围岩量测技术在分水关隧道中的应用A4.doc

内容摘要以实际工程为例，系统地阐述了隧道工程中围岩量测技术的量测方法、注意事项、量测数据的处理，以及围岩稳定性的判别方法；通过施工现场监测，掌握围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度，为新奥法施工提供技术保障。关键词：隧道工程；新奥法；围岩量测；方法；数据处理第一章 前 言围岩量测是隧道新奥法施工中的核心技术之一。获得比较符合实际的量测数据，对于判断隧道初期支护参数的合理性，确保施工安全和施工中调整支护参数，有着十分重要的意义。但是隧道现场监控测量测中，由于量测条件，外界环境的影响，加之操作的人为因素，必然给量测数据带来偶然误，所以量测的实测数据需要经过一定的数学处理才能加以运用。因此，对于隧道施工监测中获得的数据，需要进行数学上的回归分析，找出时间（t）和位移量（u）两个变量之间相关的函数关系式，从而获得较正确反映实际情况的典型曲线，修正位移时间（ut）曲线中按实际数据所描绘的散点分布，找出位移随时间变化的规律，并推算出位移的极限值，从而为修改设计和施工提供重要的依据。第二章 量测项目及目的围岩量测的主要目的：监视新建隧道的施工质量及使用与运营期间的安全；监测隧道围岩及外部环境的稳定性；检查、分析和处理有关工程质量事故；验证有关隧道结构设计的理论及设计参数的准确性与可靠性；研究变形规律，预报变形趋势，及时发现异常情况，采取有效措施，保证工程的安全运行。围岩量测的主要内容：通过布设测点，按照相关精度要求，根据隧道开挖进度及围岩类别情况定期定点的对各施测断面进行观测，及时反馈相关信息，指导施工。监控量测项目选择：项目分为必测项目和选择项目两类。必测项目：为隧道工程应进行的日常监控量测项目，见下表2-1:表2-1 监控量测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、铟挂尺或全站仪3净空变化收敛计、全站仪4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪隧道浅埋段选测项目：为满足隧道设计与施工的特殊要求进行的监控量测项目，见下表2-2：表2-2 监控量测选测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钢架压力钢筋计、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爆破振动振动传感器、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、全站仪第三章 监控量测系统选择监控量测系统应可靠、稳定、耐久，在服务期内运转正常。仪器设备应按规定进行检查、校对和率定，并出具相关证明。测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护，严防损坏。变形监测量测可采用接触量测或非接触量测方法进行，隧道净空变化量测可采用收敛计或全站仪进行，其中采用收敛计量测时，测点采用焊接或钻孔预埋；采用全站仪量测时，测点应采用膜片式回复反射器作为测点靶标，靶标粘附在预埋件上。量测方法包括自由设站和固定设站两种。拱顶下沉量测可采用精密水准仪和铟钢挂尺或全站仪进行。在隧道拱顶轴线附近通过焊接或钻孔预埋测点。测点应与隧道外监控量测基准点进行联测。采用全站仪量测时，测点及量测方法与测量变形监控时相同。地表沉降监控量测可采用精密水准仪、铟钢尺进行，基准点应设置在地表沉降影响范围之外。测点采用地表钻孔埋设，测点四周用水泥砂浆固定。当采用常规水准测量出现困难时，可采用全站仪量测。第四章 监控量测项目第一节 洞内外观察隧道在开挖后要进行地质观察，在支护完成后对已支护地段要进行观察。对开挖的围岩观测包括以下几项：(1)节理裂隙发育程度及方向；(2)开挖工作面的稳定状态，顶板有无坍塌现象；(3)涌水情况：涌水的位置、涌水量、水压等；(4)是否有底板隆起现象。对初期支护段围岩观测主要有以下几项：(1)是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象；(2)喷混凝土是否发生裂隙和剥离或剪切破坏；(3)钢拱架有无被压变形情况。洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段，观测重点主要有以下几项：(1)地表开裂、变形；(2)边坡及仰坡稳定状态；(3)地表水渗漏情况 ；(4)地面建（构）筑物进行观察。第二节 地表下沉量测(1) 地表下沉量测应根据隧道埋置深度、地质条件、地表有无建筑物、所采用的开挖方式等因素确定。地表下沉量测的测点应与水平相对变化和拱顶下沉量测的测点布置在同一横断面内，沿隧道中线地表下沉量测断面的间距可按表4-1采用:表4-1 地表下沉量测断面间距表 注：无地表建筑物时取表内上限值；b表示隧道开挖宽度。(2)横断面方向地表下沉的测点间隔应取25米，在一个测量断面内应设711个测点，在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于h+b，地表有控制性建（构）筑物时，量测范围应适当加宽；(3)地表下沉量测应在开挖工作面前方h+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直至衬砌结构封闭、下沉基本停止为止；(4)地表下沉的量测频率应和拱顶下沉及水平相对净空变化的量测频率相同； (5)测点埋设：在埋设点挖长、宽、高均为20 mm 的坑，然后放入沉陷测点，测点一般采用25 mm 长、350 mm半圆头钢筋制成。测点四周用混凝土填实。在开挖影响范围以外设置水平基点2个 3个。水平基点埋设方法同上。(6)量测沉陷量计算：使用普通水准仪和水准尺，测出各沉陷量测点的标高，然后按下式计算沉陷量。un=a0（a基r后+r前) 式中un第n次量测下沉量，mm；a0测点初始标高，mm；a基水准基点标高，mm；r后第n次量测后视读数，mm；r前第n次量测前视读数，mm。第三节 拱顶下沉拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上，拱顶下沉测点原则上设置在拱顶轴线附近。当隧道跨度较大时，应结合施工方法在拱部增设测点。量测断面的间距为类围岩段50 m，类围岩段30 m类围岩段20 m，v类围岩10m，各别特殊地段适量减小量测间距，增加量测频率。量测频率见下表：表4-2 量测频率 注:b表示隧道开挖宽度下沉量计算：un= a0（a基r后+r前) 式中un第n次量测下沉量，mm；a0测点初始标高，mm；a基水准基点标高，mm；r后第n次量测后视读数，mm；r前第n次量测前视读数，mm。第四节 周边位移周边位移量测主要量测两侧边墙收敛值。 周边位移测点与拱顶下沉测点应布置在同一个断面上，布设原则拱顶下沉布设原则一致。点位布置形式如下图所示：图4-1第五章 监控量测数据分析处理第一节 监控量测数据分析处理流程及注意事项（1）监测量测数据的分析处理应包括数据校核、数据整理及数据分析。（2）每次观测后应对观测数据进行校核，如有异常应及时进行补测。（3）每次观测后应及时对观测数据进行整理，包括观测数据计算、填写表格并制图、误差分析等。（4）监控量测数据的分析应包括以下几个内容：根据量测值绘制时态曲线；选择回归曲线，预测最终值，并与控制基准进行比较；对支护及围岩状态、工法、工序进行评价；及时反馈评价结论，并提出相应工程对策提议。第二节 监控量测数据处理采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值指隧道周边两测点连线方向上相对位移值，所以必须把它换算成两测点的绝对位移值，换算的方法按几何关系有：(uiuj)cosaij+(vivj)sinaij=dij 式中ui、uj、vi、vji、j两测点绝对位移的水平和垂直分量；aij连线与水平方向夹角，按逆时针方向为正；d基线ij方向的收敛值。按照下面步骤进行回归分析计算： （1）双曲函数即 令 则这里系数a，b的求法步骤如下：（其中）求得上面的几个值后则相关系数r的求法则（前面已经求出）求出a，b后 ，并根据r值（把双曲线，指数，对数的r值都算出来后比较，后面讲对数和指数的算法）判断是否选用双曲线回归公式后，就可以根据双曲线回归公式对应不同的t值求出u的回归值（2）对数函数 令 则这里系数a，b的求法步骤如下：求得上面的几个值后则相关系数r的求法 （前面已经求出）求出a，b后 ，如果根据r值判断是否选用对数函数回归公式后，就可以根据对数回归公式,对应不同的t值求出u的回归值。