网络、粘弹性或塑性分析 2、测点在空间上的变化及预测 经验函数法、多项式、模糊随机、信息扩散理论 3、基于各种假设的解析解 4、有限元及边界元的数值分析 5、基于数据库和知识库的人工智能或专家系统等软科学方法四）、监测数据的整理分析1.测试变量的转换2.测试数据的整理与分析 1).变形直线上升 u(t)=a

29、+bt 2).变形以其速率递增而上升,其速率是当前变形值 的函数 u(t)=k+abt七、监测的频率、变量管理值及报警1. 测试的频率应根据测试物理量的累积值 和速率值以及距离掌子面的距离共同考 虑。2.测试变量的管理值及报警可参看隧道施 工技术规范, 但必须综合考虑施工进度、施工参数、外界因素和周围环境等。八、反馈设计和指导施工1.预报围岩失稳的警报。2.根据测试数据和预报数据修正原始设计和调整支护及整个施工方案(喷层增厚、锚杆加密或加长、改变高强钢材锚杆、增加钢支撑、缩短开挖台阶长度和台阶数、提前锚喷支护或仰拱设置时间、掌子面加固或超前支护等)。3.利用测试及预报数据信息,反馈围岩及支护力

30、学参数及模型,进一步优化设计。4.对围岩及支护结构稳定性作出定量的评价,验证理论计算及模型试验结果。 洞内观察是在施工过程中，对掌子面、喷混凝土及锚杆等情况进行的日常观察。 在狗子滩隧道施工中，由于支护措施得当，在喷混凝土和锚杆的观察中均未出现异常情况，而在对掌子面的观察中及时了解到出现溶洞的情况，并采取了相应的措施，详见论文表4-2。 洞内观察九、必测项目十、选测项目（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变（一）围岩压力、钢筋（钢支撑）应力、喷射混凝土应变（二）二次衬砌钢筋应力、混凝土应变（二）二次衬砌钢筋应力、混凝土应变（二）二次

31、衬砌钢筋应力、混凝土应变（三）锚杆轴力（三）锚杆轴力（三）锚杆轴力（三）锚杆轴力（四）爆破振动（四）爆破振动（四）爆破振动（四）爆破振动IDTS3850-4爆破振动记录仪（五）建筑物沉降（五）建筑物沉降（六）建筑物倾斜（六）建筑物倾斜（六）建筑物倾斜（六）建筑物倾斜十一、超前地质预报超前地质预报（1）超前水平钻探超前水平钻探是一种传统而可靠的方法，可以根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米乃至上百米范围内围岩的工程地质情况；可以通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的不稳定岩层和断层破碎带进行准确定位；可以直接采集芯样进行各种抗压强度试验以获取岩石的物理力学特征参数；可以通过钻孔及时释放影响隧道

32、掘进施工的瓦斯和地下水等有害气体和液体。（2）物探方法TSP法 TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙）用小量炸药激发产生，爆破所产生的地震波信号沿着隧道右侧或者左侧的爆破剖面在岩层中以球面波的方式传播，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带、暗河、溶洞和岩性变化界面等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播，反射的地震信号将被高灵敏的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（如软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。TSP超前预报系统工作原理见下图。HSP法（水平声波

33、剖面法） HSP法是弹性波反射法的一种，其实质是：将发射源、接收效能器布置在隧道两侧的浅孔内，发射、接收位置均在平等于隧道地面的同一水平面上，即构成一“水平声波剖面”，在该剖面内向空间激发并接收震动（声波）信号：采用时域、频域中的时差、频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的出露里程及性质。该方法对掌子面前方50m内的地质状况的预报是比较准确的。低频地质雷达探测法 低频地质雷达探测是利用不同岩体的波阴抗的不同和分界面对电磁波的反射原理，对探测目标体进行成像，该方法能十分清楚地显现探测面前方一定范围内的岩石、空洞、水体等不均匀体的分布情况和岩性变化。利用该

