tA隧道施工监量测技术

1、隧道施工监控量测技术隧道施工监控量测技术 一、监控量测的目的和内容一、监控量测的目的和内容 二、监控量测方法二、监控量测方法 三、监控量测计划三、监控量测计划 四、量测数据的处理与应用四、量测数据的处理与应用 五、三维位移监测及应用五、三维位移监测及应用 主要内容主要内容表1 隧道现场监控量测项目及量测方法序号项目名称方法及工具布置1地质和支护状态观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘等开挖后及初期支护后进行2周边位移各种类型收敛计每5100m一个断面，每断面23对测点 3拱顶下沉水准仪、水准尺、钢尺或测杆每5100m一个断面 4地表下沉水准仪、水准尺每5100m一个断面，每断面至

2、少11个测点，每隧道至少2个断面。中线每520m一个测点5围岩内部位移(地表设点)地面钻孔中安设各类位移计每代表性地段一个断面，每断面35个钻孔 6围岩内部位移(洞内设点)洞内钻孔中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计每5100m一个断面，每断面211个测点 7围岩压力及两层支护间压力各种类型压力盒每代表性地段一个断面，每断面宜为1520个钻孔 8钢支撑内力及外力支柱压力计或其它测力计每10榀钢拱支撑一对测力计 9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝测量各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法每5100m一个断面，每断面宜为11个测点 10锚杆或锚索内力及抗拔力各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拔

3、计必要时进行 11围岩弹性波测试各种声波仪及配套探头在代表性地段设置 二、量测方法二、量测方法 图1 位移时间关系曲线0初期支护二次支护下台阶开挖位移时间图2 位移-开挖面距离关系曲线位移距离上、下台阶开挖锚杆喷混凝土图图3 f4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布0100200300400500600700800900ydk170+250ydk170+500ydk170+750ydk171+000里程变形/mm拱脚水平收敛墙腰水平收敛拱顶下沉ydk170+250+500+750ydk171+000f4断层+290+440+640+740主带影响带影响带里程02

4、004006008001000ydk174+500ydk175+000ydk175+500拱顶下沉拱脚水平收敛墙脚水平收敛ydk174+500ydk175+000+500+900变形/mm斜井开口ydk175+330板岩占50%80%千枚岩占60%85%兰州方向武威方向里程图图4 志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布 f7断层0100200300400500600700800ydk176+800 ydk177+000 ydk177+200 ydk177+400 ydk177+600 ydk177+800里程变形/mm拱顶下沉拱脚水平收

5、敛墙脚水平收敛ydk176+800+200+400+600+800ydk177+000变形/mm影响带主带影响带里程图图5 f7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布 图图6 最大变形速率与最大变形速率与累计变形的关系累计变形的关系umax = 4.2923upmaxr2 = 0.58821101001000100001101001000最大变形速率upmax/mm累计变形umax/mm最大变形速率/mm围岩级别围岩级别 铁路单线铁路单线(公路双车道公路双车道) 铁路双线铁路双线(公路三车道公路三车道) 规范或标准名称规范或标准名称 iii iv v vi iii

6、 iv v vi 铁路隧道设计规铁路隧道设计规范范 tb10003-2001 1030 3050 5070 70100 3050 5070 70100 设 计设 计确定确定 铁路隧道设计规铁路隧道设计规范范 tb10003-2005 1030 3050 5080 设计设计 确定确定 3050 5080 80120 设 计设 计确定确定 公路隧道设计规公路隧道设计规范范 jtg d70-2004 2050 5080 80120 现场量现场量 测确定测确定 5080 80120 120150 现 场现 场量量 测 确测 确定定 新奥法指南新奥法指南 3050 5070 5070 70100 日本新

7、奥法指南日本新奥法指南 2575 75150 150 ( 膨 胀膨 胀岩岩) 50150 150300 300 (膨胀膨胀岩岩) 标 准设计标 准设计 (专隧专隧0014) 20 40 80 120 标 准设计标 准设计 (专隧专隧0034) 50100 100150 150200 包括：包括：1.锚杆轴力监测；锚杆轴力监测；2.钢架应力监测；钢架应力监测；3.支护应力监测；支护应力监测；4.二衬混凝土应力监测二衬混凝土应力监测 系统锚杆的主要作用是限制围岩系统锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱，的松弛变形。这个限制作用的强弱，一方面受围岩地质条件的影响，另一方面受围岩地质

8、条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。通一方面取决于锚杆的工作状态。通过锚杆监测验证锚杆设计长度。过锚杆监测验证锚杆设计长度。锚杆轴力量测的布置锚杆轴力量测的布置图7-9-12 围岩内部位移测孔布置(a)三测孔(b)五测孔(c)七测孔图5 第一类支护结构试验段测试锚杆轴力分布曲线5m4m3m2m1m-13.67kn12.83kn27.23kn-32.87kn5m4m3m2m1m39.55kn-11.44kn5m4m3m2m1m70.36kn72.61kn48.53kn42.50kn40.12kn1m2m3m4m5m19.28kn26.38kn30.41kn26.85kn56.33kn55.

