修订金钟1号、2号隧道监控量测方案1

沈海复线仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金钟1号、2号隧道监控量测方案中南大学土木工程检测中心二○一一年六月目录1隧道施工监控的必要性 22方案编制依据 43工作项目与数量 44量测项目、仪器方法、测点布置与量测频率 104．1掌子面地质观察 114．2周边收敛位移量测 134．3拱顶下沉量测 164．4地表下沉量测 174．5后行洞爆破震动速度 195隧道监测数据分析及处理 226组织与管理 241隧道施工监控的必要性由于岩石在生成条件和地质作用等方面的复杂性，并且在隧道的构筑过程中，开挖方式、支护方式、支护时机、支护结构刚度等因素对结构的稳定性都有影响，所以寻求能够正确反映岩体状态的物理力学模型是非常困难的。因此，监控量测是观测设计和施工是否正确的眼睛，是判断围岩是否稳定，支护结构是否合理的重要手段。多年来，国内外一直通过地下工程围岩的监控量测来监视围岩变形和支护的稳定性，并已取得了重要的理论研究成果。但由于隧道工程受力特征极其复杂，加之对指导施工的作用和意义认识不足和具体施工方法、施工程序及管理方面的非科学化，致使隧道变形过大而酿成事故的事件不断发生。通过隧道施工变形的监测及其分析研究，掌控围岩变形动态，优化设计以改善支护稳定状况，为以后的设计提供类比依据，并为进一步深化理论研究提供原始依据，具有不可忽视的作用和意义。国际隧协（ITA）（1988）对隧道设计准则进行了调研，提出现场监测应为隧道设计整体的一部分。监控量测的主要目的是：（1）控制隧道变形和稳定；（2）检验选择的施工方法是否适当；（3）控制地表沉陷；（4）量测结构构件中的应力发展；（5）掌握隧道围岩变形情况，并指出是否需要对围岩和支护进行加固。监测工作具有以下作用：（1）保证隧道围岩的稳定，确保施工安全，因此需要掌握围岩和支护结构的动态，按照动态的管理量测断面的信息，正确而经济地施工；（2）量测数据经过分析处理与必要的计算和判断，预测和确定隧道最终稳定时间，指导施工工序和施作二次衬砌的时间；（3）信息反馈修正设计。根据隧道开挖后围岩稳定性的施工信息，进行综合分析，检验和修正施工前的预设计；（4）积累资料，己有工程中的量测结果可以应用到其他类似工程中，作为设计和施工的依据。同时，隧道是地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，存在许多潜在、无法预知的地质因素，稍有不慎，就会造成塌方、沉陷、突泥涌水、支护结构变形、人员和设备伤亡等，进而严重影响施工进度和工程形象。因此必须对开挖掌子面前方围岩进行超前地质预报，提早掌握隧道开挖掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等信息，从而为施工阶段修正设计、施工支护材料的提早准备、防止可能的工程险情、确保合理的施工措施，进而加快工程进度，降低工程风险，促使施工技术更趋科学合理。因此，有必要做好隧道的施工监控量测工作。2方案编制依据沈海复线仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金钟1号隧道监控量测主要根据如下有关规范、文献进行编制：《公路工程技术标准》JTGBO1－2003；《公路勘测规范》JTJ061－99；《公路隧道设计规范》JTGD70－2004；《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1－1999；《公路隧道施工技术规范》JTJ042－94；《公路工程抗震设计规范》JTJ004－89；《公路工程地质勘察规范》JTJ064－98；《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086－2001；《地下工程防水技术规范》GB50108－2001；《混凝土结构设计规范》GB50010－2002；《工程测量规范》GB50026－2007；吕康成，隧道工程试验检测技术，人民交通出版社，2000；李晓红著，隧道新奥法及其量测技术，2002，科学出版社；隧道工程地质勘察报告、补充勘察报告与隧道施工设计图。