第六章-隧道监控量测与数据分析PPT课件.ppt

第六章隧道监控量测与数据分析 1 1 量测目的 1 掌握围岩力学形态的变化规律 2 掌握支护结构的工作状态 3 为理论解析 数据分析提供计算数据与对比指标 4 为隧道工程设计与施工积累资料 一 现场量测 2 2 监测项目与内容 1 地质和支护状态现场观察 开挖面附近的围岩稳定性 围岩构造情况 支护变形与稳定情况 准确掌握围岩情况 2 岩体 岩石 力学参数测试 抗压强度 变形模量 粘聚力 内摩擦角 泊松比等 3 应力应变测试 岩体原岩应力 围岩应力 应变 支护结构的应力 应变 3 4 压力测试 支护体上的围岩压力 渗水压力 5 位移测试 围岩位移 支护结构位移 6 温度测试 岩体温度 洞内 洞外温度 7 物理探测 弹性波测试 纵波和横波速度 动弹性模量和动泊松比 4 二 量测方法 一 地质素描是对洞内围岩地质和支护状况的观察及描述 地质素描是隧道设计和施工过程中不可缺少的一项重要地质详勘工作 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 描述的内容见 P 118 共11项内容 5 二 拱顶下沉和地表沉降 1 使用精度较高的水准仪 利用已知高程的临时或永久水准点 通常借用隧道高程控制点 就可观测隧道拱顶的下沉量 隧道上方地表各点的下沉量 以及随时间的变化情况 2 用收敛计测拱顶相对于隧道底的相对位移 6 三 坑道周边相对位移1 量测概述隧道开挖后 围岩向坑道方向的位移最能反映围岩和支护的稳定性 为量测方便起见 除了拱顶 地表下沉及底鼓量测绝对位移外 坑道周边其它各点一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值 7 2 收敛计 1 量测原理 在相同的收紧程度或张拉应力下 隔一定时间的两次读数的差值 即为坑道周边两点的相对位移值 2 组成 一般由带孔钢尺 测微百分表 张力调节器 测点连接器组成 带孔钢尺 粗读位移值测微百分表 细读位移值张力调节器 保证相同收紧程度的装置 8 数显收敛计 9 3 测试方法及注意事项1 开挖后尽快埋设测点 并测取初读数 要求12h内完成 2 测点应尽可能靠近开挖面 要求在2m以内 3 读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定 指示规定的张力值时读取 4 当相对位移值较大时 要注意消除换孔误差 10 5 测试频率应视围岩条件 工程结构条件及施工情况而定 一般应按表6 1的要求而定 6 整个量测过程中 应作好详细记录 并随时检查有没有错误 记录内容应包括断面位置 测点编号 初始读数 各次测试读数 当时温度以及开挖面距量测断面的距离等 列表 11 4 坑道周边相对位移计算式中 初始观测值 第i次观测值 第i次量测时 该两测点之间相对位移 12 四 围岩内部位移 1 量测原理围岩内部各点的位移同坑道周边位移一样 是围岩动态的表现 它不仅反映了围岩内部的松弛程度 而且更能反映围岩松弛范围的大小 也是判断围岩稳定性的一个重要参考指标 在实际量测工作中 先是向围岩钻孔 然后用位移计测量钻孔内各点相对于孔口一点的相对位移 13 2 位移计 1 类型 位移计有两种类型 一类是机械式 另一类是电测式 其构造由定位装置 位移传递装置 孔口固定装置 百分表或读数仪等部分组成 定位装置 位移传递装置 孔口固定装置 百分表 14 2 定位装置是将位移传递装置固定于钻孔中的某一点 则定位装置的位移就代表该点的位移 定位装置多采用机械式锚头 其形式有楔缝式 支撑式压缩木式等 3 位移传递装置是将锚固点的位移以某种方式传递至孔口外 以便测取读数 4 孔口固定装置 一般测试的是孔内各点相对于孔口一点的相对位移 所以需要在孔口设固定点或基准面 15 2 位移计 数字显示配接1支传感器位移计 16 位移计是由差动变压器式位移传感器和数显仪组成 数显仪内部由振荡电路 整流电路 放大电路组成 既可为传感器初级线圈提供稳幅正弦波激励 又可将传感器次级线圈输出交流电压信号进行整流放大 把信号输送到数字表头显示 可以显示当前值 也可以根据要求设定上下限报警功能 设定显示最大值 最小值 多支传感器可以通过琴键开关进行通道转换 满量程由用户设定 可以显示位移值 也可以显示电压值或体积值 一台变送器最多可以配接20支位移传感器 相互之间不干扰 