地下工程第9章 地下工程施工监控量测

北京交通大学地下工程

主讲：

本课程主要内容：第一章：绪论（1讲）第二章：地下工程环境及围岩分级（2讲）第三章：地下工程主体规划及结构设计（3讲）第四章：地下结构计算理论（2讲）第五章：地下工程支护参数设计（2讲）第六章：地下工程防排水设计（1讲）第七章：地下工程施工降水（1讲）第八章：地下工程施工方法（3讲）第九章：地下工程施工监控量测(1讲）

第九章地下工程施工监控量测第一节监控量测目的及设计原则1、监测目的

（1）了解施工过程中隧道支护结构和周围地层的动态变化情况，分析工程施工对原始地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节为施工日常管理提供信息，保证施工的安全。

（2）为修改工程设计方案提供依据。

（3）保证施工影响范围内建筑物、地下管线的正常使用，为合理确定保护措施提供依据。

（4）验证支护结构设计，为支护结构设计和施工方案的修订提供反馈信息。

（5）积累资料，以提高地下工程的设计和施工水平。

2、监控量测设计原则第一：确切地预报破坏和变形等未来的动态，对设计参数和施工流程加以监控，以便及时掌握围岩动态而采取适当的措施（如预估最终位移值、根据监控基准调整、修改开挖和支护的顺序和时机等）。第二：满足作为设计变更的重要信息和各项要求，如提供设计、施工所需的重要参数（初始位移速度、作用荷载等）。施工监测是一项系统工程，监测工作的成败与选用监测方法的选取及测点的布置直接相关。归纳以下5条原则：

（1）可靠性原则：可靠性原则是监测系统设计中所考虑的最重要的原则。为了确保其可靠性，必须做到：第一，系统需要采用可靠的仪器。第二，应在监测期间保护好测点。

（2）多层次监测原则：多层次监测原则的具体含义有四点：a、在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目；b、在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法；c、在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪器；d、考虑分别在地表、及临近建筑物与地下管线上布点以形成具有一定测点覆盖率的监测网。

（3）重点监测关键区的原则：在具有不同地质条件和水文地质条件、周围建筑物及地下管线段，其稳定的标准是不同的。稳定性差的地段应重点进行监测，以保证建筑物及地下管线的安全。

（4）方便实用原则：为减少监测与施工之间的干扰，监测系统的安装和测量应尽量做到方便实用。

（5）经济合理原则：系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的先进性，以降低监测费用。第二节监测内容9工程安全监测项目（一）围护结构的变形监测

沉降监测、水平位移监测1、围护结构沉降观测2、围护结构水平位移监测3、围护结构在不同深度的水平位移（测斜仪）（二）支护结构体系的内力监测围护结构的弯矩和支撑杆件的轴力（钢筋计、轴力计、应变计）（三）土压力监测（土压力盒）（四）孔隙水压力的监测（孔隙水压力计：透水石+传感器）（五）地下水位监测（地下水位仪：钢尺水位计+水位管+测头）10工程安全监测项目（六）新奥法施工的隧道、地下通道及地下洞室变形和收敛监测拱顶下沉、周边收敛（收敛计、位移计）1、地质素描应包括：测试断面的位置、形状、尺寸及编号；岩石名称、结构及颜色；层理、片理、节理裂隙、断层等软弱面的产状、宽度、延伸、连续性等；各结构面成因类型、力学性质、充填物成分等；岩体风化程度、特点等；地下水类型、位置、水量等；溶洞等特殊地质条件描述；施工方法及喷层开裂、剥落等。第三节监测方法