34、方法在进行隧道超前探测时，为了保证一定的探测距离和探测精度，可以采用低频天线和中频天线相结合的方法进行，一般采用100MHz、500MHz的天线。该方法是一种无损探测，不足之处在于超前探测的距离不大，特别是采用500MHz的天线时，探测的距离往往不超过10m。总的来说，用该方法进行超前探测的距离一般不大于30m，以15 m以内效果最好。红外探水 因地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，可利用红外探水仪通过接受岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。（3）掌子面地质画像开发背景 隧道挖掘施工必然会遇到隧道掌子面和开挖方量(含超、欠挖)的测

35、算问题、对隧道前方的裂纹发生情况及地质结构做出预测的问题以及隧道受力结构变化等一系列问题，这些问题一旦处理不好，将极有可能在隧道施工过程中带来灾难性后果，如隧道塌陷、地下水泛滥等。研究目标 隧道的挖掘阶段使用数码照像机或摄像机对隧道掌子面进行拍摄成像，这些图像具有相对的空间关系。将获得的数字图像输入计算机中，用设计的软件对隧道掌子面数字图像进行处理，按照掌子面图像的拍摄时间先后将处理过的数字图像顺序化。在完成图像处理过程后，图像中的目标对象将会被提取出来。将这些目标对象进行定量化描述之后将会构成特征向量，形成向量空间。所有这些具有特征向量的目标对象会在向量空间中表现出某种特征，对这些特征进行进

36、一步的处理就可以完成聚类。得到目标对象的进一步信息，包括围岩的分级和相邻掌子面图像的岩层一一对应的信息。将所有的目标对象信息进行三维重建，使得具有一定特征的目标对象能够正确重组，最终形成完整的隧道三维结构。最后使用建立的三维模型预测出隧道中待挖掘的隧道地质结构，为隧道施工提供必要的参考信息。系统原理 画像系统由图像测定、图像处理及地质解析三部分构成，它利用数码相机和图像处理技术，把图像中丰富的数据、素材提炼出来，解决关键问题。系统示意图如下图所示。 工作流程系统工作流程如右图所示。 系统功能 本系统主要实现以下功能： A、对隧道掘进现场随施工进度跟踪采集的地质剖面图像进行数字图像处理，得到岩体

37、结构面等信息； B、通过计算机数字图像技术，实现对剖面岩体的自动围岩分级； C、通过三维建模技术，建立隧道开挖部分的三维可视化地质图像； D、通过数值分析等方法预测隧道周围岩体地质结构。用其结果反馈给隧道施工管理及设计，以提高隧道断面观察精度，同时保存和有效利用断面观察数据。界面设计下图系统的界面设计图。图像处理 下图是对隧道断面处理的流程及结果图,其中“边界提取”中的红色曲线是对断面岩层提取出的岩层边界。“边界提取”时，若断面图像较复杂，自动处理对边界定位不准，可采取人工干预，对岩层边界进行编辑和修正。当边界定位准确后，则可建立相邻断面图像上的同一岩层目标的连接对应关系，如下图所示。原图 图

38、像预处理 边缘检测 图像分割 边界提取 上图是对相邻断面图像上的同一岩层目标的连接界面,其中左右两幅断面图像中以黄色表示的岩层目标表示建立了对应关系的岩层目标，这种对应关系建立后，便可以建立隧道三维模型。三维重建技术下图为掌子面观察纪录的输出示例。其中的地质立体表示即为根据掌子面图像建立的隧道三维模型。 （4）四结合 隧道施工地质超前预报预测是一项综合性的技术工作，尤其是在长大复杂岩溶隧道的施工地质预测预报上，任何单一方法和手段都是无法达到目的的。在实际施工过程中，宜根据隧道的物点和具体的工程水文地质问题，选择多种预测方法，综合预测、相互印证。工程水文地质与物探结合 将工程水文地质与各种物探所

