隧道施工监控量测技术教材

隧道施工监控量测技术

目录一、概念二、必要性三、目的四、总体要求及方案制定五、监控量测项目与方法六、数据处理及应用隧道施工监控量测技术一、隧道施工监控量测概念（重要性）隧道施工过程中，使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价，统称为监控量测。它是保证工程质量的重要措施，也是判断围岩和衬砌是否稳定，保证施工安全，指导施工顺序，进行施工管理，提供设计信息的主要手段。隧道施工监控量测技术二、隧道监控量测的必要性•1.隧道工程作为工程建筑物，受力特点与地面工程有很大的差别。由于隧道处于千变万化的岩体之中，其所受外力是不明确的，施工过程中应采用量测手段掌握受力情况。•2.隧道在开挖、支护、成形、运营的过程中，自始自终都存在受力状态变化这一特性，监控量测可以了解变化情况。•3.隧道监控量测是隧道施工安全的哨兵，是确保隧道安全施工的前提条件。隧道施工监控量测技术监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工最重要的信息化手段。很多隧道的变形与坍方是因为没有进行量测、或没有使用量测成果才产生的，教训深刻。隧道监控量测主要包括拱顶下沉和水平收敛，浅埋段应进行地表沉降量测。特别地段进行底部上鼓、填充面下沉量测。隧道施工监控量测技术三、隧道施工监控量测的目的1.确保安全；根据量测信息，预见事故和险情，防患于未然。2.指导施工；分析处理量测数据，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，指导施工顺序和施作二次衬砌时间。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与设计措施的可靠性。隧道施工监控量测技术•四、隧道施工监控量测总体要求及方案制定•1、隧道施工监控量测总体要求•⑴按照《铁路隧道工程施工安全技术规程》、《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁建设[2010]120号）和《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015）等相关要求开展工作，并将监控量测纳入关键工序进行管理，监控量测结果应及时反馈,指导设计与施工,隧道开挖后的围岩变形量测应按规定实施,量测数据应绘制成图。隧道施工监控量测技术⑵每座隧道应根据工程地质情况，编制具体监控量测方案及实施细则，并配置专门人员和仪器负责此项工作。⑶针对隧道不同地质情况，选用监控量测项目和监控手段，配置相应精度的仪器。⑷测点应紧靠工作面快速埋设，尽早测量。一般设置在距开挖工作面2m范围内。拱顶下沉、收敛量测起始读数宜在开挖后3～6h内完成，其他量测应在每次开挖后12h内取得起始读数，最迟不得大于24h，在喷射混凝土后、下次爆破前测取初读数。⑸位移监控测量宜采用无尺量测，当采用收敛计量测时，每次测点位置应固定，挂钩不宜采用环形，应采用三角挂钩。隧道施工监控量测技术•《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁建设〔2010〕120号）有关监控量测的规定：•1.隧道监控量测应按现行《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015）的规定建立等级管理、信息反馈和报告制度。•2.隧道监控量测应作为关键工序纳入现场施工组织。监控量测必须设置专职人员并经培训后上岗，对周边建筑物可能产生严重影响的城市铁路隧道，应实施第三方监测。•3.隧道拱顶下沉和净空变化的量测断面间距：III级围岩不得大于30m（规程30～50m）；Ⅳ级围岩不得大于10米（规程10～30m）；Ⅴ级围岩不得大于5米（规程5～10m）。•4.隧道浅埋、下穿建筑物地段，地表必须设置监测网点并实施监测。•5.当拱顶下沉或水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，要暂停掘进，分析产生原因，采取处理措施。•6.采用有尺量测时，测点挂钩要做成闭合的三角形，保证牢固不变形、点接触，如图示。有尺量测的挂钩设置•初期支护施做后，用冲击钻或煤矿螺旋钻凿φ40mm、深600mm的孔（其中伸入岩体300mm，外露不小于50mm），用1:1水泥砂浆或锚固药卷填满后插入端头焊接挂钩的φ22螺纹钢筋，使同一基线两测点的固定方向在同一断面及水平线上。