2、水准仪量测拱顶下沉或地表下沉

3、收敛计测隧道周边相对位移

数显式收敛计：4、位移计量测围岩内部位移先向围岩钻孔，然后用位移计量测钻孔内各点相对于孔口一点的相对位移。5、用钢筋计测锚杆内应力和拉拔器测锚杆抗拔力

6、压力盒测支护与围岩之间的接触应力

7、测斜仪测土体水平位移

普通测斜仪遥感式测斜仪普通测斜仪8、分层沉降仪测土体分层沉降

9、电阻式应变计测应变（表面及埋入式）10、渗压计测水压11、遥感自动光学扫描仪12、钻孔状况测定仪13、混凝土强度回弹仪14、光纤传感器1、量测项目的选择

第四节监测计划2、测试断面、测线、测点、测孔布设测试断面：拱顶下沉及周边位移在同一断面，尽可能接近开挖面。测线（收敛）：

测孔（围岩内位移）：

测点（接触应力）：1、量测数据分析整理每次观测后应立即对原始观测数据进行校核和整理，包括原始观测值的检验、物理量的计算、填表制图，异常值的剔除、初步分析和整编等，并将检验过的数据输入计算机的数据库管理系统。第五节量测数据分析与反馈位移（应力）控制值时间（t）0

时态散点示意图

采用比较法、作图法和数学、物理模型，分析各监测物理量值大小、变化规律、发展趋势，以便对工程的安全状态和应采取的措施进行评估决策。常用的回归分析函数为：对数函数：指数函数：双曲线函数：

根据时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，如果位移的变化随时间(或距掌子面距离)而渐趋稳定，说明围岩处于稳定状态，支护系统是有效、可靠的，如图中的正常曲线。图中曲线出现了反弯点，说明位移出现反常的急骤增长现象，表明围岩和支护已呈不稳定状态，应立即采取相应的工程措施。35围岩稳定性判断1)位移隧道施工时，围岩和支护实测位移值若超过某一临界值，则表示围岩不稳定，需加强支护衬砌。2)位移速度如：日本新奥法设计施工指南指出，当位移速度大于20mm/d时，就需要特殊支护，否则可能使围岩失稳。二次衬砌在围岩变形基本稳定后施作3)位移加速度位移加速度为负值，表明围岩变形趋于稳定；位移加速度=0，变形速度长时间保持不变，表明围岩趋向不稳定，须发出警告，及时加强衬砌；位移加速度为正值，围岩变形速度增加，表明围岩已处于危险状态，须立即停止开挖，迅速加固衬砌或采取措施加固围岩。2、监测结果的反馈

（1）围岩位移：若位移过大，应调整支护参数，缩短开挖到支护时间，缩短台阶长，控制二次衬砌施作。

（2）围岩内位移及松动区：要求锚杆大于松动区。

（3）锚杆轴力：判断锚杆是否超强。

（4）围岩压力：若围岩压力大，但变形量不大，说明支护(尤其是封底)时间可能过早或支护刚度太大；若围岩压力大，变形量也大，应加强支护，限制围岩变形；若围岩压力不大，但变形量很大，则应考虑可能会出现围岩失稳。

（5）喷层应力：喷层应力与围岩压力及位移密切相关，喷层应力大的原因一是围岩压力大和位移大，二是支护不足。

（6）地表下沉：对于浅埋隧道，地表下沉过大，会引起地表建筑物的破坏，应加强支护、调整施工措施。第六节工程实例

广州龙头山隧道，为双洞八车道，最大开挖跨度20.7m，是国内公路跨度最大的隧道之一，隧道的矢跨比为0.65，是典型的扁坦形公路隧道。施工方法：洞口Ⅱ、Ⅲ类围岩采用双侧壁导坑法，进入Ⅳ、Ⅴ类围岩采用全断面中导洞法施工。序号监测项目测试仪器测点布置原则监测频率1拱顶下沉分步开挖时在各部拱顶点每隔5～10m布一测点距开挖面距离0~1B，测试频率1~2次/日；距开挖面距离1~2B，测试频率1次/日；距开挖面距离2~5B，测试频率2次/日；距开挖面距离5B以上，测试频率1次/周2净空收敛收敛计与拱顶点同一断面。布置7条净空收敛量测测线，在临时支护上布置6条测线。距开挖面距离0~1B，测试频率1~2次/日；距开挖面距离1~2B，测试频率1次/日；距开挖面距离2~5B，测试频率2次/日；距开挖面距离5B以上，测试频率1次/周3锚杆轴力选取6个主断面埋设，每个主断面布置10个测点距开挖面距离0~1B，测试频率1~2次/日；距开挖面距离1~2B，测试频率1次/日；距开挖面距离2~5B，测试频率2次/日；距开挖面距离5B以上，测试频率1次/周4初支格栅内力钢筋计、频率接收仪选取4个主断面埋设，每个主断面布置20个测点距开挖面距离1~2B，测试频率1~2次/日；距开挖面距离2B以上，测试频率1次/周5二衬钢筋内力钢筋计、频率接收仪选取6个主断面埋设，每个主断面布置28个测点前15天：测试频率1~2次/日；15天后，测试频率1次/1～2周6围岩压力压力盒、频率接收仪选取6个主断面埋设，每个主断面布置10个测点前15天：测试频率1~2次/日；15天后，测试频率1次/1～2周监控量测项目：监控量测项目表

