【精品】隧道监控量测

周晓军 教授 博士研究生导师 2010年 01月 21日 西南交通大学土木工程学院 铁路隧道现场监控量测与 地质预报技术 兰新铁路二线培训讲稿 报技术隧道地质超前预测和预术隧道现场的监控量测技讲解的内容21第 1部分 隧道现场监控量测技术 1 量测的目的和意义 2 量测的内容 3 量测的方法 地下工程的特点： （ 1）环境的封闭性（铁、公隧道、地下铁道、地下厂房、地下商业街、地下停车场、输水隧洞等） （ 2）地质条件的复杂性（复杂的地质构造） （ 3）围岩与地下水的影响（围岩分级和地下水） （ 4）受施工方法的影响（ 锚构筑法、构法等） 为什么要进行隧道与地下工程的监控量测？ 工程环境对地下结构的影响 (1) 在隧道施工期间遇到的地质条件复杂多样； 载荷是不明确的。如围岩压力、地下水的作用；（深、浅埋 岩石、土壤等） 围岩级别的划分不是很明确。 支护结构不是完全合适的或适当的 隧道与地下工程的设计只是完成了预设计 在施工过程中要不断地加以调整和修改 地下工程的设计与施工是动态的，要求进行信息化设计与施工 工程环境对地下结构的影响 (2) 隧道结构受力特点 铁路 公路 城市轨道交通 水工 市政 石油天然气 其他 （ 1）围岩条件 （ 2）建造方法 关系紧密 地铁与轻轨 独轨或磁浮交通 隧道开挖后最基本的现象就是 ： 围岩出现应力释放和围岩变形 。 岩性不同 ：变形不同； 施工方法不同 ：变形也不同。 反之亦然。 支护结构的工作状况不同。（工作状况是指压力、变形和内力等） 隧道建造的基本过程 （ 1）开挖：如何将岩土体安全挖除 （ 2）支护：保持开挖空间的安全和稳定 隧道施工的实例 （ 1）台阶法 长、短台阶 （ 2） 交叉中隔壁法 （ 3） 中隔壁法 （ 3）双侧壁导坑法 （ 4） 臂掘进机和盾构 ) 台阶法 双侧壁导坑法 双侧壁导坑法 3台阶 6步开挖法 3台阶 6步开挖法 台阶法上导坑先贯通 盾构法的盾构机 围岩与支护结构的共同作用 地层与围岩的刚度大小 （ 1）地层的刚度大于支护结构的刚度时 地层可以约束因开挖引起的变形，作用于结构的压力较小。如坚硬岩石地层 （ 2）地层的刚度小于支护结构的刚度 地层无法约束因开挖引起的变形，作用于结构的压力较大。如软土地层。 根据隧道与地下工程的特点，现场量测可以划分为： （ 1）确保隧道施工开展的控制测量； （ 2）确保隧道施工安全的监控量测； （ 3）确保工程质量的施工检测。 隧道现场监控量测的分类 隧道施工阶段与运营阶段 控制测量 监控量测 隧道施工阶段或竣工验收后的隧道中线和内净空断面即限界是否符合设计要求。 隧道施工阶段和运营阶段，使用各种量测仪表，对围岩变化及支护结构的工作状态进行量测，提供围岩稳定程度和支护结构的工作信息，以达到监控隧道围岩和支护结构的变形和应力不超过设计标准的目的，确保隧道施工和运营期间的安全。 质量检测 检验工程质量是否符合要求。 监控隧道施工期间是否安全和经济 现场的监控量测 (1) 预报和监控险情。 在隧道开挖过程中，使用各种量测仪器和传感器对围岩与支护结构的工作状态进行测量，掌握隧道围岩与支护结构的工作状况和安全信息。 现场监控量测的作用（ 1） (2) 调整和修改设计参数。 根据量测信息调整初期支护参数： 太弱 适当加强 太强 适当减弱 现场监控量测的作用（ 2） (3) 确定二次衬砌的施做时间。 在喷锚构筑法中对于采用复合式衬砌的支护当中，可以根据围岩及初期支护结构的力学与变形信息来确定二次衬砌的施作时间。 现场监控量测的作用（ 3） 通过对隧道与地下工程在施工过程中围岩与支护结构发生的变形与力学特性的现场监控与量测，主要达到如下的目的： 量测的目的 了解隧道与地下工程在特定地质条件下其围岩位移与压力的变化特点，了解围岩因岩体开挖后而发生的松弛范围，以便对 隧道围岩稳定性作出评价 。 (1) 评价围岩的稳定性 根据现场量测信息掌握隧道支护结构的受力状态以及围岩压力的分布特点，并 对初期支护设计参数 如锚杆的布置方式、喷射混凝土的厚度、格栅钢架的设置间距等 做出调整与修改。确定在特定地质条件下合理的隧道支护形式 。 (2) 确定合理的支护形式 对隧道围岩和衬砌结构的异常状态进行预测和预报，及时调整所采用的隧道施工方法和支护措施。 (3) 变更施工方法 通过量测， 总结出在特定地质条件下隧道与地下工程的施工方法和安全措施。 