隧道围岩监控量测技术

1、隧道围岩监控量测施工技术孟朋伟，何俊华(中铁十二局柳南二项目部) 摘 要：隧道围岩监控量测是铁路隧道设计文件的重要组成内容，也是铁路隧道施工作业中关键的重要环节。在铁路隧道工程中，隧道围岩监控量测技术获得了广泛的应用，并取得了明显的技术经济效果。隧道围岩监控量测施工技术在隧道内施工过程中，使用专用的仪器、设备，对围岩和支护结构的受力、变形进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价，以坛碰1#隧道的成功实例，确保了在隧道施工中顺利贯通。关键字：沉降观测 埋设 观测 数据分析 1、工程概况1.1 隧道设置坛碰1#隧道全长758米，进洞里程为DK721+180，出口里程为DK721+938。隧道进口位于

2、直线上，出口段位于曲线上，隧道纵坡为单面上坡，全隧坡度为11.9。本隧道级围岩230米，级围岩528米。级围岩分别是：DK721+180DK721+210、DK721+210DK721+347、DK721+497DK721+582、DK721+662DK721+782、DK721+782DK721+893、DK721+893DK721+923；级围岩分别是：DK721+347DK721+497、 DK721+582DK721+662。 1.2隧道地质情况 1.2.1 地形地貌 测区属低山丘陵地貌，海拔高程97190m，山坡自然坡度10°30°，隧道埋深5080m，地形起伏较

3、大，植被一般，测段覆土较薄。1.2.2 地质构造 隧道位于昆仑关复式背斜内，岩层层理产状变化较大，岩体节理发育，岩体被切割成块状、碎块状。 1.2.3 水文地质特征 测段内地下水以孔隙潜水。基岩裂隙水为主。受大气降水及地表水补给。地下水较发育。 1.2.4 不良地质及特殊软土 隧道不良地质为顺层。特殊为软土。 1.2.5 工程地质条件评价 隧道区覆土薄，岩层软硬不均，风化层较厚，岩层产状变化较大，倾角较缓，岩体节理发育，地表出露风化带岩体被切割成块状或碎块状，洞身地表冲沟发育，进出口及浅埋地段风化厚度大。2、隧道围岩监控量测编制依据2.1编制依据：2.1.1 铁路隧道围岩监控量测测量技术规程

4、JB 10212 2007 2.1 .1隧道设计图3、隧道围岩监控量测内容及其技术要求3.1监测项目 主要内容有：（1）周边收敛量测；（2）拱顶下沉量测；（3）地表下沉量测； 3.2 主要围岩监控量测作业3.2.1量测目的.1 周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。.2 根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度以便为二次衬砌提供合理的支护时机。.3 指导现场设计与施工。3.3量测方法3.3.1 拱顶、收敛观测方法：3.3.1.1 使用全站仪三维变形非接触式量测的方法（固定一个能反光的且能满足精度要求的靶心）量测精度为±1mm。3.3

5、.1.2每次测量前，先安置仪器，并对仪器进行调校，使仪器处于最佳状态，精确定位整平后，对仪器进行气压和温度的气象改正，按围岩监控量测参数规范要求对仪器各项参数进行调试。3 .3.1.3左站测量：安置仪器后照准目标点先进行盘左观测，观测时采用3次重复测距，记录数据后，将仪器设置盘右同样进行3.次重复测距，即每测站上分别用2个盘连续照准3次目标，然后取平均值为一次设站观测结果。即正道镜观测法取平均值。3.3.1.4右站测量：左站测量完毕后，仪器搬至右侧测站同左站测量顺序一样进行右站测量，检查左右测站同一测点的数据，若发现左右站的测得同一测点的信息相差较大，对这一测点重测。3.3.2地表沉降观测观测

6、方法：3.3.2.1地表沉降观测按照按照铁路隧道围岩监控量测技术规程基准点要在量测范围影响以外埋设。3.3.2.2地表沉降观测测点要在掌子面开挖到该测点里程前提前观测，地表沉降观测围岩监控量测采用精密水准仪、铟钢尺进行测量。3.3.2.3要经常对基准点进行校核复测。以免测量数据不真实。3.4 围岩围岩监控量测设备、人员:3.4.1设备投入见表1表1 投入仪器设备表柳南铁路柳南铁路柳南铁路柳南铁路柳南铁路3.4.2测量小组人员分工情况：3. 隧道围岩围岩监控量测是隧道施工中的一项重要工序。为了确保工程的质量，满足隧道围岩围岩监控量测开展以及安全施工需要，能够确保施工安全及结构的长期稳定性。将隧道

