铁路隧道监控量测要点 PPT课件

1 铁路隧道监控量测要点 中铁XXXXXX集团有限公司二O一四年三月五日 2 一 监控量测是喷锚构筑法施工的重要内容 1 岩体是隧道结构体系中的主要承载单元 在施工中必须充分保护岩体 尽量减少对它的扰动 避免过度破坏岩体的强度 2 充分发挥岩体的承载能力 允许并控制岩体的变形 3 改善支护结构的受力性能 施工中尽快闭合 而成为封闭的环形结构 隧道断面形状应尽可能圆顺 以避免拐角处的应力集中 3 4 量测工作的特殊性5 二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的 围岩和支护结构形成一个整体 因而提高了支护体系的安全度 由上所述 可总结 围岩是载物体 是承载结构 围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体 是一个力学体系 隧道的开挖和支护是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务 基本要点可概括为 少扰动 早喷锚 勤量测 紧封闭 4 设计 施工 监测一条龙作业方式 工程地质调查与相关实验 工程开挖与支护设计 施工与监测 是否稳定 返回 5 支护中的几个现象 每一个开挖步骤都可引起围岩中的一次调整 所以每一个步骤的影响是好是坏 要作评估 洞形可以影响一开挖就形成的自承体系的形态 自承体系形态好 调整得就快 所以开挖的洞形是能促进围岩自承体系的手段之一 开挖速度体现在4维中的t这一坐标 要考虑到围岩自承体系产生和调整需要时间 6 开挖断面附近 在刚开挖时松弛带一般还有自稳能力 此时还有掌子面的支撑 产生桥跨作用 此时如及时支护对巩固松弛带的作用很大 对于中小跨度的隧道和地下工程 加固松弛带 尤其是加固松弛带的最外层 能起到保护自承体系的作用 浅埋情况 自承体系不完整 浅埋土质隧道 由于自承体系不完整 拱部以上土体靠原生结构 靠土 砂的粘滞性和摩擦维持 7 二 监控量测目的与作用 目的 确保施工安全及结构的长期稳定性 验证支护结构效果 确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据 确定二次衬砌施做时间 监控工程对周围环境影响 积累量测数据 为信息化设计与施工提供依据 8 作用 监控量测是保证施工安全的主要方法监控量测是设计施工优化的主要依据 监控量测是应对隧道工程不确定性的重要方法 监控量测是积累工程资料的重要手段 9 初始调查编制实施性监控计划 应按规程要求 结合隧道设计 工程地质条件编制实施性监测计划 必须经业主 监理审查批准后方可实施 测点布设及取得初始监测值现场监测提交监测结果资料报送编写总结报告 三 监控量测的一般程序 10 监控量测一般流程图 11 1 现场情况的调查 施工前对隧道工程的地质条件 地下水状况及施工影响区域内的周边环境进行初始调查 掌握工程特点和难点 为监控量工作的顺利开展做好准备 12 2 监测方案制定 1 现场监控量测小组按照监控量测设计的要求 结合初始调查结果编制实施方案 经业主 监理审查批准后实施 2 确定监测项目 仪器 测点布置原则 量测频率 数据处理 反馈方法 组织机构及管理体系 并在施工的全过程中认真实施 13 3 监控量测项目 1 监控量测必测项目 14 2 监控量测选测项目 15 1 浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设 地表沉降测点和隧道内测点应布置在同一断面里程 一般条件下 地表沉降测点纵向间距应按表4 1的要求布置 2 地表沉降测点横向间距为2 5m 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H0 B 地表有控制性建 构 筑物时 量测范围应适当加宽 其测点布置如图4 1所示 4 监控量测断面及测点布置原则 