将监控量测工作纳入工序管理监控量测工作是隧道信息化施工的重要组成部分，必须将此项工作作为关键工序纳入现场施工组织和生产工序之中，结合公司相关要求，施工单位须编制监控量测作业指导书及实施细则，并报监理单位审批，施工中严格、认真实施。监控控量量测测与与信信息息反反馈馈程程序序图图无尺尺量量测测传统统的的隧隧道道施施工工位位移移监监测测多多采采用用钢钢尺尺式式收收敛敛计计，，但但这这种种方方法法已已有有明明显显的的局局限限性性，，如如现现场场操操作作困困难难，，对对施施工工干干扰扰大大，，测测量量精精度度下下降降等等问问题题。。随随着着国国内内光光电电测测距距技技术术的的迅迅速速发发展展，，隧隧道道工工程程施施工工中中已已广广泛泛采采用用无无尺尺量量测测技技术术,该监监测测系系统统采采用用全全站站仪仪+方形形十十字字反反射射片片(规格格40m*40mm)组成成现现场场观观测测系系统统，，具具体体施施做做步步骤骤：：埋埋设设测测点点→→设设置置仪仪器器→→测测点点量量测测→→处处理理数数据据→→反反馈馈指指导导施施工工。。无尺尺量量测测无尺尺量量测测法法主主要要用用于于围围岩岩变变形形量量测测，，具具有有以以下下优优点点：：(1)自动化程程度高，，操作简简便．大大大减少少了因人人工操作作而引起起的误差差；(2)系统精度度高，左左右两侧侧进行复复测复核核，能够够满足量量测要求求；(3)非接触量量测，在在大跨度度隧道量量测中具具有明显显优势；；(4)软件操作作方便，，可及时时反馈信信息。全站仪要要具有免免棱镜激激光测距距功能，，采用两两次读数数取平均均值的方方法。无尺量测测施工现现场隧道开工工前，根根据隧道道规模、、地形、、地质条条件、支支护类型型和参数数、施工工方法等等进行监监控量测测设计。。其中包包括：量量测管理理组织机机构、量量测项目目、量测测仪器、、测点布布置、量量测频率率、数据据处理及及量测数数据日报报制度等等。变形观测测点埋设设元件及及标识牌牌无尺量测测指导施施工隧道施工工监控量量测技术术2、施工监监控量测测方案的的制定量测方案案应根据据隧道地地质地形形条件、、支护类类型和参参数、施施工方法法和其他他有关条条件制定定。其具具体内容容包括：：⑴监控量量测项目目、方法法及监控控量测断断面选定定：断面面内测点点的数量量、位置置、量测测频率、、量测仪仪器和元元件的选选定及精精度、埋埋设时间间等。⑵传感器器埋设设设计：埋埋设方法法、步骤骤、各部部分尺寸寸、工艺艺选定及及工程进进度衔接接等。⑶固定测测试元件件的结构构设计。。⑷量测数数据记录录表格式式，表达达量测结结果的格格式，量量测数据据精度确确认的方方法。隧道施工工监控量量测技术术⑸量测断断面布置置图和文文字说明明。⑹量测数数据处理理方法，，利用量量测反馈馈信息修修正设计计和施工工方法。。⑺量测数数据大致致范围，，作为判判断异常常依据。。⑻用初期期量测值值预测最最终值，，综合判判断隧道道最终稳稳定的标标准。⑼施工管管理方法法，出现现异常情情况的对对策。隧道施工工监控量量测技术术五、隧道道施工量量测项目目与方法法1、隧道施施工量测测项目包括必测测项目和和选测项项目，应应根据隧隧道工程程地质条条件、围围岩类别别、围岩岩应力分分布情况况、隧道道跨度、、埋深、、工程性性质、支支护类型型等因素素确定。。监控量测必测项目序号监控量测项目常用量测仪器备注1洞内、外观察现场观察、数码相机、罗盘仪2拱顶下沉水准仪、铟钢尺或全站仪3净空裱花收敛计、全站仪4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪隧道浅埋段5拱脚下沉水准仪或全站仪不良地质和特殊岩土隧道浅埋段6拱脚位移水准仪或全站仪不良地质和特殊岩土隧道浅埋段监控量测测选测项项目序号监控量测项目常用量测仪器1围岩压力压力盒2钢架内力钢筋计、应变计3喷混凝土内力混凝土应变计4二次衬砌内力混凝土应变计、钢筋计5初期支护与二次衬砌间接接触压力压力盒6锚杆轴力钢筋计7围岩内部位移多点位移计8隧底隆起水准仪、铟钢尺或全站仪9爆破振动震动传感器、记录仪10孔隙水压力水压计11水量三角堰、流量计12纵向位移多点位移计、全站仪隧道施工工监控量量测技术术2、隧道施施工量测测内容及及方法洞洞内外观观察（必必测项目目）⑴目测观观察的目目的①预测开开挖面前前方的地地质条件件。