9、11kn1m2m3m4m5m10.81kn4.99kn15.42kn-16.50kn54.40kn9.13kn6.00kn14.78kn1m2m3m4m5m14.23kn64.25kn48.57kn11.85kn14.35kn1m2m3m4m5m73.12kn67.03kn38.30kn15.20kn52.72kn48.32kn左拱脚左边墙中左墙角右墙角右边墙中右拱脚拱顶二衬前的轴力分布曲线二衬后的轴力分布曲线二衬前的轴力峰值联合分布曲线二衬后的轴力峰值联合分布曲线32.82kn-5.99kn17.77kn15.96kn-11.67kn-14.22kn74.65kn图5 第一类支护结构试验段测

10、试锚杆轴力分布曲线5m4m3m2m1m-13.67kn12.83kn27.23kn-32.87kn5m4m3m2m1m39.55kn-11.44kn5m4m3m2m1m70.36kn72.61kn48.53kn42.50kn40.12kn1m2m3m4m5m19.28kn26.38kn30.41kn26.85kn56.33kn55.11kn1m2m3m4m5m10.81kn4.99kn15.42kn-16.50kn54.40kn9.13kn6.00kn14.78kn1m2m3m4m5m14.23kn64.25kn48.57kn11.85kn14.35kn1m2m3m4m5m73.12kn67.

11、03kn38.30kn15.20kn52.72kn48.32kn左拱脚左边墙中左墙角右墙角右边墙中右拱脚拱顶二衬前的轴力分布曲线二衬后的轴力分布曲线二衬前的轴力峰值联合分布曲线二衬后的轴力峰值联合分布曲线32.82kn-5.99kn17.77kn15.96kn-11.67kn-14.22kn74.65kn图5 第一类支护结构试验段测试锚杆轴力分布曲线5m4m3m2m1m-13.67kn12.83kn27.23kn-32.87kn5m4m3m2m1m39.55kn-11.44kn5m4m3m2m1m70.36kn72.61kn48.53kn42.50kn40.12kn1m2m3m4m5m19.2

12、8kn26.38kn30.41kn26.85kn56.33kn55.11kn1m2m3m4m5m10.81kn4.99kn15.42kn-16.50kn54.40kn9.13kn6.00kn14.78kn1m2m3m4m5m14.23kn64.25kn48.57kn11.85kn14.35kn1m2m3m4m5m73.12kn67.03kn38.30kn15.20kn52.72kn48.32kn左拱脚左边墙中左墙角右墙角右边墙中右拱脚拱顶二衬前的轴力分布曲线二衬后的轴力分布曲线二衬前的轴力峰值联合分布曲线二衬后的轴力峰值联合分布曲线32.82kn-5.99kn17.77kn15.96kn-11

13、.67kn-14.22kn74.65kn5m4m3m2m1m-13.67kn12.83kn27.23kn-32.87kn5m4m3m2m1m39.55kn-11.44kn5m4m3m2m1m70.36kn72.61kn48.53kn42.50kn40.12kn1m2m3m4m5m19.28kn26.38kn30.41kn26.85kn56.33kn55.11kn1m2m3m4m5m10.81kn4.99kn15.42kn-16.50kn54.40kn9.13kn6.00kn14.78kn1m2m3m4m5m14.23kn64.25kn48.57kn11.85kn14.35kn1m2m3m4m5

14、m73.12kn67.03kn38.30kn15.20kn52.72kn48.32kn左拱脚左边墙中左墙角右墙角右边墙中右拱脚拱顶二衬前的轴力分布曲线二衬后的轴力分布曲线二衬前的轴力峰值联合分布曲线二衬后的轴力峰值联合分布曲线32.82kn-5.99kn17.77kn15.96kn-11.67kn-14.22kn74.65kn图图3-4-9 锚杆轴力测试结果锚杆轴力测试结果锚杆拉力峰值位置分布锚杆拉力峰值位置分布2.钢架、支护、衬砌混凝土应力钢架、支护、衬砌混凝土应力拱脚收敛基线边墙收敛基线b1b2y1y2g水平收敛锚杆轴力围岩压力初支砼应力及钢架应力拱顶下沉二衬接触压力及二衬砼应力(a)变形