7、围岩监控量测作为关键工序列入现场组织。我项目部测量队特组建监控测量测小组，对测量小组人员组织情况做出人员分工，人员分工见表13.5测点埋设要求：为了满足隧道围岩围岩监控量测的测量精确，测点的埋设做出严格要求：3.5.1拱顶、收敛观测点埋设方法及要求：3. 在每次埋设观测点测量员必须对每个测点的埋设进行逐个把关，确保埋设的质量受控。3. 用电钻在设计的里程测点位置上打点，必须打入围岩内，用锚固剂锚固。3. 测点的埋设规格严格使用22钢筋,钢筋锯斜面并刻十字线。3. 必须在支护喷锚完成3小时内完成对测点的埋设工作。3.5.2地表沉降观测埋设方法及要求：3.地表沉降观测点按照铁路隧道围岩监控量测技术

8、规程设断面及位置对观测点埋设。3. 观测点用地表钻孔埋设，埋设开挖尺寸20cm×20cm×30cm。测点采用22钢筋、顶部打磨并刻十字线。测点周围用水泥砂浆固定。3. 地表沉降观测点按照铁路隧道围岩监控量测技术规程要在掌子面开挖前要提前布设。3. 6测点埋设位置：3. 6.1地表沉降观测：3. 6.1.1围岩围岩监控量测布置依据铁路隧道围岩监控量测技术规程要求：地表沉降观测与洞内收敛、拱顶观测断面里程对应，地表沉降观测从隧道中线向两边每25m设一观测点，并在开挖面前H+h1处设测点，（H为隧道埋深，h1为上半断面净高）直到开挖面后方约35B处。量测范围测点布置见图13. 6

9、.1.2地表沉降观测：根据图纸要求对DK721+180DK721+300、DK721+812DK721+923隧道浅埋地段开展地表沉降观测，观测点应在隧道开挖前布设，并与洞内测点布置在同一断面里程。图1 3. 7拱顶、收敛围岩监控量测：围岩围岩监控量测布置依据铁路隧道围岩监控量测技术规程要求：洞内收敛、拱顶观测断面级围岩监控量测点5米一组，级围岩监控量测点10米一组，三级围岩监控量测点30-50米一组。具体测点位布置见图1，具体里程布置详见表2。 表2备注：如施工过程中有围岩变更及时调整里程观测点的布置。 3. 7.1量测频率地表沉降观测、净空变化量测、拱顶下沉频率，主要依据位移速率和测点距开

10、挖面的距离而定，一般量测频率见表3、表4。元件埋设初期测试频率每天观测12次，随围岩渐趋稳定，量测次数逐渐减少，反之增加量测数。3. 7.1净空变化量测、拱顶下沉收敛量测初读数在36小时内完成，其它量测在每次开挖后12小时取得初读数，最迟不得大于24小时，且在下一循环爆破前必须完成。3. 7.2由位移速度决定的量测频率和测点距开挖面距离决定的量测频率中，原则上采用两者频率较高者。3.7.3因测点和测线不同，位移速度不同，以产生最大位移速度来决定量测频率。3.7.4当围岩达到基本稳定后，在以1次/周的量测频率23周后，可结束量测；当为挤压性围岩时，位移长期没有减缓趋势，适当延长量测时间，直到位移

11、速率0.5/d时即可结束量测。3. 7.2量测流程 围岩围岩监控量测量测流程详见图1 图1：围岩监控量测施工监控工艺图施工准备开 挖 开挖面岩性的观察 初期支护喷砼 埋入观测预埋件初期支护状况观察 初读数 拱顶下沉和净空收敛按设计频率量测绘 围岩变形趋于稳定变形曲线出现反常数据整理和计算机处理 施作二次衬砌 加强支护 3. 7.3技术要求量测数据必须准确可靠。隧道开挖后其变形和应力变化较快，必须根据施工情况快速准确的进行量测，才能掌握围岩变化的第一手资料，从而为进一步的判断和监控提供准确的资料，高精度的仪器设备和高素质的专业技术人员是必要的保证。数据处理和预测预报要快速准确。隧道监测的目的是为

12、了保证隧道施工的安全，在隧道施工中根据已有量测信息，采用回归分析等方法，对围岩的进一步变形和应力发展情况做出预测预报，可以及时发现隧道施工中隐藏的不安全因素，从而能在有效的时间内采取加固措施以避免安全事故的发生。3. 7.4监控必须及时有效、落到实处。隧道施工量测的目的是为了监控，在整个隧道施工围岩监控量测中，监控最为关键，而且监控的难度也远远大于量测。目前国内对量测方面的研究较多，然而，真正根据量测信息对隧道施工安全进行监控，并进行有效反馈和动态设计、施工的很少。花费大量人力物力获得的监测数据和信息仅仅限于低水平的应用，起不到优化设计参数和施工方法的目的。究其原因，大多现场监测人员无法对大量

