隧道施工监控量测技术1

一、乌鞘岭隧道岭脊段概况和设计思想二、监控量测的目的和内容三、监控量测方法与结果四、量测数据的处理与应用

主要内容一、乌鞘岭隧道概况和设计思想

乌鞘岭隧道是兰新铁路兰州至武威段增建二线工程，两座单线隧道，埋深400～1100m，线间距40m，隧道长20.05km。岭脊区段隧道穿越F4、F5、F6、F7四条7587m范围分布的区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”，岩性主要为志留系板岩夹千枚岩、千枚岩和压性断层破碎的泥砾及碎裂岩。围岩强度应力比仅为0.031～0.040。高地应力软岩区段施工挤压大变形显著，变形控制困难，计划工期2.5年，时间紧,显示出显著的乌鞘岭特色。

乌鞘岭高地应力软岩区段隧道设计思想控制挤压性围岩大变形的设计理念有刚性和柔性法。刚性设计法仅在小埋深、低地应力的软岩技术上可行、经济上合理。而柔性设计的先行导坑法、多重支护法、可缩式支护法和分阶段综合控制法其基本理念是相同的，都是容许围岩变形，释放地应力，减低支护压力，同时又能约束围岩松弛和过分变形，保持隧道稳定的目的。但在技术手段上又有各自差异，从经济、工期上具有较大差距，例如先行导坑应力释放法虽然扩挖隧道施工经济，但导坑本身施工仍然困难，增加支护工程量大；可缩式支护结构工艺复杂，技术要求高，施工工期较长。针对乌鞘岭隧道高地应力软岩区段实际情况，采用柔性结构设计理念分阶段综合控制法。即首先选择合理的断面形状，留足预留变形量，短锚管超前支护，中等长等系统锚杆和少量补强锚杆围岩加固，多重支护，适当提高衬砌刚度和提前施作衬砌。F7断层区段：正洞隧道为圆形断面形式，加强第一次支护刚度的多重支护，较大刚度的钢筋混凝土衬砌。岭脊高地应力软岩区段：采用椭圆形断面，一次支护25cm，预留变形量25~35cm等作为多重支护，大刚度钢筋混凝土衬砌。(一)量测目的二、监控量测的目的和内容1.提供监控设计的依据和信息掌握围岩力学形态的变化和规律；掌握支护结构的工作状态。2.指导施工，预报险情作出工程预报，确定施工对策；监视险情，确保施工安全。3.校核理论，完善工程方法4.为隧道工程设计与施工积累资料(二)监测项目与内容1.地质和支护状态现场观察；2.岩体(岩石)力学参数测试；3.围岩与结构应力应变测试；4.围岩压力测试；5.围岩性能物理探测；6.围岩和结构位移测试；7.爆破振动测试等。规范规定的监控量测项目及量测方法三、量测方法与结果(一)地质素描

结合隧道施工、同步进行洞内围岩地质工作：它是隧道设计和施工过程中不可缺少的一项重要地质工作，是围岩工程地质特性和支护措施的合理性的最直观、最简单、最经济的描述和评价。

1.岩性；2.结构构造特征；3.岩体风化程度；4.地下水的特征、涌水量化数值；5.施工情况；6.不良地质特征；7.支护情况等。地质素描的内容(二)位移监测

隧道开挖后，深埋隧道位移、浅埋地表位移和隧道位移是围岩施工动态的最显著表现，最能反映出围岩和支护的稳定性。因此对坑道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的量测项目。1.浅埋隧道的地表位移；2.拱顶下沉；3.相对收敛变形；4.隧底隆起变形；5.围岩内部变形；6.围岩三维变形等。位移监测内容：位移－时间关系曲线0初期支护二次支护下台阶开挖位移时间位移-开挖面距离关系曲线位移距离上、下台阶开挖锚杆喷混凝土位移监测结果：乌鞘岭隧道大变形规律F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布YDK170+250+500+750YDK171+000F4断层+290+440+640+740主带影响带影响带里程YDK174+500YDK175+000+500+900变形/mm斜井开口YDK175+330板岩占50%~80%千枚岩占60%~85%兰州方向武威方向里程志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布乌鞘岭隧道大变形规律

F7断层YDK176+800+200+400+600+800YDK177+000变形/mm影响带主带影响带里程F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布乌鞘岭隧道大变形规律乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计

