排头隧道监控量测与地质超前预报.doc

中南大学土木工程检测中心 排头隧道监控量测与超前地质预报方案 永永高速公路排头隧道监控量测与超前地质预报实施方案中南大学土木工程检测中心2009年11月21排头隧道监控量测与超前预报技术建议1编制依据（1）排头隧道工程地质勘察报告；（2）排头公路隧道施工设计图；（3）交通部公路隧道设计规范（JTG D702004）；（4）交通部公路隧道施工技术规范（JTJ04294）；（5）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB500862001）；（6）建筑变形测量规范（JGJ 82007）；（7）工程测量规范（GB500262007）。2排头隧道基本情况排头隧道采用分离式双洞布置，起止桩号为左洞ZK188+096 ZK189+141，右洞YK188+098 YK189+130。左洞长1045m，右洞长1032m。隧道区属构造剥蚀丘陵地貌，植被发育，自然边坡较稳定，自然坡度1520，山岭呈近南北向，山脊浑圆状。进口处地面高程420-423m,出口高程440-445m，隧址区位于闽西南坳陷带之广平-龙岩坳陷带中段，受区域构造影响，隧址区小褶皱发育，部分地段层间小断层带发育。场区上覆残坡积粘土，下伏石炭系下统林地组粉砂岩、砂砾岩、砂岩。场区断裂构造发育，岩石风化强烈，受构造影响，隧道围岩级别较低。洞体围岩级别以为主。3.监控量测的目的和意义为保证隧道施工期间的安全，根据公路隧道施工技术规范（JTJ04294）的规定和各隧道设计要求，需要将现场监控量测项目列入施工组织设计，掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈，以指导指导隧道设计和施工。因此，实施隧道监控量测具有十分重要的意义。（1）掌握围岩动态，了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，对围岩稳定性作出评价，为隧道建设实施风险管理提供支持。（2）通过施工监测进行信息反馈及预测预报，优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。（3）提供二次衬砌支护的合理时间，以便在安全的前提下充分发挥围岩的自承能力。（4）验证支护结构型式、支护参数，评价支护结构、施工方法的合理性，并为优化设计参数、调整施工方法提供依据。（5）通过监控量测，收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验，并可以和计算结果比较，完善计算理论。4隧道监控量测与超前地质预报的内容与方法根据各隧道穿越地层地质、隧道埋深以及隧道施工方法等具体情况，为及时提供施工所需的围岩稳定程度和支护结构的状态，以保证施工安全，提高施工效率，拟将施工监测分为必测项目和选测项目。监控量测项目及方法见表1。表1 监控量测项目及方法序号项目名称方法及工具布置量测间隔时间115天16天1个月13个月大于3个月必测项目1地质和支护状况观察岩层、岩性，结构面产状及支护裂缝观察或描述,数码相机、地质罗盘及规尺等开挖后及初期支护后进行每次爆破后进行观察2周边位移量测各种类型的收敛计每550m一个断面，每断面26对测点12次/天1次/2天12次/周13次/月3拱顶下沉量测水准仪、水准尺、钢尺或测杆每550m一个断面，每断面26对测点12次/天1次/2天12次/周13次/月4地表下沉量测水准仪、塔尺当每550m一个断面，每断面至少7个测点。中线每520m一个测点开挖面距量测断面前后2B,12次/天开挖面距量测断面前后5B,1次/周选测项目5锚杆内力量测锚杆测力计每一环检测1根锚杆6围岩内部位移量测(洞内设点)洞内钻孔安设单点、多点杆式或钢丝位移计每一级围岩段选一断面，每断面311个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月7围岩内部位移量测(地表设点)地表钻孔安设各类位移计每一级围岩段选一断面，每断面311个测点同地表下沉要求8围岩压力及支护间压力量测各种类型压力盒每一级围岩段选一组，每组35个测点12次/天 1次/2天12次/周13次/月9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法每一级围岩段选一组，每组25个断面，每断面711个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月10钢支撑内力量测各种类型压力盒采用钢支撑地段每10榀钢拱支撑一对测力计12次/天1次/2天12次/周13次/月监控量测的频率除按照表1中常规量测频率外，为更好的反映隧道施工实时动态，还应按照位移速度确定量测频率。量测频率原则上采用两种方法确定的较高值。按照位移速度确定量测频率的标准见表2。表2 按照位移速度确定量测频率位移速度(mm/d)监控量测频率52次/d151次/d0.511次/23d0.20.51次/3d1.50.61.50.20.60.060.20.06延伸性较差差中等好极好较完整粗糙度明显台阶状粗糙波纹状平整光滑平整光滑有擦痕较碎张开性（mm）密闭1.0黏土充填破碎风化程度未风化微风化弱风化中等风化强风化松散简要说明施工情况地下水渗水量L/(min.10m)干燥25偶有渗水25125经常渗水干燥或湿润偶有渗水经常渗水埋深 H围岩级别备注掌子面素描观测人日期编录人日期隧道之间间距较小，可能存在相互影响时，量测范围应适当加宽。测点应埋水泥桩，测量放线定位，用精密水准仪量测。隧道开挖距测点前30m处开始量测，隧道开挖超过测点20m、并待沉降稳定以后停止量测。地表下沉测点布置见图2、3和4。