13、的数据进行全面综合分析和应用。4、隧道围岩监控量测数据采集、分析与应用4.1数据稳定判定标准根据围岩监控量测结果，及时整理围岩监控量测中间成果报告并提交给业主，如发现量测数据异常及险情以异常报告或预警报告的形式向业主汇报，同时对该信息进行分析和评价，给出工程措施建议。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。当位移一时间曲线趋于平缓时，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。当位移一时间曲线出现反弯点时，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。 表11 变形管理等级管理等级管理位移施工状态U0<(1/3) Un可

14、正常施工(1/3) UnU0(2/3) Un应加强支护U0>(2/3) Un应采取特殊措施注： U0 ：实测变形值；Un ：允许变形值4.2二次衬砌施工的条件目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；项位移已达预计总位移量的80%；速率小于0.10.3mm/d，或拱顶下沉速率小于0.070.15mm/d。4.3量测数据处理与分析现场量测数据应及时进行处理，绘制成位移、应力、内力和时间的关系曲线(或散点图)，曲线的时间横座标下应注明施工工序和开挖工作面距量测断面的距离，以便更准确的进行数据的回归分析，并对隧道的受力状态作出判断。在进行数据处理过程中，对一些异常数据应根据测量误差的处理原则进行剔除

15、，并及时进行复测校正。 根据记录绘制位移u与时间t关系曲线、位移u与开挖面距离L关系曲线、位移速度v与时间t关系曲线。这三条曲线，不一定每条测线都要绘制，一般情况下有第一条即可。当位移时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，推算最终位移和掌握位移变化曲线，可选用对数、指数和双曲线函数等。根据这些函数关系可判断位移趋势值。区别位移与时间关系正常与反常曲线。其中反常曲线是指非工序变化所引起的位移急剧增长现象，此时应加密监测，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。4.2回归分析法是最常用的位移数据分析方法，根据实际监测信息，对位移可选用下列函数之一进行回归分析。对数函数，例如： U=a+b/（1

16、+t）指数函数，例如： U=a×e-（b/T）双曲函数，例如： U=T/（a+bT） 式中: 、回归常数； 测点初读数后的时间(d)； 位移值(mm)。根据回归曲线(图8)，可以掌握位移的变化规律，推算出某时刻的位移值及最终的位移值，当位移时间曲线趋于平缓时，隧道即趋于稳定。图8 围岩监控量测回归曲线4.3信息反馈与监控4.3隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小所列数值。该表所列数值是在统计和分析了国内许多隧道的量测数据后得到的，可作为应用中的依据，同时在使用过程中应根据对现场实测数据的分析及相应的数值计算等进行修正。当位移速度无明显下降，而此时实测相对位

17、移值已接近表中规定的数值，或者支护混凝土表面已出现明显裂缝时，必须立即采取补强措施，并改变施工方法或设计参数。表12 围岩稳定性判据量测项目急剧变位缓慢变位基本稳定收敛位移>1.0mm/d1.00.2mm/d<0.2mm/d单点位移>0.5mm/d0.50.1mm/d<0.1mm/d拱顶位移>1.0mm/d1.00.2mm/d<0.2mm/d4.3根据位移时间曲线判断如果位移时态曲线始终保持，说明位移速率不断下降，这是稳定的标志。当位移时间曲线出现反弯点(如图10所示)，也即位移出现反常的急剧增长现象时()，表明围岩和支护已呈不稳定状态或危险状态，应加密监测，并适当加强支护，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。5、隧道围岩监控量测管理措施5.1注意事项 标靶表面应保持清洁，避免遭混凝土沾粘，在喷混凝土施工作业区附近的贴切片应加以覆盖保护。测点位置应选择通视良好，不被风管、钢筋或其他管线所覆盖的地方，以免产生误差。5.1.2 全站仪的脚架应置于坚实的地面，避免地表沉陷产生误差。5.1.3 量测期间若有施工工具或载重车辆通过，应注意是否造成脚架倾斜或沉陷情形。须重新检查仪器水平度。若仪器产生倾斜，则应整平后重新再量测一次。5.1.4 在观测待测点时，应注意是否有两个标靶同时出现在仪器视窗内，若两标靶相邻太近可能会产生测距误差，应调整自