（3）指数函数 令 ，则这里系数a，b的求法步骤如下：求得上面的几个值后则由，知道相关系数r的求法 （前面已经求出）求出a，b后 ，如果根据r值判断是否选用指数函数回归公式后，就可以根据指数回归公式对应不同的t值求出u的回归值,得出相应回归方程后，可以绘出位移时间曲线，得出某一时刻位移速率，从位移时间形态、位移速率与某临界值相比较，确定采用何种支护结构及支护结构施作时间及时向技术负责人反馈信息。第六章 围岩稳定性判别标准位移时间曲线的形态，根据岩体的流变特性，岩体破坏前的变形曲线分成三个区段。分别如下。(1)基本稳定区：变形速率不断下降，d2u/dt0时，表明围岩趋于稳定，支护是安全的。(2)过渡区：变形速率长时间保持不变，d2u/dt=0，表明支护要加强同时及时调整施工程序。(3)破坏区：变形速率逐渐增加，d2u/dt0时，曲线出现反弯点，表明围岩已达到危险状态，必须立即停工加固。根据位移变化速率判断围岩稳定状况，变形基本稳定应符合下列条件：隧道周边变形速率有明显减缓趋势；拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d。第七章 监控量测实施过程中的注意事项7.1隧道监控量测工作一般在地下进行，环境条件恶劣，因而监控量测系统应具有较高的可靠性、稳定性及耐久性。监控量测仪器设备在使用前及使用过程中必须进行定期的检查、校对和率定，一般包括外观检验、精度检验、防水性检验、应力（应变）及温度率定等。7.2 现场施工过程中经常发生测点被破坏的现象,使监控量测数据不连续,影响监控量测结果的准确分析.如果测点被破坏,应在被破坏测点附近补埋测点。如果测点出现松动，则应及时加固，当天的量测数据无效，待测点加固后重新读取初读数。7.3监控量测数据必须经现场检查复核，发现异常及时进行重测。 数据的整理和维护工作应由专人负责，数据在输入、处理过程中应复核审查，避免出现错误。监控量测的记录、图表及文字报告应连续和完整。如有缺失，应按国家规程、标准及时采取补救措施，并详细进行书面记录。7.4现场监控量测数据误差会影响对围岩和支护系统的安全评判，工作中应对误差进行科学分析，减小系统误差，剔除偶然误差，避免人为错误。具体方法如下：(1)减小系统误差的方法根据监控量测精度要求选择稳定性好、耐久性好的仪器。如果监控量测仪器产生的系统误差不能满足监控量测精度要求，应根据系统误差产生的原因进行修正。(2) 控制偶然误差的方法引起偶然误差的原因较多，如电源电压波动、仪表末位读数估读不准、环境因素干扰等。因此，对不同的监控量测项目，应具体分析产生偶然误差的原因，并通过加强管理，提高操作人员的技术水平来控制偶然误差。偶然误差一般服从正态分面，在数据处理过程中，应进行数据统计检验。(3) 避免人为误差（错误）的方法由于测试人员的工作过失所引起的误差，如读错仪表刻度（位数、正负号）、测点与测读数据混淆、记录错误等，都应避免。避免人为误差 的措施主要有加强监控量测管理，规范监控量测工作，提高人员素质。在进行数据处理时，此类误差数值一般很大，必须从测量数据中剔除。7.5现场监控量测与施工作业易发生干扰，因此两者必须紧密配合，妥善协调好施工与监控量测的关系。将监控量测元件的埋设计划列入工程施工进度控制计划中，施工现场应及时提供工作面，创造条件保证监控量测埋设工作的正常进行；监控量测工作也要尽量减少对施工工序的影响。此外，在施工过程中应高度重视并采取有效措施，防止一切观测设备、观测测点和电缆等受到机械和人为的破坏。7.6隧道开挖后最初一段时间的变形及应力变化很快，而且这段时间的监控量测数据对后期的最终位移及应力的预测至关重要，所以尽快读取初始读数掌握围岩及结构的最初动态是非常重要的。当现场情况与设计不符时，应及时调整监控量测项目及内容。第八章 资料文件在施工过程中进行监控量测数据的分析分为实时分析和阶段分析,均以报告形式进行反馈.(1)实时分析：每天根据监控量测的数据，分析施工对结构及周边环境的影响，及时发现安全隐患并及时的采取措施；实时分析一般采用日报表形式。(2)阶段分析：经过一段时间后，根据大量的监控量测数据及相关资料等进行综合分析，总结施工对周围地层影响的一般规律，指导下一阶段施工。阶段分析一般采用周报、月报形式，或根据工程施工需要不定期进行，提出指导施工和优化设计的建议。(3)监控量测资料从一个侧面反映了施工实际情况，是竣工文件中不可缺少的部分，可为其他类似隧道工程设计和施工提供类比依据，并为建成后运营管理服务，应尽可能详尽。