图2 隧道地表下沉量测断面布置图图3 隧道小净距段地表下沉量测断面布置图图4 连拱隧道地表下沉量测断面布置图4.2选测项目选测项目包括围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与喷射混凝土间接触压力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次衬砌内应力量测、钢支撑内力量测、衬砌裂缝及表面应力量测。这类量测是必测项目的拓展和补充，是对特殊地段、或有代表性的地段进行量测，以便更深入地掌握围岩稳定状态与支护效果。对未开挖地段提供参考信息，指导未来设计和施工。选择项目安装埋设比较麻烦，量测项目较多、时间长、费用较大，但工程竣工后还可以进行长期观测。这类项目量测主要选择隧道地质和结构复杂、特殊的地段进行。断面及测点的布置应优先考虑围岩具有代表性、施工方法和支护参数发生变化地段。选测项目的量测手段和方法如下：(1) 围岩内部位移量测沿隧道围岩周边分别在拱顶、拱腰和边墙位置共打7个深孔，孔深3.7m5m、孔径50，采用5点杆式多点位移计量测，一个断面共35个测点。量测断面尽可能靠近掌子面，及时安装，测取读数。图5 隧道围岩内部位移量测布置图(2) 喷射混凝土应力量测沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底喷射混凝土内布置7个测点，每测点测试环向和切向应力，共埋设14个应变计。围岩初喷以后，在初喷面上将应力计固定，再复喷，将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央，方向为环向和切向。喷射混凝土达到初凝时开始测取读数。图6 隧道喷射混凝土应力量测布置图(3) 二次衬砌应力量测二次衬砌应力量测沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底混凝土内埋设7组应变计，应变计传感器埋设在二衬混凝土内、外两侧，在混凝土浇筑前，将应变计固定在待测位置，为隧道切线方向，每个断面14个应变计。图7 隧道二次衬砌应力量测布置图(4) 复合式衬砌围岩压力量测沿隧道周边拱顶、拱腰、边墙顶、边墙底及仰拱底埋设压力传感器，将双膜钢弦式压力盒分别埋设在围岩与喷射混凝土之间和喷射混凝土与二次衬砌之间。围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在喷混凝土施工以前埋设；喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安装，分别测取围岩对喷射混凝土压力和喷射混凝土对二次模注混凝土衬砌的压力。混凝土达到初凝强度以后开始测取读数。埋设时，压力盒承压面(压力盒比较光的一面)紧贴围岩面(测围岩压力时)和喷射混凝土面(测层间接触压力时)，压力盒与围岩或喷射混凝土接触面要平整，可用水泥砂浆或石膏将岩面或喷混凝土面抹平，再将压力盒贴上去。每个断面围岩与喷射砼间压力盒共7个，喷射砼与二次衬砌间压力盒共7个。图8 隧道复合式衬砌围岩压力量测布置图(5) 钢支撑内力量测钢支撑内力量测采用钢筋计量测，把钢筋计焊接在钢支撑内缘和外缘上，量测钢支撑内力。钢支撑安装完以后即可测取读数。量测断面的测点布置位置与喷射混凝土轴向应力测点布置位置相同，每个断面共20只钢筋计。图9 隧道钢支撑内力量测布置图(6) 锚杆拉拔试验锚杆抗拔试验是为了掌握锚杆能承受的最大拉力，是锚杆材料、加工与施工安装质量优劣的综合反映。锚杆抗拔力量测方法较多，有直接量测法、电阻量测法以及快速量测法等。一般采用快速量测法，即采用锚杆拉力计进行量测，此设备简单主要有千斤顶和手压泵两部分组成。具体量测时，先把锚杆测力计接头固定到锚杆上，然后用钢丝编织胶管接上手压泵，再上下均匀摇动手压泵，当压力表上的读数达到要求时，停止摇动手柄，回油、卸下设备即可。4.3超前地质预报（1）TSP超前地质预报系统TSP超前地质预报系统属于远距离宏观长期地质预报，其预报距离可达200m，主要任务是查明掌子面前方200m范围内的不良地质的性质、位置、宽度和影响隧道的长度；并根据各类不良地质的性质、影响范围和理论上对围岩稳定性的影响程度，结合地下水的理论特征，粗略地确定预报范围内围岩级别。TSP203工作原理为：首先在隧道内人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波传到地层界面、如断层破碎带、土石交界面等不良地质体时产生反射波，其传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关地质体的性质密切相关，并通过不同的数据表现出来；通过传感器和记录仪采集震源反射波的数据，输入带有处理软件的计算机，经过数据处理后，转化为反映相关地质体影视图像或隧道平面、剖面图；再由专业工程技术人员进行解读，即可对开挖面前方不良地质体的性质、位置和规模等予以预报。TSP203超前地质预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、两个三维接收传感器（X、Y、Z方向）、接收机及数据处理系统组成（见图10）。图10 TSP203系统的方法原理与野外布设（2）地质雷达地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中广泛采用，近年来也用于隧道超前地质预报工作。其属于近距离微观近期预报系统，一般可探测隧道掌子面前方30m以内的地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带、孤石、溶洞、土洞等地址灾害体具有较高的识别能力。其工作原理是基于地下介质或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。通过发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而发生变化。