39、得的超前地质预测预报结果进行比较，可以确定隧道工程的真实水文地质情况，并对隧道掌子面前方一定距离的地质情况进行比较准确的预测预报。地面与地下（洞内外）结合 工程地质调配与推断是隧道超前预报中采用最早的方法，通过地有和隧道内的工程地质调查与分析，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。内容包括：地层与岩性的产生特征；断裂构造与节理的发育规律；岩深带发育的部位、走向、形态等。预测隧道掌子面前方的不良地质现象可能的类型、部位、规模等，以便隧道施工中采取合理的工艺与措施，避免事故发生。 在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下，这种预报方法有很高的准确性，该方法与其它物探方法相结合，可以取得更

40、好的效果。但是，在构造比较复杂的地区和深埋隧道的情况下，该方法工作难度较大，准确性难于保证。多种物探手段相结合 地质雷达物探技术也可运用于隧道施工地质预报，其缺点是探测隧道掌子面前方的地质情况的深度较浅，多在1040m，但可以与地震反射法(TSP202、TSP203)相结合，可取得较好效果。通常采用以地震反射波法进行中长距离(100m左右)的岩性结构变化情况的预报，采用探地雷达进行短距离(1040m以内)的精细岩性结构变化情况的预报。探地雷达的探测结果为地层么射波法提供反射波速度参数，而地层反射波法弥补了探地雷达探测范围小的缺点。两种方法相互结合，互相补充。同时，地质雷达用于隧道底部或其它出水

41、部位可能隐伏溶洞的探测，效果较好。长短结合 在勘察阶段进行的地质钻探工作有限，常是隔一定距离从地表沿隧道轴线位置进行钻孔（长钻孔）探测，并以此为依据来划分围岩的级别。 但是，由于长大隧道的工程地质、水文地质条件复杂多变，且限于目前地质勘探技术水平等，想在勘察阶段就准确无误地勘察其工程岩体的状态、特征，并预测预报可能引发的隧道地质灾害的不良地质体（带）的位置、规模和性质是极其困难的。这些问题的解决，必须依靠施工中开展的深入细致的施工地质勘察和超前预测预报工作。总的地质预报思路为：采用TSP2020、TSP203地质超前预报系统进行长距离宏观控制，利用红外探水、地质雷达和HSP进一步强化、补充和验

42、证（也可根据现场具体情况只选用一种），加大超前水平钻探和孔内数码成像的力度，加强常规地质综合分析，在有条件时充分利用超前平层，多管齐下，力争把发生地质灾害的机率降为最低。 s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y3 隧道质量控制技术隧道施工质量控制技术三阶段质量控制隧道施工质量控制是一个过程，即从隧道结构“孕育”、“成长”的各个阶段都要进行控制，通过试验、检测等技术，提出相应的控制指标、方法以及检测技术。施工质量控制包括事前控制、事中控制和事后控制三个阶段，三阶段控制构成了质量控制的系统控制过程。 事前控制 事前控制要求预先进行

43、编制周密的质量计划。尤其是工程项目施工阶段，制订质量计划或编制施工组织设计或施工项目管理实施规划，都必须建立在切实可行、有效实现预斯质量目标的基础上，作为一种行动方案施工部署。 事前控制主要包括强调质量目标的计划预控和按质量计划进行质量活动前的准备工作状态的控制。 事中控制 事中控制首先是对质量活动的行为约束，即对质量产生过程各荐技术作业活动操作者在相关制度管理下的自我行为约束的同时，充分发挥其技术能力，去完成预定质量目标的作业任务；其次是参建各方对质量活动过程和结果的监督控制，这里包括来自企业内部管理者的检查检验和来自企业外部的工程监理和政府质量监督部门等的监控。 事后控制 事后控制包括对质

44、量活动结果的评价认定和对质量偏差的纠正。人理论上分析，如果计划控制过程所制订的行动方案考虑得越周密，事中约束监控的能力越强、越严格，实现质量预期目标的可能性就越大。理想的状况就是希望做到各项作业活动“一次成功”、“一次交验合格率100%”。由于系统因素和偶然因素的存在，因此当出现质量实际值与目标值之间超出允许偏差时，必须分析原因，采取措施纠正偏差，保持项目质量始终处于受控状态。 施工质量过程控制（也称工后控制）。目前的质量控制大多是“重二衬，轻初支”，实际上隧道初期支护是隧道的主要承力结构，对整个隧道结构的耐久性起着很重要的作用，故在隧道施工质量过程控制中，对初期支护各结构的施工质量均需进行必