15、、压力、应力测点(b)三维位移测点图图6-2 椭圆形断面测点布置图椭圆形断面测点布置图表表 3-5-3 围岩压力、接触压力及支护衬砌应力量测结果围岩压力、接触压力及支护衬砌应力量测结果(mpa) 量测项目 测点 围岩压力 钢架应力 初支砼应力 二衬接触压力 二衬砼应力 拱顶 0.599 44.925 0.481 0.018 3.763 右拱腰 0.307 25.775 坏 0.048 0.586 右拱脚 0.228 171.609 10.568 0.012 1.302 右墙腰 0.244 131.520 1.479 0.023 1.353 右墙脚 0.311 90.514 -0.831 - 1

16、.539 左拱腰 0.465 21.316 1.512 0.064 2.051 左拱脚 0.357 70.958 3.623 0.074 0.596 左墙腰 0.455 44.033 -0.260 0.061 0.160 左墙脚 0.383 21.556 2.904 - 1.449 最大值 0.599 171.609 10.568 0.074 3.763 最小值 0.228 21.316 -0.831 0.012 0.160 平均值 0.372 69.134 2.435 0.043 1.422 示意图 3.围岩压力（接触压力）监测围岩压力（接触压力）监测 支护(喷射混凝土或模筑混凝土衬砌)与围

17、岩之间的接触应力大小，既反映了支护的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况，因此，围岩压力的量测就成为必要。 这种量测可采用盒式压力传感器(称压力盒)进行测试。将压力盒埋设于混凝土内的测试部位及支护围岩接触面的测试部位，则压力盒所受压力即为该部位(测点)压力。图图3-5-13右线右线dk175475断面围岩压力分布及时间曲线断面围岩压力分布及时间曲线(a)横断面分布(mpa)(b)压力时间曲线0.7220.0690.1670.1350.0950.0420.0370.000.050.100.150.208-1810-711-261-153-64-256-148-3日期初支围岩压力/mpa

18、2右拱腰3右拱脚4右墙腰5左拱腰6左拱脚7左墙腰 通过对实测支护压力终值的统计分析，可得荷载侧压力系通过对实测支护压力终值的统计分析，可得荷载侧压力系数。具体统计公式为：数。具体统计公式为： 对对f4断层的断层的2个量测断面及志留系千枚岩地层的个量测断面及志留系千枚岩地层的7个量测断个量测断面进行统计分析，得侧压力系数结果如表面进行统计分析，得侧压力系数结果如表3-5-8所示。所示。表表 3-5-8 岭岭脊脊千千枚枚岩岩地地层层实实测测侧侧压压力力系系数数结结果果汇汇总总 项目 围岩压力 接触压力 里程(ydk175) 410 465 475 200 210 290 410 450 475 侧

19、压力系数 0.721 0.620 0.378 0.576 0.450 0.928 0.985 0.335 0.761 平均值 0.573 0.673 总平均值 0.640 初期支护与二次衬砌的围岩初期支护与二次衬砌的围岩压力比例始终是隧道界讨论的压力比例始终是隧道界讨论的热点问题之一，作为热点问题之一，作为“荷载荷载结构结构”模式计算中的重要计算模式计算中的重要计算参数，它关系到二衬受力状态参数，它关系到二衬受力状态及稳定程度。及稳定程度。 根据实测初支围岩压力和二根据实测初支围岩压力和二衬接触压力进行统计分析，可衬接触压力进行统计分析，可得出实测二衬分担压力比例，得出实测二衬分担压力比例，具

20、体计算公式为：具体计算公式为： 图图3-5-17二衬分担压力比例分布二衬分担压力比例分布11.2%65.0%61.5%72.4%13.8%17.6%40.0%初支二衬三、监控量测计划三、监控量测计划(一)量测项目的确定及量测手段的选择(二)测试断面的确定(量测间隔)（三)测点的布置(四)量测仪器(测点)的安设与量测频率（五）量测数据分析与反馈表7-9-3 净空位移、拱顶下沉的测试断面间距条件量测断面间距(m)洞口附近10埋深小于2b10施工进展200m前20(土砂围岩减小到10m)施工进展200m后30(土砂围岩减小到10m)表7-9-4 地表下沉测试断面间距 覆盖层厚度h测点间距(m)h2b