16 表4 1地表沉降测点纵向间距 注 H 为隧道埋深 B为隧道开挖宽度 17 地表沉降横向测点布置示意图 18 3 水平相对净空变化及拱顶下沉量测 拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上 监控量测断面按表4 2的要求布置 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 参照图4 2布置 净空变化量测测线数 可参照表4 3 图4 2布置 19 水平相对净空变化量测测线的布置应根据施工方法 地质条件 量测断面所在位置 隧道埋置深度的条件确定 在地质条件良好 采用全断面开挖方式时 可设一条水平测线 轨顶面上3 0m左右 当采用台阶开挖方式时 可在拱腰和边墙部位各设一条水平测线 俗称两线5点法 三台阶七步法应沿上台阶面 中台阶面 轨顶标高处各设一条水平测线 俗称三线7点法 拱顶量测 前视测点必须埋设在稳定岩面上 并和洞内水准基点建立联系 20 表4 2拱顶下沉量测断面间距 21 表4 3净空变化量测测线数 22 图4 2拱顶下沉量测和净空变化量测的测线布置示意图 a 拱顶测点和1条水平线示例 b 拱顶测点和2条水平线 2条斜测线示例 c CD或CRD法拱顶测点和测线示例 d 双侧壁导坑法拱顶测点和测线示例 23 5监控量测频率 必测项目的监控量测频率应根据测点距开挖面的距离及位移速度分别按表5 1和表5 2确定 由位移速度决定的监控量测频率和由距开挖面的距离决定的监控量测频率之中 原则上采用较高的频率值 出现异常情况或不良地质时 应增大监控量测频率 24 表5 1按距开挖面距离确定的监控量测频率 注 B为隧道开挖宽度 25 表5 2按位移速度确定的监控量测频率 26 6监控量测控制基准 1 最大位移判断法位移控制基准及管理等级划分见表6 1 表6 2 位移控制基准表 变形管理等级表 通过对监测结果的比较和分析来判定支护结构的稳定性和安全性 并指导施工 隧道初期支护极限相对位移可参照表6 3 表6 4和表6 5选用 27 表6 1位移控制基准 注 B为隧道开挖宽度 U 为极限相对位移值 28 表6 2位移管理等级 注 U为实测位移值 29 表6 3跨度B 7m隧道初期支护极限相对位移 30 注 本表适用于复合式衬砌的初期支护 硬质围岩隧道取表中较小值 软质围岩隧道取表中较大值 表列数值可在施工中通过实测资料积累作适当修正 拱脚水平相对净空变化指两拱脚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 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极限值乘以1 2 1 3后采用 31 表6 4跨度7m B 12m隧道初期支护极限相对位移 32 注 本表适用于复合式衬砌的初期支护 硬质围岩隧道取表中较小值 软质围岩隧道取表中较大值 表列数值可以在施工中通过实测资料积累作适当的修正 拱脚水平相对净空变化指拱脚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 初期支护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极限值乘以1 1 1 2后采用 33 表6 5跨度 12m隧道周边允许位移相对值参考表 注 周边位移相对值系指两测点间实测位移累计值与两测点距离比 两测点间的位移值也称为变化值 脆性围岩取表中较小值 塑性围岩取表中较大值 对于跨度大于12m的铁路隧道 目前还没有统一的位移判定基准 表4 3取自 锚杆喷混凝土支护技术规范 GB50086 2001 对隧道周边允许位移相对值的规定 34 在隧道开挖过程中 如果隧道的实测最大位移超过极限位移 隧道很可能发生失稳破坏 事实上 由于隧道及地下工程地质条件 环境条件 开挖方式 支护形式复杂多变 