具有传输距离远 最长可以达到500m 等优点 17 产品名称 振弦式多点位移计产品型号 BGK A3 A6 GK A3 A6 进口 应用范围 公路桥梁及民用建筑 水利水电工程 18 BGK A3 A6型单点 多点位移计可直接安装在钻孔里 灌浆锚固施工便捷 在孔径76mm的孔中 最多可在不同深度安装6个锚头 以监测不同深度多个滑动面和区域的变形或沉降位移 配套BGK 4450型振弦式位移传感器可实现远程遥测 基座内的温度传感器可同时监测该处的环境温度 振弦式位移计具有很高的精度和灵敏度 卓越的防水性能和长期稳定性 适合在恶劣的环境下长期监测建筑物 地基 边坡的分层位移变化 BGK A3 B在传感器端装有一个沉降盘 适用于公路路基 铁路路基 填土或其它类似结构的土体沉降监测 19 1 量测原理声波测试是地球物理探测方法的一种 它是在岩体的一端激发弹性波 而在另一端接收通过岩体传递过来的波 弹性波通过岩体传递后 其波速 波幅波频均发生改变 对于同一种激发弹性波 穿过不同的岩层后 发生的改变各不相同 这主要是由于岩体的物理力学性质不同引起的 因此 弹性波在岩体中的传播特征就反映了岩体的物理力学性质 如动弹性模量 岩体强度 完整性或破碎程度 密实度等 因此 可以进一步判别围岩的工程性质 岩体的结构特征 并对围岩进行工程分类 五 围岩的弹性波速度 20 弹性波测试原理图 1 发射换能器2 接收换能器3 放大器4 声波发射仪5 计时装置 21 在工程测试中 普遍应用声波在岩体中传播的纵波速度来作为评价岩体物理力学性质的指标 一般有以下规律 1 岩体风化 破碎 结构面发育则波速低 衰减快 频谱复杂 2 岩体充水或应力增加则波速高 衰减小 频谱简单 3 岩体不均匀和各向异性则其波速与频谱也相应表现出不均一和各向异性 22 2 声波测试应注意的问题 1 探测区域的选择要有典型性和代表性 2 测点 测线 测孔的布置要有明确的目的性 要根据实际工程地质情况 岩体力学特性及建筑形式等进行布设 3 声波测试一般以测纵波速度 Vp 为主 但应根据实际要求 可测其横波速度 Vs 记录波幅 进行频谱分析 23 三 现场量测计划 一 量测项目的确定及量测手段的选择量测项目包括 必测项目A 选测项目B1 必测项目 指施工时必须进行的常规量测 用来判别围岩稳定及衬砌受力状态 指导设计施工的经常性量测 主要包括 洞内观察 隧道净空变形和拱顶下沉量测 浅埋隧道还应作地表沉陷量测 24 2 选测项目 指在重点和有特殊意义的隧道或区段进行补充的量测 用来判断隧道开挖过程中围岩的应力状态 支护衬砌效果 主要包括 围岩内部变形 地表沉陷 锚杆轴力和拉拔力 衬砌内力 围岩压力和围岩物理力学指标等 这类量测技术较复杂 费用较高 所以通常根据实际需要 选取部分项目进行量测 量测项目及要求见表6 2 P 132 25 3 量测手段的选择 1 一般应选择简单 可靠 耐久 成本低的量测手段 2 要求被测的物理量概念明确 量值显著 量测范围大 3 测试数据便于分析 易于实现对设计 施工的反馈 4 在通常情况下 选择机械式手段与电测式手段相结合使用 26 二 测试断面的确定1 单一的测试断面 把单项或常用的几项量测内容组成一个测试断面 以了解围岩和支护在这个断面上各部位的变化情况 这种测试断面称为单一的测试断面 2 综合测试断面 把几项量测内容有机地组合在一个测试断面里使各项量测内容 各种量测手段互相校验 综合分析测试断面的变化 这种测试断面称为综合测试断面 27 三 测点的布置测点的布置 主要是依据断面形状 围岩条件 开挖方式 支护类型等因素进行布置 在量测中 可根据具体情况决定布设数量 进行适当的调整 1 净空位移量测的测线布置由于观测断面形状 围岩条件 开挖方式的不同 测线位置 数量亦有所不同 也未作统一的规定 具体实施中可参考表6 3和图6 11 P 133 28 2 围岩内部位移测孔的布置围岩内部位移测孔布置 除应考虑地质 隧道断面形状 开挖等因素外 一般应与净空位移测线相应布设 以便使两项测试结果能够相互印证 协同分析与应用 一般每100 500m设一个量测断面 测孔布置见图6 12 P 135 3 锚杆轴力量测的布置4 喷层 衬砌 应力量测布置5 地表 地中沉降测点布置6 围岩压力量测测点布置7 声波测孔布置 29 四 量测仪器 测点 的安设与量测频率各项量测内容仪器 测点 安设 一要快 二要近快 要求在爆破开挖后24h 