隧道监控量测技术及超前地质预报_ppt

1、隧道监控量测技术及超前地质预报主讲人xx 教授xx 博士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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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: 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；

7、 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+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

8、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

9、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IDT

10、S3850-4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

11、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，

12、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

13、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

14、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

15、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、

16、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

17、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（

18、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