故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。图为地质雷达工作原理及基本组成。图11 地质雷达工作原理及基本组成（3）超前探孔超前探孔能最直接地揭示开挖面前方的地址特征，准确率很高。通过地质钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取开挖面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况等诸多方面的资料，利用地质理论和作图法，将开挖面前方围岩的地址构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量等准确记录下来并绘制成图表，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。超前探孔技术是在其他方法预测结果的基础上利用掌子面布置的钻孔的钻进速度、回水颜色、回水量、水压大小和有无卡钻等钻进信息来判断掌子面前方地质情况的一种超前地质预报方法。其探测精度高，但成本高，一般在重要地段采用。超前探孔可设置为中距离（4060m）和短距离（1530m）两种形式，一般不取芯。超前探孔的布置数量，视不良地质体的性质和可能发生的施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎带，布置1孔，或至多23孔即可达到目的。布孔的位置，以短期地质预报结果中可能发生不良地质的空间展布范围为依据。由于超前探孔会占据大量的施工时间，所以一般在隧道其他超前地质预报结果的基础上进行，侧重其他预报方法已经认定的主要不良地质区域。一旦单独安排进行超前钻探，应最大可能取得有用的地质信息，且最好一孔多用。超前探孔中可利用的信息包括：钻孔回水颜色和冲出混合物成分，以及在不同深度时的变化情况；钻进过程中孔壁坍塌和掉块情况，钻具的震动情况，钻色突然变化情况以及出现问题的位置；空洞地带等突然进尺段，记录起止深度及是否有水和水压大小；钻孔出水量突然变化的位置；遇卡钻应记录卡钻深度和出水量有无变化。5.监控量测断面布置5.1 必测项目断面布置1隧道内目测观察隧道内目测观察在新奥法量测项目中占有很重要的地位，在每次爆破后应对掌子面和喷层支护进行目测观察及地质素描，对此项目尽量做到每天一次，具体桩号随着施工进度确定。2隧道周边收敛与拱顶沉降量测隧道洞内周边收敛和拱顶下沉量测的测点布置桩号里程和量测频度均相同。在级围岩地段每10m布置一个断面，级围岩地段每20m布置一个断面，级围岩地段每30m布置一个断面。3隧道进出口地表沉降量测隧道进出口地表沉降量测应布置在浅埋地段。在级围岩地段每10m布置一个断面，级围岩埋深较浅地段每20m布置一个断面。为与洞内周边收敛和地表下沉测点数据相互对应，在断面布置时安排在相同桩号位置。4锚杆拉拔试验锚杆抗拔力试验是为测试锚杆能承受的最大拉力，是一种破坏性的试验，因此根据要求可在不同的围岩地段选择性的进行。5锚杆内力量测为了更好的进行测试数据的对比分析，锚杆内力量测布置在与选测项目里程相同的断面或附近。由于选测项目断面较少，在隧道洞内锚杆内力量测断面布置在与锚杆抗拔力试验相同断面处。5.2 选测项目断面布置根据隧道地质条件及施工方法综合考虑，选取隧道进口及出口段隧道埋深较浅、围岩条件较差地段的典型断面进行选测项目的测试。监控量测具有很强的实践性,由于隧道内地质环境复杂多变,量测的具体布置需根据现场施工情况调整。6 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：测点埋设数据采集数据收集数据输入绘制曲线输入计算机生成图表信息反馈。监控量测的信息反馈可按照图12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12 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，采取有效的工程措施进行加固。(3) 当位移时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。(4) 隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于表5所列数值。当位移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近表列数值，或者喷层表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并调整原支护设计参数或开挖方法。(5) 埋设量测元件情况和量测资料，均应整理清楚报监理工程师核查，并作为竣工交验资料的一部分。(6) 根据量测结果进行综合判断及位移控制基准，确定变形管理等级。变形管理等级见表6、7。(7) 根据监测资料及数据分析结果，进行隧道工程安全性评价，程序如图13。图13 监控量测信息反馈程序框图图14 隧道工程安全性评价流程表5 隧道初期支护极限相对位移值(%)围岩级别埋 深(m)5050300拱脚水平相对净空变化值0.010.030.030.100.080.400.100.300.200.800.200.500.402.00拱顶相对下沉0.030.060.030.060.040.150.060.100.080.400.080.160.141.10注: (1) 硬岩取下限，软岩取上限；(2) 拱脚水平相对净空变化值指两测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比；(3) 墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.21.3后采用。表6 位移控制