3工作项目与数量沈海复线仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金钟1号隧道右洞里程YK71+670~YK73+740，长2070m，左洞里程YK71+637~YK73+770，长2133m；金钟2号隧道右洞里程YK73+815~YK76+563，长2748m，左洞里程YK73+841~YK76+533，长2692m，总长度为表1金钟1号隧道右洞基本情况一览表里程范围围岩级别分段长度（m）YK71+670YK71+761Ⅴ级91YK71+761YK71+787Ⅳ级26YK71+787YK71+807Ⅲ级20YK71+807YK71+842Ⅱ级35YK71+842YK71+852Ⅲ级10YK71+852YK71+868Ⅳ级16YK71+868YK71+879Ⅲ级11YK71+879YK71+901Ⅳ级22YK71+901YK71+911Ⅲ级10YK71+911YK72+457Ⅱ级546YK72+457YK72+487Ⅲ级30YK72+487YK72+695Ⅱ级208YK72+695YK72+715Ⅲ级20YK72+715YK72+772Ⅳ级57YK72+772YK72+792Ⅲ级20YK72+792YK73+237Ⅱ级445YK73+237YK73+247Ⅲ级10YK73+247YK73+267Ⅳ级20YK73+267YK73+281Ⅴ级14YK73+281YK73+291Ⅳ级10YK73+291YK73+302Ⅲ级11YK73+302YK73+315Ⅳ级13YK73+315YK73+323Ⅲ级8YK73+323YK73+336Ⅳ级13YK73+336YK73+346Ⅲ级10YK73+346YK73+433Ⅱ级87YK73+433YK73+453Ⅲ级20YK73+453YK73+463Ⅳ级10YK73+463YK73+473Ⅴ级10YK73+473YK73+481Ⅳ级8YK73+481YK73+488Ⅴ级7YK73+488YK73+500Ⅳ级12YK73+500YK73+520Ⅲ级20YK73+520YK73+710Ⅱ级190YK73+710YK73+730Ⅲ级20YK73+730YK73+740Ⅳ级10表2金钟1号隧道左洞基本情况一览表里程范围围岩级别分段长度（m）YK71+637YK71+749Ⅴ级112YK71+749YK71+775Ⅳ级26YK71+775YK71+795Ⅲ级20YK71+795YK71+833Ⅱ级38YK71+833YK71+843Ⅲ级10YK71+843YK71+883Ⅳ级40YK71+883YK71+893Ⅲ级10YK71+893YK72+465Ⅱ级572YK72+465YK72+495Ⅲ级30YK72+495YK72+729Ⅱ级234YK72+729YK72+749Ⅲ级20YK72+749YK72+768Ⅳ级19YK72+768YK72+788Ⅲ级20YK72+788YK73+235Ⅱ级447YK73+235YK73+245Ⅲ级10YK73+245YK73+265Ⅳ级20YK73+265YK73+280Ⅴ级15YK73+280YK73+299Ⅲ级19YK73+299YK73+313Ⅳ级14YK73+313YK73+319Ⅲ级6YK73+319YK73+335Ⅳ级16YK73+335YK73+345Ⅲ级10YK73+345YK73+432Ⅱ级87YK73+432YK73+452Ⅲ级20YK73+452YK73+462Ⅳ级10YK73+462YK73+473Ⅴ级11YK73+473YK73+480Ⅳ级7YK73+480YK73+489Ⅴ级9YK73+489YK73+500Ⅳ级11YK73+500YK73+520Ⅲ级20YK73+520YK73+738Ⅱ级218YK73+738YK73+758Ⅲ级20YK73+758YK73+770Ⅳ级12表3金钟2号隧道右洞基本情况一览表里程范围分段长度（m）YK73+815YK73+83015YK73+830YK73+87040YK73+870YK73+89020YK73+890YK74+191301YK74+191YK74+25968YK74+259YK74+28021YK74+280YK74+29616YK74+296YK74+31519YK74+315YK74+34530YK74+345YK74+36520YK74+365YK74+835470YK74+835YK74+90065YK74+900YK74+94040YK74+940YK74+97636YK74+976YK74+99822YK74+998YK75+102104YK75+102YK75+14442YK75+144YK75+342198YK75+342YK75+36321YK75+363YK75+516153YK75+516YK75+53620YK75+536YK75+60165YK75+601YK75+63029YK75+630YK75+66535YK75+665YK75+782117YK75+782YK75+80523YK75+805YK76+296491YK76+296YK76+435139YK76+435YK76+44813YK76+448YK76+47527YK76+475YK76+53055YK76+530YK76+56333表4金钟2号隧道左洞基本情况一览表里程范围分段长度（m）YK73+841YK73+85615YK73+856YK73+87620YK73+876YK73+89620YK73+896YK74+171275YK74+171YK74+22857YK74+228YK74