21、20502bhb1020hb510 表7-9-5 净空位移量测的测线数 开挖方法地段一般地段特殊地段洞口附近埋深小于2b有膨胀压力或偏压地段实施b项量测位置全断面开挖一条水平测线 三条或五条 三条或五条七条短台阶法两条水平测线三条或六条三条或六条三条或六条三条或五条六条多台阶法每台阶一条水平测线每台阶三条每台阶三条每台阶三条每台阶三条(a)一条测线(b)两条测线(c)三条测线(e)六条测线(f)七条测线图7-9-11 净空位移测线布置(d)五条测线图7-9-13 喷层应力量测点布置(a)三测点(b)六测点(c)九测点图7-9-14格栅(钢架)应力量测点布置测点图7-9-15地表下沉量测范围及地

22、中沉降测点布置25m间隔地中沉陷计不动点倾斜计450四、量测数据分析与反馈四、量测数据分析与反馈图7-9-18 地表沉降量测区间量测区间上半上半下半下半(25)dh+h3d450hh1h2(一)围岩和支护状态评价 (1) 在洞内直观评价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，则应予修正；(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

23、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。 (二二)净空位移分析与反馈净空位移分析与反馈v表6-3-1 单线隧道初期支护极限相对位移(%)围岩级别埋深(m) 5050300300500拱脚水平相对净空变化0.200.600.100.500.400.700.601.500.200.700.502.602.403.500.301.000.803.503.005.00拱顶相对下沉0.010.050.040.080.010.040.030.110.100.250.030.070.060.150.100.600.060.120.100.600.501.20表6-3-2 双线隧道初期

24、支护极限相对位移(%) 围岩级别埋深(m) 5050300300500拱脚水平相对净空变化0.010.030.010.080.030.100.080.400.300.600.100.300.200.800.701.200.200.500.402.001.803.00拱顶相对下沉0.030.060.050.120.030.060.040.150.120.300.060.100.080.400.300.800.080.160.141.100.801.40表7-9-6 量测数据管理基准参考值指标内容日本、法国、德国规范综合值推荐基准值城市地铁山岭隧道地面最大沉陷50mm30mm60mm地面沉陷槽拐点

25、曲率1/3001/5001/300地层损失系数5%5%5%洞内边墙水平收敛2040mm20mm(0.10.2)b%洞内拱顶下沉75229mm50mm(0.30.4) b%表6-3-3 变形管理等级管理等级管理位移施工状态uu0/3可正常施工u0/3u2u0/3应加强支护u2u0/3应采取特殊措施注：u实测位移值；u0最大允许位移值。注：u实测位移值；u0最大允许位移值。表表6-2 岭脊千板岩地层区段隧道极限位移岭脊千板岩地层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm极限位移性质极限位移性质拱顶下沉拱顶下沉拱脚水平收敛拱脚水平收敛墙腰水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道50111781304初支后隧道

26、初支后隧道227710770二衬后隧道二衬后隧道228742812表表6-3 f7断层区段隧道极限位移断层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm)极限位移性质极限位移性质拱顶下沉拱顶下沉墙腰水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道400660初支后隧道初支后隧道136272二衬后隧道二衬后隧道140280表表6-4 乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准 (单位单位:mm)管理等级管理等级管理位移管理位移施工状态施工状态u150可正常施工可正常施工150u300应加强支护或二次衬砌应加强支护或二次衬砌u300停工，并及时采取加固措施停工，并及时采取加固措施注：注：u-隧道开挖后隧道

27、总变形量隧道开挖后隧道总变形量v2.根据位移速率判断v从变形曲线可分为三个阶段：v(1)变形急剧增长阶段变形速率大于1mm/d时；v(2)变形速率缓慢增长阶段变形速率10.2mm/d时；v(3)基本稳定阶段变形速率小于0.2mm/d时。3.根据位移时间曲线(位移时态曲线)形态判断v岩体破坏前变形曲线可分为三个阶段v(1)基本稳定区 v(2) 过渡区v(3) 破坏区 v变形速率逐渐增大，即 0。表明围岩已进入危险状态，须停工，进行加固。 (三)围岩内位移及松动区分析与反馈 通过声波、围岩内部位移和锚杆应力测试，综合确定围岩松动区，验证设计锚杆长度。(四)锚杆轴力分析与反馈1.锚杆轴应力超过屈服强