双侧壁导坑法二衬钢筋内力测点布置双侧壁导坑法围岩压力测点布置

台阶法位移测点布置

双侧壁导坑法位移测点布置

测点布置：

双侧壁导坑法锚杆轴力测点布置

多点位移计埋设示意图

监测控制基准值：围岩级别覆盖层厚度（m）<5050~300>300Ⅲ0.10~0.300.20~0.500.40~1.20Ⅳ0.15~0.500.40~1.200.80~2.00V0.20~0.800.60~1.601.00~3.00隧道周边允许相对位移值（%）管理等级管理位移值施工状态Ⅲ可以正常施工Ⅱ应加强支护Ⅰ应采取特殊的措施位移量测数据管理等级

监测及反馈：

（a）侧导洞拱顶沉降（b）核心土部位拱顶沉降

（c）左侧导水平收敛（d）右侧导水平收敛进口段ZK5+825断面位移时态曲线（双侧壁导坑法施工）

导洞拱顶沉降量持续增大，左导洞拱顶累计沉降达30mm，右导洞拱顶沉降达50mm。核心土部位拱顶沉降量持续增大，每日下沉量变化跳跃，拱顶累计沉降量不到5mm。左导洞收敛一直呈增大趋势，6月24日的日收敛量达10.62mm，随着收敛的增大断面附近左边墙出现环向裂缝，预留核心土也出现多条裂缝，因此课题组加强监测，并随时将信息反馈给各方，6月28日左边墙又出现45的裂缝，后趋于稳定，最大收敛值为64.4mm。右侧导洞收敛变形值较小，最大只有11mm。

断面ZK5+870第三套位移计测点实测沉降-时间关系曲线

地表变形影响最大的是隧道正上方，随着距离隧道中心的距离增加到1倍洞径后，地表沉降量迅速减小。测点5364、5365沉降平缓，而5339、5375、5368沉降变形有明显突变，说明隧道开挖在竖向对1倍洞径外地层影响是很小的。这也说明进入深埋段地表位移值将非常小。

左导洞各点测试值开始波动较大，之后逐渐趋于稳定，锚杆轴力普遍较小，且大部分受压，最大拉力0.5KN，最大压力-2.5KN。右导洞各点测试值开始波动较大，之后逐渐趋于稳定，锚杆轴力普遍较小，受拉测点略多于受压测点，最大拉力2.5KN，最大压力-0.9KN。核心土锚杆轴力普遍较小，最大拉力1.0KN，最大压力-0.2KN。

进口段ZK5+870断面锚杆轴力时态曲线

在洞口段的全、强风化花岗岩地段，锚杆轴力普遍较小，且大部分受压，因此锚杆的支护效果不明显，建议在以后的类似工程中可以取消系统锚杆，这既可减少施工工序，也加快隧道初期支护断面及早封闭，能更好的控制支护沉降与变形，并节约工程投资。由上述分析结果可以看出：在洞身段的微、弱风化花岗岩地段，锚杆普遍受拉，且拉力较大，因此锚杆作用效果较明显，但同一断面不同部位的锚杆轴力相差较大，说明作用效果不一样，建议在以后的类似工程中可采用局部锚杆，不一定采用系统锚杆，局部锚杆的施做部位由施工单位根据需要来定。

（1）初支背后土压力分布极不均匀，规律性很差，而且压力值普遍偏小，其中77％测点的土压力小于100kPa，13％测点的土压力在100～200kPa之间，12％测点的土压力大于200kPa，而且最大的土压力只有932kPa。（2）初支与二衬之间的接触压力分布极不均匀，规律性很差，而且压力值普遍偏小