为今后遇到相同或类似地质条件时的隧道与地下工程设计与施工提供借鉴或指导。 (4) 总结经验 （ 5）实现预期的经济目标 根据量测获得的信息，对支护施工方法的变更，最终达到合理调整施工成本，降低工程造价，实现企业的经济目标： 获得利润和效益，实现企业的发展，增强市场的竞争力。 隧道现场监控量测 是实现信息化设计的重要途径 通过量测，可以达到隧道的 动态设计与施工 隧道监控量测的主要原理是： 降低工程投资和提高施工效率的目的 量测围岩和支护结构工作状况的数据或信息 数据或信息的处理和相应的力学计算与分析 判断围岩和支护结构体系的安全性和稳定性 选择和修正支护参数以及变更施工方法 隧道现场量测的一般规定 （ 1） 铁路隧道喷锚构筑法技术规范 ( （ 2） 客运专线铁路隧道工程施工技术指南 ( 采用喷锚构筑法设计和施工铁路隧道时应开展隧道监控量测工作，并根据量测信息进行动态设计和施工。 在开展铁路隧道设计和施工时需要编制切实可行的量测计划，将其列入设计文件和纳入施工组织设计中，并在施工过程中认真加以组织和实施。 隧道监控量测计划 （ 1）量测方案 （ 2）实施计划 根据隧道的工程地质、水文地质、地形条件、隧道长度、断面设计特点、支护结构类型和参数、施工方法、科研要求及其他相关条件进行制订。 隧道现场量测计划的主要内容 (1)现场量测的主要手段、量测仪表和工具 (2)选用的量测项目和测试方法 (3)实施量测的部位和测点布置及测量人员的构成和组织； (4)测试方案和实施计划 (5)量测数据处理与应用、量测管理 量测是监控的手段 监控是量测的目的。 隧道实施监控量测的过程可表示为： 现场量测 数据处理 信息反馈。 通过量测达到监控隧道施工的安全和经济。 最终目的： 2 监控量测的内容 确保隧道施工安全的监控量测 （ 1） 必须要进行量测的项目 （必测项目） 又称： （ 2）可以选择性量测的项目 （选测项目） 又称： 确保隧道施工安全的监控量测 必测项目（ （ 1）洞外和开挖面地质状态观察 （ 2）围岩收敛位移： 二衬前后的净空变化 （ 3）拱顶下沉 （ （ 2）隧道底板突起 （ 3） 围岩内部位移 （ 4）围岩压力 （ 5） 接触压力：围岩与初支、初支与二衬 （ 6） 钢支撑内力 （ 7）喷混凝土层应力 （ 8）锚杆轴力 （ 9）衬砌内力 （ 10) 振动观测 （ 11）围岩弹性波波速 量测项目的选择 围岩地质条件 水文地质条件 隧道工程规模如长度和开挖断面大小 支护类型 施工方法 科研内容要求 其他要求 采用喷锚构筑法施工的铁路隧道必须进行必测项目的量测。 必测项目的量测方法相对而言较为简单，费用也较少，可靠性较高 量测的内容对监控围岩的稳定性、指导设计与施工是具有最直接意义的项目 。 最直接的方法 隧道掘进开挖面和洞外的地质状况观察 必测项目的观察法 台阶法 对开挖面的围岩地质状况进行编录 分析围岩条件的异常现象 隧道施工阶段围岩级别判定卡 对围岩地质状况和物理力学特性进行现场评定，目的在于为变更支护设计参数和施工方法提供依据。 填写的具体内容参加讲义 。 量测断面和测点的布置 开展量测项目里程出的截面称为量测断面。 量测断面选定的测量安装点位：测点 隧道监控量测测点布置示意图 全断面法 下导洞超前法 台阶法 环形开挖预留核心土法 双侧壁导坑法 中隔壁法 叉中隔壁法 台阶六步开挖法 ut 正台阶六步开挖法透视图 ut 上台阶先开挖 下台阶跳槽开挖 正台阶跳槽开挖法 1 2 3 必测项目量测断面间距和每断面测点数量 围岩级别 断面间距 (m) 每断面测点数量 净空变化 拱顶下沉 、 5 10 1 2条基线 l 3点 1030 1条基线 1点 3050 1条基线 1点 3 量测项目的方法 （ 1） 拱顶下沉与围岩水平收敛 锚固点 测线 （ 2） 锚杆轴力量测 传感器 锚杆 （ 3） 围岩压力（接触压力） 压力盒 压力盒 混凝土衬砌 （ 4） 衬砌应力 混凝土钢筋计 混凝土钢筋计 （ 5） 地表下沉测量 纵断面范围 地表下沉测量布置 横断面布置 隧道现场监控量测的频率 （ 1）按围岩位移速度确定的量测频率 位移速度 (mm/d) 量 测 频 率 5 2次 /d 15 1次 /d 1 1次 /2 3d 次 /3d 5B 1次 /7d 量测数据的整理与分析 量测数据的处理与应用 正常曲线 反常曲线 1）围岩稳定性的综合判别 拱脚水平相对净空变化量 拱顶相对下沉量 