最好12h 内 在下一循环爆破前 完成全部埋设 并测取初读数 在安设由多项内容 多种手段组成的综合测试断面时 可把综合量测断面分为几个亚断面分开设置 只要围岩沿隧道轴线方向变化不大 基本不会影响测试结果 近 仪器 测点 埋设 要尽量靠近掌子面 要求不超过2m 有的安设在距开挖掌子面0 5m左右的断面上 观测效果更好 不过需要加强仪器保护 30 量测频率是根据变化速度 时间效应 与距工作面距离 空间效应 确定的 表6 4可作为量测频率确定的参考 P 137 量测期间的确定 在变形量小的隧道中 开挖后一个月内收敛 因变形收敛快 在变形收敛至一定值后 再以每天测一次的频率测一周时间 观察其稳定状态 在变形量大的隧道中 开挖后经两个月以上 变形仍不收敛 直至变形量收敛至一定数值后 再以每天测一次的频率测两周时间 以确认变形是否稳定 31 四 量测数据分析与反馈 量测数据反馈于设计 施工是监控的重要一环 但目前还没有形成完整的体系 当前采用的量测数据反馈设计的方法主要是定性的 也就是依据经验和理论上的推理来建立一些准则 根据量测的数据和这些准则就可修正设计支护参数和调整施工措施 32 一 地质预报地质预报就是根据地质素描来预测预报开挖面前方围岩的地质状况 以便考虑选择适当的施工方案调整各项施工措施 包括 1 直观评价洞内当前已暴露围岩的稳定状态 检验和修正初步的围岩分类 2 根据修正的围岩分类 检验初步设计的支护参数是否合理 如不恰当 予以修正 33 3 直观检验初期支护的实际工作状态 4 根据当前围岩的地质特征 推断前方一定范围内围岩的地质特征 进行地质预报 防范不良地质突然出现 5 根据地质预报 并结合对已作初期支护实际工作状态的评价 预先确定下循环的支护参数和施工措施 6 配合量测工作进行测试位置选取和量测成果的分析 34 二 净空位移分析与反馈净空位移是围岩动态的最显著表现 所以隧道工程现场量测主要以净空位移作为围岩稳定性评价及围岩状态判断的指标 一般而言 坑道开挖后 若围岩位移量小 持续时间短 其稳定性就好 若位移量大 持续时间长 其稳定性就差 1 用围岩的位移来判断其稳定状态 关键是要确定一个 判断标准 或称为收敛标准 也就是确定围岩稳定不稳定的界限 判断标准应包括三个方面 位移量 绝对和相对 位移速率 位移加速度 35 2 根据判断标准 可做如下处理 1 如果围岩位移速度不超过允许值 并且不出现蠕变趋势 那么就可以认为围岩是稳定的 初期支护是成功的 此时可考虑适当加大循环进尺 2 如果位移值超过允许值不多 并且初期支护中的喷射混凝土未出现明显开裂 一般可不予补强 3 如果位移值超过允许值较多 则应采取处理措施 比如在支护参数方面 可以增强锚杆 加钢筋网喷混凝土 加钢支撑等 施工措施方面 可以缩短从开挖到支护的时间 提前打锚杆 缩短开挖台阶长度和台阶数目 增设超前支护等 36 3 二次衬砌 内层衬砌 的施作时间 按新奥法施工原则 当围岩或围岩加初期支护基本稳定后 就可以进行二次衬砌 三 围岩内位移及松动区分析与反馈如果实测围岩的松动区超过了允许的最大松动区 则表明围岩已出现松动破坏 此时必须加强支护或调整施工措施以控制松动范围 比如加强锚杆 加长 加密或加粗 等 37 四 锚杆轴力分析与反馈根据量测锚杆测得的应变 就能算出锚杆的轴力式中 锚杆轴力 锚杆直径 锚杆的弹性模量 测试部位对称的一组应变片量得的两个应变值 38 锚杆轴力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据 根据锚杆极限强度与锚杆应力的比值 就能作出判断 锚杆轴应力越大 则K值越小 一般认为锚杆局部段的K值稍小于1是允许的 因为钢材有一定的延性 39 五 围岩压力分析与反馈由围岩压力分布曲线可知道围岩压力的大小及分布状况 围岩压力的大小与围岩位移量及支护刚度密切相关 围岩压力大 也就是作用于初期支护的压力大 这可能有两种情况 一是围岩压力大但变形量不大 这表明支护时机 尤其是支护的封底时间可能过早或支护刚度太大 可作适当调整 让围岩释放较多的应力 另一种情况是围岩压力大且变形量也很大 此时应加强支护 限制围岩变形 控制围岩压力的增长 当测得的围岩压力很小但变形量很大时 则应考虑可能会出现围岩失稳 40 六 喷层应力分析与反馈喷层应力是指切向应力 因为喷层的径向应力总是不大的 喷层应力与围岩压力及位移有密切关系 喷层应力大的原因有