②为判断断围岩的的稳定性性提供地地质依据据。③根据喷喷层表面面状态及及锚杆的的工作状状态，分分析支护护结构的的可靠程程度。隧道施工工监控量量测技术术•⑵隧道目目测观察察内容：：•①开挖工工作面观观察应在在每次开开挖后进进行。主主要观察察掌子面面地质水水文条件件、岩性性、结构构面产状状、有无无断层，，是否偏偏压、围围岩类别别，掌子子面自稳稳情况，，地下水水的影响响情况等等。观察察中发现现围岩条条件恶化化时，应应立即采采取相应应处理措措施；及及时绘制制开挖工工作面地地质素描描图，填填写开挖挖工作面面地质状状况记录录表和施施工阶段段围岩级级别判定定卡，并并与勘察察资料进进行对比比。•已施工地地段观察察每天至至少应进进行一次次，记录录喷射混混凝土是是否发生生裂隙和和剥离现现象、锚锚杆的受受力变形形情况、、钢架是是否受压压变形和和二次衬衬砌的工工作状态态等。•②洞外观观察重点点应在洞洞口段和和洞身浅浅埋段，，记录地地表开裂裂、变形形、边坡坡及仰坡坡稳定状状态、地地表水渗渗漏情况况等，同同时还应应对地面面建(构)筑物进行行观察。。隧道施工工监控量量测技术术周边位移移量测⑴周边位位移量测测目的收收敛量测测是隧道道施工监监控量测测的重要要项目。。周边位位移是隧隧道围岩岩应力状状态变化化最直观观的反映映，通过过周边位位移量测测可以达达到以下下目的：：①判断隧隧道空间间的稳定定性；②根据变变位速度度判断围围岩稳定定程度和和二次衬衬砌施作作的合理理时机；；③指导现场的的施工。隧道施工监控控量测技术⑵周边位移量量测方法及要要求收敛量测的主主要内容包括括仪器选择、、断面间距、、量测频率、、测线布置、、量测点埋设设时间等。①收敛量测的的间距与测点点数量必测项目量测测断面间距和和每断面测点点数量围岩类类别注:1、Ⅱ级围岩视具体体情况确定间间距。2、不良地质和和特殊岩土地地段应取小值值。围岩类别断面间距（m）V～VI5～10IV10～30III30～50②量测频率：：量测频率可可根据位移速速度和量测断断面距开挖面面距离确定：：由位移速度决决定的监控量量测频率和由由距开挖面的的距离决定的的监控量测频频率之中，原原则上采用较较高的频率值值。出现异常常情况或不良良地质时，应应增大监控量量测频率。按距开挖面距距离确定的监监控量测频率率按位移速度确确定的监控量量测频率位移速度（mm/d）监控量测频率≥52次/d1～５1次/d0.5～11次（2d～3d）0.2～0.51次/（3d）＜0.21次/（7d）监控量测断面距开挖面距离（m）监控量测频率（0～1）B2次/d（1～2）B1次/d（2～5）B1次（2d～3d）＞5B1次/（7d）注：B为隧道开挖宽度。③量测仪器数据采集采用用全站仪自由由设站的方式式进行测量，，在能看到测测点的地方自自由架设全站站仪，对中整整平，量测收收敛水平线两两端点的相对对坐标为（Xa、Ya、Za）和（Xb、Yb、Zb）。采采用测点点的三维坐标标，通过两点点间计算公式式计算出收敛敛侧线的长度度，前后两次次收敛侧线长长度之差就是是本次收敛变变形，本次收收敛侧线长度度与初始收敛敛侧线长度之之差即为累计计收敛变形，，即：隧道施工监控控量测技术拱顶下沉量测测⑴拱顶下沉量量测目的确认围岩的稳稳定性，判断断支护效果，，指导施工工工序，预防拱拱顶崩塌，保保证施工质量量和安全。⑵拱顶下沉量量测仪器精密水准仪或或全站仪（3）拱顶下沉沉量测原理量测点埋设完完毕后，采用用全站仪自由由设站的方式式进行测量，，每次测量时时，将全站仪仪架设于后视视点与量测断断面的中间位位置，对中整整平，后视基基点1，（基点高程程H1已知，随着隧隧道向前开挖挖，基点一直直向前变化）），得到相对对高程Z1，再前视量测测断面拱顶反反射片，得到到相对高程Z0，则量测断面面拱顶反射片片中心的高程程：H=H1+Z0-Z1采用相对高程程法计算测点点高程，测点点前后两次相相对高程之差差就是本次沉沉降值，本次次相对高程与与初始相对高高程之差即为为累计沉降值值。即：△H=Hi-Hi-1式中：Hi——第i次相对高程Hi-1——第i-1次测得相对高高程△H——第i次测得沉降值值地表下沉量测测目的：⑴浅埋埋段预测地表表坡面的稳定定。⑵根据地表建建筑物，控制制最大下沉量量。设点：地表沉沉降测点横向向间距为2～5m。每个断面设设7～11个点，监测范范围应在隧道道开挖影响范范围以内。