+23810YK74+238YK74+25517YK74+255YK74+27621YK74+276YK74+30832YK74+308YK74+32820YK74+328YK74+845517YK74+845YK74+92378YK74+923YK74+94421YK74+944YK74+98541YK74+985YK75+621YK75+6YK75+9892YK75+98YK75+14143YK75+141YK75+352211YK75+352YK75+37321YK75+373YK75+520147YK75+520YK75+55131YK75+551YK75+62069YK75+620YK75+63818YK75+638YK75+66830YK75+668YK75+800132YK75+800YK75+82020YK75+820YK76+288468YK76+288YK76+395107YK76+395YK76+40813YK76+408YK76+43527YK76+435YK76+48045YK76+480YK76+53353根据有关勘察设计资料，隧道监控量测项目与数量初步布置如表5~表7所示。表5金钟1号隧道围岩情况统计表隧道名称围岩级别围岩长度（m）金钟1号隧道右洞Ⅴ级122Ⅳ级217Ⅲ级220Ⅱ级1511左洞Ⅴ级147Ⅳ级175Ⅲ级215Ⅱ级1596表6金钟2号隧道围岩情况统计表隧道名称围岩级别围岩长度金钟2号隧道右洞Ⅴ级67Ⅳ级333Ⅲ级969Ⅱ级1379左洞Ⅴ级73Ⅳ级275Ⅲ级952Ⅱ级1392表7金钟1号、2号隧道监控量测项目工作量统计表工作内容单位金钟1号隧道右洞金钟1号隧道左洞金钟2号隧道右洞金钟2号隧道左洞掌子面地质观察断面1563126015871523周边收敛位移量测断面64688179拱顶下沉量测断面64688179地表下沉量测断面20251712断面14112120注：1．对于地质条件特殊的地段，适当对工作量进行调整；2．待开挖后发现地质情况异常，应相应增减表中工作量。4量测项目、仪器方法、测点布置与量测频率表8为量测项目、仪器方法、测点布置与量测频率简表。表8监控量测项目及方法表注：B表示开挖宽度。4．1掌子面地质观察观测中，应对岩质种类和分布状况、分界面位置和状态、节理裂隙发育程度和方向性、节理裂隙的填充物的性质和状态进行一定的描述，对开挖工作面的稳定状态作出初步的判断，对涌水、涌水量的大小、位置和压力等项目进行仔细的观察，如果发现异常现象，要详细纪录发现时间、距开挖工作面的距离以及附近测点的各项量测数据，并及时汇报给负责技术的人员、项目负责人，必要时会同设计人员对出现的情况进行分析处理。观察目的①预测开挖面前方的地质条件。②为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据。观察内容岩石种类和产状岩性特征：岩石的颜色、成分、结构、构造地层时代及产状节理性质、组数、间距、规模，节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等；断层的性质、产状、破碎带宽度、特征地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象围岩类型观察频率每次隧道开挖工作面爆破后立即观察，按要求及时记录和整理。观测断面布置按照相关规范及技术要求，洞内外观测在每次隧道开挖工作面爆破后立即进行。相关资料及实际施工经验，对Ⅴ级围岩每隔0.5m布置一个观测断面；Ⅳ级围岩每隔0.8m布置一个观测断面；Ⅲ级围岩每隔2.0m布置一个观测断面；Ⅱ级围岩每隔2.5m布置一个观测断面。所有项目的观察应做到及时，对观察结果的描述和记录应详细，必要时还应进行拍照。具体实施时可以填写如下隧道掌子面地质状况素描记录卡（表9）。表9隧道掌子面地质状况素描记录卡隧道名称里程位置距洞口距离（m）埋深（m）施工情况围岩状态描述岩石坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩风化程度未风化微风化弱风化强风化全风化地质构造影响程度轻微较重严重很严重地质结构面岩体完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎间距（m）>1.00.4～1.00.2～0.40.06～0.2<0.06张开性（mm）密闭<0.1微张0.1～0.5张开0.5～1.0无充填张开>1.0黏土充填粗糙度明显台阶状粗糙波纹状平整光滑平整光滑有擦痕地下水渗水量[L/（min.10m）]干燥<10湿润10～25偶有渗水25～125经常渗水简要说明围岩类别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ备注掌子面素描观测日期编录日期4．2周边收敛位移量测量测目的①周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。