因此，监控量测设计（说明、布置图）、监控量实施细则及批复、监控量测结果及周（月）报、监控量测数据汇总表及观察资料、监控量测工作总结报告应纳入竣工资料中。(4)原始观测记录应填写齐全，字迹清楚，不得涂改、擦改和转抄。凡划改的数据及超限划去的成果，均应注明原因和重测结果的所在页数。(5)计算成果，图表及各种检验、分析资料，应完整、清晰、无误。(6)使用的图式、符号，应统一规格，描绘工整，注记清楚。每一量测断面的测量任务完成后，应提交下列综合成果资料施测方案与技术设计书；控制点与观测点平面布置图；标石、标志规格及埋设图；仪器检验及校正资料；观测记录（手簿）平差计算、成果质量评定资料及测量成果表；围岩变形过程和变形分面图表；变形分析成果资料；技术报告。第九章 工程实例9.1 工程概况分水关隧道位于闽浙两省交界处，隧道全长9735米，其中7950米位于福建段，2145米位于浙江段，隧道地质情况复杂，沿线主要岩体为凝灰岩、玄武岩、花岗岩、沉积岩、火山喷出岩等，围岩类别大部分为ii类围岩，各别部位岩层较差，其中设计iv类围岩57米，v类围岩124米。在实际施工中，工程地质较为复杂，节理发育，起伏粗糙，张开，泥屑真充，断层多，呈扭性，以中小型为主，断层物主要为断层角砾岩、构造片岩、碎裂岩夹少量断层泥，胶结程度差，岩体破碎；各别地段坍塌较多，支护困难。选取五个围岩条件较差断面进行观测,其里程分别为：dk88+429.2,dk88+407.1，dk88+350.6，dk88+120.3，dk88+028.7。9.2监测系统选择根据分水关隧道的实际情况，监测系统采用接触量测，采用北京煤矿科技研究院生产jss30a数显示围岩收敛仪，测点基座由5cm角钢及20cm长20号钢筋焊接而成，待掌子面开挖完成后十二小时内安装在初期支护或锚固在岩壁上。拱顶下沉及地表下沉采用苏光dsz2精密水准仪配光学测微板及铟钢尺，测点埋测在拱顶，配合cpii控制点进行施测9.3观测结果1次/天对布置在洞内的5个断面进行收敛量测分析，主要观测结果下表9-1:表9-1 收敛变形成果表时间（天）收敛变形（mm）88+429.2断面88+407.1断面88+350.8断面88+120.3断面88+971.7断面l3hl3hl3hl3hl3h15.662.905.113.262.122.242.351.421.891.47210.894.929.215.534.004.004.152.423.422.53315.126.5912.097.135.535.254.463.454.553.14418.147.5814.108.166.556.185.303.975.303.40520.248.6015.758.997.416.895.824.265.823.53621.479.3316.789.527.967.356.134.436.123.72722.359.6917.389.788.377.616.324.516.303.78822.969.8917.809.948.437.666.444.576.423.81923.3810.0218.1210.078.477.746.524.616.513.821023.6110.1518.3210.178.527.756.584.636.533.821123.7310.2318.4310.248.567.766.584.656.553.851223.8010.3018.4510.248.667.876.874.666.613.88注: l3为围岩变形测线, h为拱顶变形9.4回归方程的确定dk88+971.7观测断面根据实测原始收敛数据，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：测线：；相关系数（h）：； 相关系数由回归方程推求最终位移量：由测线回归曲线：；取t=，得最终位移值由（h）回归曲线：；取t=，得最终位移值计算分析，根据计算分析和原始数据绘制断面dk88+971.7m测线及洞室顶拱（h）收敛变形位移时态曲线。详见下图9-1。图 9-1 收敛变形位移时态图9.5周边位移相对值分析 dk88+971.7m观测断面bc, h的两测点距离的平均值，bc, h两测点间实测位移累计值。bc线周边位移相对值：h线周边位移相对值：9.6 围岩稳定的判断dk88+971.7m观测断面bc:；围岩趋于稳定状态。h:；围岩趋于稳定状态。9.7 二次支护时机选择对dk88+971.7观测断面各测线回归方程进