45、要的控制。 施工质量过程控制主要包括开挖断面、锚杆质量（长度及砂浆饱和度）、钢拱架或格栅钢架、喷混凝土质量（强度、厚度及背后缺陷）、防水层施工质量、二次衬砌混凝土质量（强度、厚度及背后缺陷）、隧道衬砌裂纹等的实时控制。 1 原材料 对于隧道工程中所要用到的所有材料（水泥、砂、石、钢材、防水板、外加剂等），在施工前均需按要求进行试验，确保合格之后才能使用。 对施工过程中将要用到的喷混凝土配合比、二次衬砌混凝土配合比及砂浆的配合比等，均要以工程中将要采用的各种材料为基础进行各种配合比设计，以确保混凝土及砂浆的强度满足要求。2 隧道开挖断面（1）控制超欠挖表12-1 隧道允许超挖值（cm）围岩级别开

46、挖部位、拱部线性超挖101510最大超挖152515边墙线性超挖101010仰拱、隧底线性超挖10最大超挖25 客运专线铁路隧道工程施工技术指南 TZ 2142005规定：隧道开挖不应欠挖，当围岩完整、石质坚硬时，允许岩石个别突出部分侵入衬砌（每1m2不大于0.1m2、高度不大于5cm）。拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖。 在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即必需改变“宁超勿欠”的传统观点，树立“少欠少超”的观点。也就是说，应容许一定程度的欠挖，例如，日本在隧道施工中，基本上容许概率为16的欠挖。即在开挖断面上取100个点，有不超过16个点的超挖就可以了。这样就可以避免开挖轮廓线的无谓

47、扩大，而使超挖得以减少。例如，铁路隧道施工规范（TB 102042002）规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于10cm。对喷锚衬砌应不大于5cm。 实际施工中，周边孔开口位置e有三种情况，其出现机率和差值大小则主要决定于钻孔水平。第1种情况（a）不影响超欠挖；在（b）的情况时，将使超挖增加一个e值，而第3种情况，将使超挖减小一个e值，但出现欠挖。因而，钻孔时先定位，后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把e控制在较小范围内（约在3cm）是可能的。 对隧道在各施工阶段的净空尺寸（横断面净空及超欠挖）采

48、用激光断面仪（如国产BJSD-2型隧道限界检测仪，见图）或全站仪进行检测。通过激光断面仪对隧道各施工阶段净空尺寸的检测、数据处理，可以评价隧道开挖质量、取代收敛量测以及对地质雷达检测喷混凝土厚度时进行波速标定和厚度修正等。 （2）激光断面仪检测开挖质量 在隧道开挖后，将激光断面仪架设在检测横断面上对开挖轮廓进行检测，对实测数据进行分析处理，得出隧道开挖轮廓断面，与设计的开挖线相比较，可评价隧道开挖的超欠挖情况，对隧道的开挖质量进行评价，详见图。混凝土厚度检测 在隧道开挖后，用激光断面仪或全站仪对开挖断面进行测量，待初期支护喷混凝土完成后在相同断面作初期支护施作后的净空断面进行测量，利用两次测量

49、结果的差值，可得出该断面初期支护喷混凝土厚度的准确值（见图）。若在二次衬砌前后对相同断面进行检测，即可得检测断面二次衬砌厚度准确值。 隧道净空状况检测 检测中以隧道控制网坐标系统（中线及高程）为断面轮廓检测的坐标系统，隧道内每间隔一定距离（如20m）设置一个检测断面，每个检测断面上设置一定数量的测点进行检测，对隧道净空状况采用激光断面仪（BJSD-2型）方法进行检测。 利用专用处理软件（软件界面见图4-25）对实测数据进行分析处理，得出隧道横断面数据（详见图4-23）。同时，以设计断面为标准曲线，通过与实测断面轮廓数据的比较，确定隧道衬砌净空断面是否满足设计要求（见图4-26）。 图4-25