在在隧道中线附附近测点应适适当加密，隧隧道中线两侧侧量测范围不不应小于Ho+B（Ho为隧道埋深，，B为隧道开挖宽宽度），地表表有控制性建建(构)筑物时，量测测范围应适当当加宽。•测点采用φ22螺纹钢，深入入坡体60～80cm，外露5cm，表面磨平后后在表面打眼眼作标记。•地表下沉量测测应在开挖工工作面前方，，隧道埋深及及隧道开挖高高度之和处开开始，直到二二次衬砌结构构封闭、下沉沉基本停止时时为止。地表下沉量测测频率应与拱拱顶下沉和净净空变化的量量测频率相同同。净空变化量测测测线数图1洞顶地表下沉沉测点布置图图图2-1全断面开挖隧隧道拱顶沉降降及周边收敛敛测点布置图图图2-2上下台阶法开开挖拱顶沉降降及周边收敛敛测点布置图图六、隧道施工工量测数据处处理及应用1、隧道施工监监控量测数据据处理由于现场量测测所得的原始始数据，不可可避免具有一一定的离散性性，其中包含含着测量误差差甚至测试错错误。不经过过整理和数学学处理的量测测数据一时难难以直接利用用。⑴数学处理的的目的①将同一量测测断面的各种种量测数据进进行分析对比比、相互印证证，以确认量量测结果的可可靠性；②探求围岩变变形或支护系系统的受力随随时间变化规规律、空间分分布规律，判判定围岩和支支护系统稳定定状态。⑵量测数据处处理的内容（（可用Excel软件编制程序序进行）①绘制位移、、应变随时间间变化的曲线线－时态曲线线；②绘制位移速速率、应力速速率、应变速速率随时间变变化的曲线；；量测数据整理理、分析与反反馈应符合合下列要求：：•1.每次量测后应应及时进行数数据整理，并并绘制量测数数据时态曲线线和距开挖面面关系图。•2.对初期的时态态曲线应进行行回归分析，，预测可能出出现的最大值值和变化速度度。•3.数据异常时，，应根据具体体情况及时采采取加厚喷层层、加密或加加长锚杆、增增加钢架等加加固措施。并并按公司有关关规定程序报报告。由于量测误差差所造成的离离散性，按实实测数据所绘绘制的位移等等物理量随时时间或空间变变化的散点图图上下波动，，很不规则，，难以用来分分析。因此，，需要采用数数学处理的方方法，将实测测数据整理成成试验曲线或或经验公式。。回回归分析是目目前量测数据据处理的主要要方法，通过过对量测数据据回归分析可可以预测最终终值和各阶段段的变化速率率。回归分析析使用的函数数如下：对数函数U=Alg[(B+t)/(B+t0)]指数函数U=Ae−−B/t双曲函数U=t/(A+Bt)式中：U－－变形值（（或应力值））；A,B－－回归系数数；t,t0－－测点的观观测时间（d）。2、隧道施工监监控量测数据据的应用从维护围岩稳稳定性和支护护系统的可靠靠性出发，现现场测试人员员关心围岩变变形量的大小小，是否侵入入隧道设计断断面的限界，，是否对施工工人员的安全全构成威胁。。以便及时调调整设计参数数和进行施工工决策。⑴初期支护阶阶段围岩稳定定性的判断和和施工管理①根据最大位位移值进行施施工管理a.当量测位移U小于Uo/3，表明围岩稳稳定，可以正正常施工。b.当量测位移U大于Uo/3并小于2Uo/3时，表明围岩岩变形偏大，，应密切注意意围岩动向。。可采取一定定的加强措施施，如加密、、加长锚杆等等措施。（U-位移实测值；；Uo-极限相对位移移值。）c.当量测位移U大于2Uo/3时，表明围岩岩变形很大，，应先停止掘掘进，并采取取特殊的加固固措施，如超超前支护、注注浆加固等。。d.实测最大位移移值或预测最最大位移值不不大于2Uo/3时，可认为初初期支护达到到基本稳定。。②根据位移速速率进行施工工管理a.净空变化速度度持续大于5.0mm/d时，表明围岩岩处于急剧变变形状态，应应加强初期支支护系统。b.当位移速度在在1～0.2mm/d之间时，表明明围岩处于缓缓慢变形阶段段。c.当位移速度小小于0.2mm/d时，拱顶下沉沉速度小于0.15mm/d时，表明围岩岩已达到基本本稳定。在浅埋地段以以及膨胀性和和挤压性围岩岩等情况下，，应采用其他他指标判别。。③根据位移时时态曲线进行行施工管理每每次量测后应应及时整理数数据，绘制时时态曲线。a.当位移速率很很快变小，时时态曲线很快快平缓，表明明围岩稳定性性好，可适当当减弱支护。。b.当位移速率逐逐渐变小，即即d2u/dt2＜0，时态曲线趋趋于平缓，表表明围岩变形形趋于稳定，，可正常施工工。c.当位移速率不不变，即d2u/dt2=0，时态曲线线直线上升升，表明围围岩变形急急剧增长，，无稳定趋趋势，应及及时加强支支护，必要要时暂停掘掘进。d.当位移速率率逐步增大大，即d2u/dt2＞0，时态曲线线出现反弯弯点，表明明围岩已处处