极限位移的精确确定是十分困难的 因此采用实测最大位移和极限位移比较就难以操作 一般情况下 设计图纸或有关规范给出了隧道初期支护的预留变形量 为了确保围岩和初期支护不侵入二次衬砌空间 并保证二次衬砌以后 隧道建筑限界准确 可将隧道的设计预留变形量作为极限位移进行控制 同时 设计预留变形量应根据前期的监测成果 在施工过程中不断修正 35 故表6 22B范围内可简化为下表 注 U 实测位移值 U0 隧道的极限相对位移 36 2 位移变化速率判断法 净空变化速率持续大于1 0mm d时 围岩处于急剧变形状态 应加强初期支护系统 净空变化速率持续在0 2 1 0mm d时 应加强观察 做好加固围岩的准备 当净空变化速率小于0 2mm d时 围岩达到基本稳定 在高地应力 岩溶地层和挤压性围岩等不良地质中 应根据具体情况制订判断标准 防止结构突然失稳或破坏 37 通过国内下坑 金家岩 大瑶山 军都山 云台山 五指山 圆梁山等几十座隧道的位移观测表明 变形速率是由大变小的递减过程 变形时程曲线可分为三个阶段 变形急剧增长阶段 变形速率大于1 0mm d时 变形缓慢增长阶段 变形速率1 0 2mm d时 基本稳定阶段 变形速率小于0 2mm d时 上述变形速率标准是针对一般隧道净空变形和拱顶下沉量测 对于高地应力 岩溶 膨胀性 挤压性围岩等 应根据具体情况制订专门标准进行判定 38 3 位移速率变化趋势来判断 当围岩位移速率不断下降时 围岩趋于稳定状态 当围岩位移速率保持不变时 围岩不稳定 应加强支护 当围岩位移速率不断上升时 围岩进入危险状态 必须立即停止掘进 采取措施 39 40 41 7监控量测方法 现场监控量测应由施工单位负责组织实施 现场监控量测应根据已批准的监控量测实施细则进行测点埋设 日常量测和数据处理 及时反馈信息 并根据地质条件的变化和施工异常情况 及时调整监控量测计划 现场监控量测方法应简单 可靠 经济 实用 42 1 监控量测项目的精度 方法及仪器 43 2 量测点的制作 埋设 测点的制作应根据施测工具和仪器的配置选择适当的方法 点的制作和埋设分两种 一种为围岩内预埋 20的球形元钢头 或钢筋头留十字锯缝 钢筋头外露喷射混凝土面30 50mm 另一种为 围岩内预埋三角形支架 6钢筋焊制 外露喷射混凝土面100 150mm 44 点的埋设钢筋头或钢筋三角形支架采用风钻打孔 水泥砂浆注浆后直接埋入 深度以埋入围岩内不小于0 5m左右为宜 测点不得与初支钢架焊接 测点应牢固可靠 易于识别并妥善保护 45 46 点的标识 除测点周围混凝土表面用反光红油漆圆圈标注 全站仪量测时 应设专用反光靶标 外 每一预埋测点处应统一标识 并且固定牢固 严格按建设方的要求悬挂标识牌 47 3 洞内 外观察 施工过程中应进行洞内 外观察 洞内观察可分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分 开挖工作面观察应在每次开挖后进行 及时绘制开挖工作面地质素描图 数码成像 填写开挖工作面地质状况记录表 并与勘查资料进行对比 已施工地段观察 应记录喷射混凝土 锚杆 钢架变形和二次衬砌等的工作状态 洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段 记录地表开裂 地表变形 边坡及仰坡稳定状态 地表水渗漏情况等 同时还应对地面建 构 筑物进行观察 48 4 变形监控量测 变形监控量测可采用接触量测或非接触量测方法 隧道净空变化量测可采用收敛计或全站仪进行 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 49 用收敛计进行隧道净空变化量测方法相对比较简单 即通过布设于洞室周边上两固定点 每次测出两点的净长L 求出两次量测的增量 或减量 L 即为此处净空变化值 读数时应该读三次 然后取其平均值 具体记录表格附录B 规程 50 51 52 