乌鞘岭隧道龄脊段分区段变形量测技术指标统计表大变形规律最大变形速率与累计变形的关系

在隧道工程监控量测中，除累计变形外，变形速率是另外一个进行围岩稳定性评价的重要判别指标。研究最大变形速率与累计变形的关系也是在施工初期阶段进行最终变形预测的方法之一。最大变形速率与累计变形的关系最大变形速率/mm预留变形量(mm)包括：1.锚杆轴力监测；2.钢架应力监测；3.支护应力监测；4.二衬混凝土应力监测(三)应力监测

系统锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。锚杆长短影响施工效率、也影响围岩加固效果。故应通过锚杆监测验证锚杆设计长度。1.锚杆轴力

锚杆轴力量测的布置围岩内部位移测孔布置(a)三测孔(b)五测孔(c)七测孔锚杆轴力测试结果锚杆拉力峰值位置分布锚杆拉力峰值位置分布锚杆轴力量测结果2.钢架、支护、衬砌混凝土应力拱脚收敛基线边墙收敛基线B1B2Y1Y2G水平收敛锚杆轴力围岩压力初支砼应力及钢架应力拱顶下沉二衬接触压力及二衬砼应力(a)变形、压力、应力测点(b)三维位移测点椭圆形断面测点布置图围岩压力、接触压力及支护衬砌应力量测结果(MPa)3.围岩压力（接触压力）监测应力大小，既反映了支护的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况，因此，围岩压力的量测就成为必要。二次衬砌所承受的围岩压力，及衬砌与支护层之间的接触压力量支护(喷射混凝土或模筑混凝土衬砌)与围岩之间的接触测，可明确衬砌的受力情况，验证设计理论。右线DK175＋475断面围岩压力分布及时间曲线(a)横断面分布(MPa)(b)压力时间曲线0.7220.0690.1670.1350.0950.0420.037

通过对实测支护压力终值的统计分析，可得荷载侧压力系数。具体统计公式为：对F4断层的2个量测断面及志留系千枚岩地层的7个量测断面进行统计分析，得侧压力系数结果如表所示。岭脊千枚岩地层实测侧压力系数结果汇总

初期支护与二次衬砌的围岩压力比例始终是隧道界讨论的热点问题之一，作为“荷载—结构”模式计算中的重要计算参数，它关系到二衬受力状态及稳定程度。根据实测初支围岩压力和二衬接触压力进行统计分析，可得出实测二衬分担压力比例，具体计算公式为：二衬分担压力比例分布11.2%65.0%61.5%72.4%13.8%17.6%40.0%初支二衬四、量测数据分析与反馈地表沉降量测区间量测区间上半下半(2~5)DH+h3上半下半D450Hh1h2(一)净空位移分析与反馈单线隧道初期支护极限相对位移(%)1.根据位移量测值或预计最终位移值判断双线隧道初期支护极限相对位移(%)

国外有关位移管理标准规范变形管理等级注：U——实测位移值；U0——最大允许位移值。

极限位移性质拱顶下沉拱脚水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道50111781304初支后隧道227710770二衬后隧道228742812极限位移性质拱顶下沉墙腰水平收敛毛洞隧道400660初支后隧道136272二衬后隧道140280乌鞘岭岭脊千板岩地层区段隧道极限位移单位(mm)乌鞘岭F7断层区段隧道极限位移单位：(mm)管理等级管理位移施工状态ⅢU＜150可正常施工Ⅱ150≤U≤300应加强支护或二次衬砌ⅠU≥300停工，并及时采取加固措施注：U—隧道开挖后隧道总变形量乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准(单位:mm)

从变形曲线可分为三个阶段：(1)变形急剧增长阶段——变形速率大于1mm/d时；(2)变形速率缓慢增长阶段——变形速率1~0.2mm/d时；(3)基本稳定阶段——变形速率小于0.2mm/d时。2.根据位移速率判断岩体破坏前变形曲线可分为三个阶段：(1)基本稳定区(2)过渡区(3)破坏区变形速率逐渐增大，即＞0。表明围岩已进入危险状态，须停工，进行加固。3.根据位移－时间曲线(位移时态曲线)形态判断乌鞘岭隧道分区段极限位移取值