②根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度以便为二次衬砌提供合理的支护时机。③指导现场设计与施工。量测仪器洞周收敛用SL-2型钢尺式收敛计量测。埋设测点时，先在测点处用电锤钻出孔径为10mm，深为35mm的孔。然后埋入一头带膨胀螺丝的挂钩，拧紧挂钩后即可量测断面布置根据围岩类别、隧道埋深、开挖方法及实际施工经验，对Ⅴ级围岩每隔8m布置一个观测断面；Ⅳ级围岩每隔20m布置一个观测断面；Ⅲ级围岩每隔40m布置一个观测断面；Ⅱ级围岩每隔50m布置一个观测断面。测点布置与要求围岩周边收敛可采用收敛仪进行量测。在预设点的断面，隧道开挖爆破以后,沿隧道周边有代表性部位分别埋设测桩。测桩的埋设方法和拱顶下沉测桩的埋设方法相同。围岩周边收敛与拱顶下沉布置在同一断面上，以便进行数据分析。隧道拱顶下沉和围岩周边收敛断面测点布置如图1、图2、图3、图4。图1全断面法施工周边位移、拱顶下沉量测测线布置图图2台阶法施工周边位移、拱顶下沉量测测线布置图图3CD或CRD法施工周边位移、拱顶下沉量测测线布置图图4双侧壁导坑法施工周边位移、拱顶下沉量测测线布置图在特殊地段，根据具体情况，可另增设测线。量测资料记录与整理及应用量测原始记录应呈表格形式，注明断面编号、测点设置时间，量测内容并填写具体量测数值，以便记录施工情况，另外还应有量测人员与记录人员的签名。每次量测后，将原始记录及时整理成正式记录，对每一测量断面内的每条测线进行整理计算，整理后的量测资料包括：①原始记录及实际测点布置图②位移随时间以及距离开挖面间距的变化图③位移速度、位移加速度随时间以及距离开挖面间距的变化图这四条曲线，不一定每条测线都要绘制，一般情况下有第一条即可。当位移—时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，推算最终位移和掌握位移变化曲线，可选用对数、指数和双曲线函数等。根据这些函数关系可判断位移趋势值。区别位移与时间的正常与反常曲线。其中反常曲线是指非工序变化所引起的位移急剧增长现象，此时应加密监测，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。在上述图表中应同时记入开挖、喷混凝土、锚杆施工工序和时间，并将位移警戒线和极限值算出来。4．3拱顶下沉量测量测目的①拱顶下沉是是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测拱顶下沉可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。②根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度以便为二次衬砌提供合理的支护时机。③指导现场设计与施工。量测方法在拱顶布设固定测点，将钢尺挂在拱顶测点上，读钢尺读数，后视点设在稳定衬砌或者稳定的基准点上，读标尺读数，用水准仪进行观测。量测断面布置拱顶下沉量测断面的布置与周边位移量测的布置一致，对Ⅴ级围岩每隔8m布置一个观测断面；Ⅳ级围岩每隔20m布置一个观测断面；Ⅲ级围岩每隔40m布置一个观测断面；Ⅱ级围岩每隔50m布置一个观测断面。测点埋设隧道开挖施作初期支护后，在隧道的拱顶设置带挂钩的预埋件作为测桩，埋设前先用小型钻机在待测部位成孔，然后将测桩放入，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。对于较差的围岩，锚桩可在锚喷支护后布置。量测仪器顶下沉量测采用精密水准仪(精度0.1mm)、钢圈尺及精密因瓦水准尺进行量测。在量测频率拱顶下沉的量测频率，与周边位移量测的量测频率一致。选用表7与表4的量测频率，从两表中选择较高的一个量测频率。量测资料记录与整理及应用量测原始记录应呈表格形式，注明断面编号、测点设置时间，量测内容并填写具体量测数值，以便记录施工情况，另外还应有量测人员与记录人员的签名。每次量测后，将原始记录及时整理成正式记录，对每一测量断面内的每条测线，整理后的量测资料包括：①原始记录及实际测点布置图②位移随时间以及距离开挖面间距的变化图③位移速度、位移加速度随时间以及距离开挖面间距的变化图这四条曲线，不一定每条测线都要绘制，一般情况下有第一条即可。当位移—时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，推算最终位移和掌握位移变化曲线，可选用对数、指数和双曲线函数等。根据这些函数关系可判断位移趋势值。区别位移与时间的正常与反常曲线。其中反常曲线是指非工序变化所引起的位移急剧增长现象，此时应加密监测，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。