围 岩 级 别 埋 深 （ m） 50 50 300 300 500 拱脚水平相对净空变化值 顶相对下沉 线隧道初期支护极限相对位移 (%) 变形管理等级 管理等级 管理位移 (施工状态 级 应采取特殊措施 注： （ 2） 二次衬砌的施作条件 1) 一般情况下，深埋隧道二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行，变形基本稳定的符合条件应当满足下列条件之一： (1) 隧道周边变形速率明显下降并趋于缓和； (2) 水平收敛，特别是拱脚附近 7d，拱部下沉速度小于 d； (3) 施作二次衬砌前的累计位移值，已达极限相对位移值的80%以上； (4) 初期支护表面裂隙不再继续发展。 二次衬砌的施作条件 2) 浅埋隧道应及早施作二次衬砌，且二次衬砌应予以加强。 3) 围岩及初期支护变形过大或变形不收敛，又难以及时补强时，可提前施作二次衬砌，以改善施工阶段结构的受力状态，此时二次衬砌应予以加强。 围岩预留变形量 围岩级别 单 线 隧 道（ 双 线 隧 道 ( / / / 30 50 20 50 50 80 50 80 80 100 V 80 120 100 150 现场量测确定 周边位移的分析与反馈应用 隧道围岩周边位移是围岩动态变形力学行为的最为直接和直观的反映，所以现场量测主要以围岩周边位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的标准。 采用不同的回归分析函数： 建立位移与时间和开挖掘进距离之间的函数关系。 )(0220)11()11(用的回归函数 指数函数 双曲函数 反馈应用举例 1) 围岩变形：围岩的松弛区 （塑形区） 2) 喷射混凝土层的应力： 反映围岩压力的大小 3) 地表下沉：增强初支 4) 围岩压力： (1) 围岩压力和变形量都很大，表明支护的刚度不小，应加强支护 (2) 围岩压力大，而变形量并不大，支护时机和支护的封底时间可能过早或支护尺寸及刚度太大，只要是支护过早 (3) 围岩压力小，变形量却很大，则表明围岩将会失去稳定，此时应立即停止开挖，加强围岩支护，采取辅助施工措施进行处理，防止围岩坍塌。 第 2部分 隧道地质预测预报技术 地质预测、预报的意义 隧道施工应根据隧道地质勘察资料，对穿越的断层、软岩、黄土、膨胀岩体、地下水、煤层、瓦斯、岩溶、高地应力、高地温等不良地质地段，在勘察资料和理论分析的基础之上以不同的周期采用多种方法进行综合地质超前预测和预报，为及时调整隧道施工方法和预防地质灾害的发生提供指导和技术依据，保障施工的安全顺利进行。 超前地质预测、预报的内容 隧道施工期地质预测、预报至少应包括以下内容： (1) 断层及断层影响带的位置、规模及其性质。 (2) 软弱夹层的位置、规模及其性质。 (3) 岩溶的位置、规模及其性质。 (4) 不同岩性、围岩级别变化界面的位置。 (5) 工程地质灾害如高地应力、高地温、瓦斯、煤层、岩溶、突水等可能发生的位置和规模。 (6) 含水构造的位置、规模及其性质。 地质超前预测、预报的方法 常规地质法： 物理勘探法： 钻探法等： (1)开挖面地质状况编录 (2)利用平行导坑或超前导洞。为近期开挖、支护提供预报。 隧道地震波法、瑞雷波法、地质雷达法等 最直观和相对可靠的超前预报手段。 方法名称 适 用 范 围 电法 直流电法 超前探测隧道开挖面和侧帮的含水构造 高密度电阻法 探测岩溶、洞穴、地质界线 电磁法 甚低频 (1)探测隐伏断层、破碎带； (2)探测岩体接触带； (3)含水构造及地下暗河等 地质雷达 (1)探测隐伏断层、破碎带； (2)探测地下岩溶、洞穴： (3)探测地层划分 地震波和声波法 折射波法 (1)划分隧道围岩级别； (2)测定岩体的纵波速度 反射波法 (1)划分地层界线； (2)探测隐伏断层、破碎带； (3)探测地下洞穴； (4)测定含水层分布 隧道地震波法（ (1)划分地层界线； (2)查找地质构造； (3)探测不良地质体的厚度和范围 瑞雷波法 (1)探测隐伏断层、破碎带； (2)探测岩溶、地下洞穴 红外线地下水探测 (1)探测局部地温异常现象； (2)判断地下脉状流、脉状含水带、隐伏含水体等所处的位置 常用的物理勘探方法及适用范围 隧道超前预报系统 理 数据采集的时间约为 60 在隧道的一边墙布置 2024个炮孔； 在隧道两侧壁钻 43环