50、BJSD-2型隧道限界检测仪专用软件界面 图4-26 二衬后断面检测结果图 （2）锚杆质量 锚杆是将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连结在一起以提高整体稳定性的一种支护措施。当锚杆发挥作用时，锚杆不同部段的功能各不相同。锚杆内端处于牢固稳定岩体的部段，其锚固力主要起着固定锚杆的作用；而锚杆外端处于破碎或不稳定岩体的部段，其锚固力主要起着将该段岩体(块) 与锚杆连结在一起的作用（见图4-27）。要让锚杆能发挥设计的效果，除保证锚杆的长度满足设计要求外，还要使各段都能均匀而有效地与岩体锚固在一起。除此之外，对锚杆质量影响较大的因素还有砂浆的强度，得有足够的裹握力才能保证锚杆的质量。 距岩面距

51、离(m)x轴力(kN)P图4-27 理想锚杆受力示意图 锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检测，现已有专用的锚杆质量检测仪，见图4-28。 图4-28 JLMG锚杆质量检测仪 锚杆长度 应力反射波法是一种无损检测方法，该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以用(3)式求出锚杆长度L ， 锚杆中的应力波传播速度可在现场已知长度的锚杆上进行标定。 注浆饱和度 注浆饱和度检测通过测定锚杆不同方位，不同距离应力波的阻尼情况，

52、即锚杆与围岩的耦合情况来判断注浆饱和度。由应力波在介质中的传播特性可知：应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢。 利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情况，对于注浆饱满的，砂浆和岩石的耦合性好，可看成完整的介质，因此应力波的波形规则衰减快，近于指数衰减；对于注浆饱满程度差的则砂浆和岩石间的耦合性差， 可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱、衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断。 (a)全长树脂锚杆锚固段长度为0.77m实测波形图 (b)树脂端锚锚杆的实测波形图 图12-34 锚杆长度及注浆

53、饱和度检测波形图 砂浆强度 在砂浆锚杆的长度及灌浆饱和度均达到要求后，并不能说明锚杆的质量完全达到了要求。从锚杆的支护性能可知，它是受砂浆的裹握并通过砂浆与围岩这间发生作用的，若砂浆的强度达不到要求。为了全面评价锚杆的质量，有必要对砂浆（抗压、抗剪）强度进行检测。 A、抗压强度 采用传统的试验方法，在施作锚杆时同期制作试件，对试件进行抗压试验，得出砂浆的抗压强度。B、剪切强度 由锚杆的支护机理可知，在联结锚杆与岩体中砂浆主要受剪力的作用。从而，砂浆的剪切直接影响到锚杆的质量。 由于围岩存在差异，在不同的联结体上，砂浆与围岩间的剪切力有所不同。为了真实反映锚杆实际工作时砂浆与围岩（锚杆洞壁）间的

54、剪切力，可进行原位试验。将施作好的锚杆与周围的围岩一同取出，采用特制的试验设备对其进行抗剪试验，得出砂浆与围岩间的剪切力，并对其进行评价。 锚杆抗拔试验 锚杆抗拔力通过拉拔试验进行检测。拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法。进行拉拔试验时,将液压千斤顶放在托板和螺母之间,拧紧螺母,施加一定的预应力,然后用手动液压泵加压,同时记录液压表和位移计上的对应读数,当压力或者位移读数达到预定值时,或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时,停止加压。测试后,整理出锚杆的位移-荷载曲线,进而分析出试验锚杆的抗拔力大小。试验时锚杆的受力状态见图12-35。距岩面距离(m)x轴力(kN)P图12-