在上述图表中应同时记入开挖、喷混凝土、锚杆施工工序和时间，并将位移警戒线和极限值算出来。4．4地表下沉量测量测目的①了解地表下沉的范围以及下沉量的大小。②地表下沉量随工作面推进的变化规律。③地表下沉稳定的时间。量测方法及测点布置量测方法用全站仪量测，其量测精度为±1mm。从水准点起测量测点得高程，通过计算前、后两次地表沉降观测点高程得变化值即可算得地表沉降值。（b）测点布置根据设计要求，地表沉降量测布置原则为：当2B<H<2.5B时，纵向测点间距为20~50米；当B<H≤2B时，纵向测点间距为10~20米；当H≤B时，纵向测点间距为地表下沉测点布置见图4和图5。图4隧道地表下沉量测断面布置图图5隧道小净距段地表下沉量测断面布置图（c）测点埋设方法在地表钻20~50cm深的孔，竖直放入22mm左右的钢筋，钢筋和孔壁之间可填充水泥砂浆，钢筋头露出地面量测频率：地表下沉量测在量测区间内，当开挖面距离前后距离d<2D时，每天1~2次，2D<d<5D时，每两日量测一次，当d>5D时，当时，每周量测一次。4．5后行洞爆破震动速度（1）量测目的（a）通过对施工现场正常爆破作业时，测量爆破冲击震动时不同距离处的震动速度；（b）分析开挖爆破对浅埋段地表震动的危害程度及其安全控制问题。（c）监测后行洞爆破对隧道衬砌结构破坏、连拱中墙稳定以及临近隧道爆破荷载动力作用影响及控制爆破震害。（2）测振系统爆破震动监测系统采用的震动测量仪器是由国家地震局工程力学研究所生产的891型测振仪，该测振仪主要用于测量地面、结构物的脉动或工程震动。每套测振仪包括891型拾振器9台，891型六线放大器1台。该拾振器设有小速度、中速度、大速度和加速度4档。放大器具有放大、积分、滤波和阻抗变换的功能。可根据需要，选取拾振器上微型开关及放大器上参数选择开关选择响应的档位，即可获取被测点的加速度、速度及位移参量。拾振器加速度的最大量程可达20m/s2，与891型放大器配接后的分辨率1×10-5，完全可以测到爆破对房屋的震动影响。采集分析系统采用的是由北京东方震动和噪声技术研究所研制的DASP软件，该软件是一套完善的信号示波、实时频谱分析软件，各种采样参数和分析参数可调，集成了最常用动态分析的测试和分析手段，其结果可以通过多种方式输出，系统见图6、图7所示。拾振器拾振器放大器数据采集仪计算机图6震动测试系统框图图7现场震动测试系统（3）测点布置为了分析震动场分布，了解震动随距离的衰减情况，监测距离施工爆破点周边范围的地面震动三向速度、地面震动响应频率，参考爆破施工路段现场踏勘及地勘报告分析，采用沿爆破地点由近及远辐射布置测点，每个测点布置的三个速度传感器，分别为垂直地面方向（垂向）、水平径向（其长轴指向爆破源）、水平切向（垂直于径向），所有测点处于同一高程位置。每个观测点同时进行垂直和两个水平方向的观测。隧道爆破震动速度测点布置如图8。图8爆破震动速度测点布置图（4）监控工作流程（a）按委托单位批准的监测方案组织人员、设备进场，组成现场监测项目办公室；（b）每轮施工爆破前收集该轮爆破的装药参数、地质情况，由施工单位填好施工参数表格，送监测单位现场办公室，并明确爆破时间；（c）监测单位根据施工参数选择监测仪器参数，于爆破前40min进入测点现场，布设好监测网络，爆破前20min监测一次环境振动，爆破期间应全程记录该轮爆破的时程曲线；（d）上传现场实测记录，原始数据转存，利用专用分析软件取得该次爆破各测点不同段别的振动峰值时刻t，最大峰值振动强度（V或X），主振频率f、最大合振动强度（V或X）；（e）将施工参数、测点参数、仪器参数、数据处理结果集中填写爆破振动测试记录表，并对以下要素予以明确：①该轮爆破引起的振动是否超过监测点设施的防振要求；②施工参数与测试结果的相关性；（5）监测成果（a）、各阶段监测结果与分析报告。（b）、将每次监测结果提交给委托方，并明确振动强度是否超过监测点设施的防振要求，对后期施工参数提出建议。（c）、爆破振动监测总结报告。总结整个监测结果，并得出结论性评价。5隧道监测数据分析及处理为了真实、及时、准确的反映施工现场信息，监测数据需历经以下过程：①测点埋设→②数据采集→③数据收集→④数据输入→⑤绘制曲线→⑥输入计算机→⑦生成图表→⑧信息反馈。监控量测的信息反馈可按照图7规定的程序进行。施工过程中应进行监测数据的实时分析和阶段分析。实时分析即每天根据监测书籍及时分析，阶段分析应按周、月进行，总结监测数据变化的规律，对施工情况进行评价，提交阶段分析报告，指导后续施工。监测数据的分析及处理的要求如下：（1）应及时对现场量测数据绘制时态曲线（或散点图）和空间关系曲线。（2）当位移－时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。根据现场量测的位移－时间曲线进行如下判断：图6位移—时间曲线图当时，说明变形速率不断下降，位移趋于稳定；当时，说明变形速率保持不变，应发出警告，及时加强支护系统；当时，则表示已进入危险状态，须立即停工，