28、度时，净空变位值一般超过锚杆轴应力超过屈服强度时，净空变位值一般超过50mm；2.同一断面内，锚杆轴应力最大者多数在拱部同一断面内，锚杆轴应力最大者多数在拱部45附近到起附近到起拱线之间；拱线之间；3.拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现压应力的情况拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现压应力的情况是不少的。是不少的。 (五)围岩压力分析与反馈 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

29、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；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。岩变形，控制围岩压力的增长。五、三维变形（位移）监测五、三维变形（位移）监测 传统的隧道变形量测方式，主要是对洞室净空各测点间的收敛变形进行量测，所得到的资料为隧道两测点间的相对变形，对于承受偏压或受整体边坡滑动影响的隧道，在很多时候则无法反映其真正的变形情况。图1-3 隧道掘进至不同地质强度时拱顶测点的位移向量方位趋势线变化情形（a）硬岩区掘进至软岩区情况（b）软岩区掘进至硬岩区情况全站仪自由设站三维观测是指从任一观测站观测若干已知点的方向和距离，

30、通过坐标变换算出该自由测站上仪器中心的坐标，以此计算出其余点的新坐标。图3-5 f7断层、志留系地层三维变形断面测点布设示意图边墙收敛基线拱脚收敛基线拱脚收敛基线边墙收敛基线拱脚位移测点边墙位移测点拱顶位移测点断层圆形断面志留系地层椭圆形断面b1b2y1y2ggy2y1b1b2初期支护 表3-5 f7断层和千枚岩地段隧道三维位移实测最大值 单位：mm两种隧道f7断层-圆形断面志留系地层-椭圆形断面右线正洞 左线平导以千枚岩含量为主以板岩含量为主竖直位移35016030045横向位向位移907010015量测历时10天左右10天左右20天左右图5-24 f7断层位移向量

31、方位趋势线图6-19 千枚岩地层区段位移向量方位势线表1 隧道现场监控量测项目及量测方法序号项目名称方法及工具布置1地质和支护状态观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘等开挖后及初期支护后进行2周边位移各种类型收敛计每5100m一个断面，每断面23对测点 3拱顶下沉水准仪、水准尺、钢尺或测杆每5100m一个断面 4地表下沉水准仪、水准尺每5100m一个断面，每断面至少11个测点，每隧道至少2个断面。中线每520m一个测点5围岩内部位移(地表设点)地面钻孔中安设各类位移计每代表性地段一个断面，每断面35个钻孔 6围岩内部位移(洞内设点)洞内钻孔中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计每51

32、00m一个断面，每断面211个测点 7围岩压力及两层支护间压力各种类型压力盒每代表性地段一个断面，每断面宜为1520个钻孔 8钢支撑内力及外力支柱压力计或其它测力计每10榀钢拱支撑一对测力计 9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝测量各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法每5100m一个断面，每断面宜为11个测点 10锚杆或锚索内力及抗拔力各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拔计必要时进行 11围岩弹性波测试各种声波仪及配套探头在代表性地段设置 (二二)净空位移分析与反馈净空位移分析与反馈v表6-3-1 单线隧道初期支护极限相对位移(%)围岩级别埋深(m) 5050300300500拱脚水平相

33、对净空变化0.200.600.100.500.400.700.601.500.200.700.502.602.403.500.301.000.803.503.005.00拱顶相对下沉0.010.050.040.080.010.040.030.110.100.250.030.070.060.150.100.600.060.120.100.600.501.20表6-3-2 双线隧道初期支护极限相对位移(%) 围岩级别埋深(m) 5050300300500拱脚水平相对净空变化0.010.030.010.080.030.100.080.400.300.600.100.300.200.800.701.2

34、00.200.500.402.001.803.00拱顶相对下沉0.030.060.050.120.030.060.040.150.120.300.060.100.080.400.300.800.080.160.141.100.801.40表7-9-6 量测数据管理基准参考值指标内容日本、法国、德国规范综合值推荐基准值城市地铁山岭隧道地面最大沉陷50mm30mm60mm地面沉陷槽拐点曲率1/3001/5001/300地层损失系数5%5%5%洞内边墙水平收敛2040mm20mm(0.10.2)b%洞内拱顶下沉75229mm50mm(0.30.4) b%4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议表4-1 兰渝铁路隧道大变形分级控制基准(cm)（参考值）隧道类型分级指标常规变形大变形的等级单线隧道墙腰水平收敛202035355050拱顶下沉101017.517.52525双线隧道墙腰水平收敛303050507070拱顶下沉151525253535围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较小，可稳定；一