53 54 用全站仪进行隧道净空变化量测方法包括自由设站和固定设站两种 与传统的接触量测的主要区别在于 非接触量测的测点采用一种膜片式回复反射器作为测点靶标 以取代价格昂贵的圆棱镜反射器 具有回复反射性能的膜片形如塑料胶片 其正面由均匀分布的微型棱镜和透明塑料薄膜构成 反面涂有压敏不干胶 它可以牢固地粘附在构件表面上 这种反射膜片 大小可以任意剪裁 价格低廉 55 反射模片贴在隧道测点处的预埋件上 在开挖面附近的反射模片 应采取一定的措施对其进行保护 以免施工时反射模片表面被覆盖或污染 同时施工单位应和监控量测一单位加强协调工作 保证预埋件不被碰歪和碰掉 通过对比不同时刻测点的三维坐标 x t y t z t 可获得该测点在该时段的三维位移变化量 相对于某一初始状态 在三维位移矢量监控量测时 必须保证后视基准点位置固定不动 并定期校核 以保证测量精度 与传统接触式监控量测方法相比 该方法能够获取测点更全面的三维位移数据 有利于结合现行的数值计算方法进行监控量测信息的反馈 同时具有快速 省力 数据处理自动化程度高等特点 56 全站仪非接触量测方法示意图 57 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 测点及量测方法应满足要求 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手段出现困难时 可采用全站仪量测 58 拱顶下沉量测同位移变化量测一样 都是隧道监控量测的必测项目 最能直接反映围岩和初期支护的工作状态 目前拱顶下沉量测大多数采用精密水准仪和铟钢挂尺等 拱顶下沉监控量测测点的埋设 一般在隧道拱顶轴线处设1个带钩的测桩 为了保证量测精度 常常在左右各增加一个测点 即埋设三个测点 吊挂铟钢挂尺 用精密水准仪量测隧道拱顶绝对下沉量 可用 6mm钢筋弯成三角形钩 用砂浆固定在围岩或混凝土表层 测点的大小要适中 过小 测量时不易找到 过大 爆破易被破坏 支护结构施工时要注意保护测点 一旦发现测点被埋掉 要尽快重新设置 以保证数据不中断 拱顶下沉量测示意图如下图 59 拱顶下沉量测示意图拱顶下沉量的确定比较简单 即通过测点不同时刻相对标高h 求出两次量测的差值 h 即为该点的下沉值 读数时应该读三次 然后取其平均值 拱顶下沉量测也可以用全站仪进行非接触量测 特别对于断面高度比较高的隧道 非接触量测更方便 其具体量测方法与三维位移量测方法类似 60 5 接触压力量测接触压力量测包括围岩与初期支护之间接触压力 初期支护与二次衬砌之间接触压力的量测 接触压力量测可采用振弦式传感器 传感器与接触面要求紧密接触 传感器类型的选择应与围岩和支护相适应 61 8监控量测数据分析及信息反馈 监控量测数据取得后 应及时进行校对和整理 同时应注明开挖方法和施工工序以及开挖面距监控量测点距离等信息 监控量测数据分析一般采用散点图和回归分析方法 信息反馈应以位移反馈为主 主要依据时态曲线的形态对围岩稳定性 支护结构的工作状态 对周围环境的影响程度进行判定 验证和优化设计参数 指导施工 应确保监控量测信息传递渠道畅通反馈及时有效 62 监控量测数据的计算分析包括以下内容 拱顶下沉 净空收敛的位移时态曲线 如下图 地表沉降时态曲线 63 时态散点图 64 根据现场量测数据绘制的位移 时间曲线图 在位移 时间曲线趋平缓时应进行回归分析 以推算最终位移和掌握位移变化规律回归分析主要有以下三种回归函数 65 试用每个函数进行电算 并且选用回归精度和拟合程度最高的函数作为最终回归计算 根据回归结果计算位移极值和提前确定二衬日期 66 9监控量测验收资料 监控量测验收资料应包括以下内容 监控量测设计 监控量测实施细则及批复 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 67 四 相关管理制度 1 各项目部 指挥部 必须严格施工监控量测管理 1 各项