55、35 抗拔试验时锚杆的受力示意图锚杆检测结果评定 试验证明：对于高强螺纹锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随锚杆长度的增加而增加。高速铁路隧道锚杆的长与直径比达到几百倍，而且从图1、2可知，锚杆拔抗试验与实际锚杆的受力状态有很大不同，得出锚杆抗拔力与锚杆质量没有必然的相关性，若仅采用抗拔试验，可能导致将不合格锚杆依其抗拔力评定成合格锚杆。所以，对锚杆进行检测时，要采用声频应力波法对锚杆的锚固质量进行无损检测，再配合抗拔力试验进行综合分析，可对锚杆的锚固质量作出较全面的评价。4 喷混凝土质量检测 喷射混凝土能及时封闭围岩暴露面，有效地隔绝水和空气；部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节

56、理中起胶结和加固围岩的作用；能向围岩提供支护抗力(径向力)，使围岩由二向受力变为三向受力状态，从而提高了围岩强度。 评价喷混凝土的质量，主要是指标：喷混凝土强度（包括早期强度和晚期强度）、厚度、密实度及背后缺陷。 喷射混凝土强度在一定范围内离散分布，正常情况其分布规律符合正态分布曲线，喷射混凝土强度检验准则是根据平均强度和变异系数综合控制。因此对喷射混凝土的质量控制不但要控制平均强度，同时还必须控制变异系数。由于湿喷工艺能够对水灰比进行准确控制，因此强度变异系数小，喷层结构可靠性高。而干喷工艺据欧洲规范（EFNARC）7.3表述：“对于干喷工艺难于预设水灰比。实际水灰比一般在0.350.5的范

57、围内波动。经估算，相应强度波动可达15MPa以上”。根据中铁西南院大量试验数据表明：湿喷混凝土强度变异系数可控制在10%左右，达到国标优质标准。 混凝土强度分布规律 喷混凝土强度 根据喷混凝土强度表面特征，宜采用气压射钉枪（见图4-30、31）无损检测方法进行检测。气压射钉枪检测喷混凝土强度是在恒定空气压力下将经过特殊标定的射钉打入喷混凝土内，由其射入深度推算其强度(深度与强度的关系由实验标定)。 图4-30 气压射钉枪 图4-31 气压射钉枪强度测试系统 喷混凝土厚度、密实度及背后缺陷 喷混凝土厚度、密实度及背后衬砌缺陷均可采用地质雷达（见图4-34、35）进行检测。根据喷混凝土厚度，采用地

58、质雷达对喷混凝土进行检测前要解决的问题：天线频率的选择、雷达波在喷混凝土中的波速标定。根据喷混凝土厚度，选用1000MHz或更大频率的天线可以得到效果较好的检测结果；对于波速标定，采用激光断面仪通过断面检测得出喷混凝土厚度来得到。 图4-34图4-35喷混凝土强度与射钉贯入深度的关系曲线 强度差值d频数直方图 5 格栅或型钢拱架数量检测 在隧道中所使用格栅或型钢拱架数量，也是隧道初期支护质量控制中所关心的问题。喷混凝土中存在格栅或型钢拱架支撑时，地质雷达剖面图中信号会有变化，可通过这些信号的变化读出隧道施工时所使用的格栅或型钢拱架支撑数量。钢材质量（包括锚杆）及加工质量可于施作前抽检来进行控制

59、。 呈倒W形的格栅拱架格栅拱架检测图 型钢拱架检测图 （6）二次衬砌检测二次衬砌混凝土强度检测 对二次衬砌混凝土强度检测采用超声回弹综合法结合少量的钻芯取样进行检测。A、超声回弹检测 图4-38 -5000型混凝土数显回弹仪 图4-39 乐陵机械回弹仪 图4-40 NM4A型超声波检测仪 图4-41 瑞士产TICO型超声波检测仪 B、钻取芯样检测 钻芯取样为局部检测，主要用于修正超声回弹所得混凝土的强度。芯样钻取位置必须在超声回弹检测的内，在现场采用钻机（如：ZKJ200型金刚石钻机，见图4-42）钻取芯样（芯样直径：100或150）后，在室内进行芯样试件制作并养护后采用压力试验机（NYL60型，见图4-43）对芯样试件进行抗压强度试验，得出衬砌混凝土芯样强度值。 图4-42图4-43二次衬砌混凝土厚度、背后空洞及围岩状况检测 对隧道二次衬砌混