华科地下工程隧道施工监控量测

1、隧道施工监控量测第一节 概述一、施工监控量测的目的二、量测项目与内容一、施工监控量测的目的（1）确保安全。保证隧道以及隧道邻近的和覆盖表处结构的安全，为此需要掌握围岩和支护状态，进行动态管理，根据量测信息反馈及预测预报，预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。（2）指导施工。量测数据经过分析处理，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，评价围岩、支护结构以及承重结构的受力性能；评价及确定不同地质条件下合理的开挖方法、支护结构形式，指导施工顺序和施作二次衬砌时间。（3）修正设计。根据隧道开挖后所获得的量测信息，进行综合分析，与计算分析结果相比较，修正支护参数和检验施工与设计，修正及补充计算分析中采

2、用的参数、计算模型及计算方法。（4）积累资料。通过监控数据，反验预设计或动态设计水平，检查施工质量，总结经验，积累资料。已有工程的量测结果可以直接应用到后续同类围岩中或者间接地应用到其他类似工程中，作为设计和施工的参考资料。量测方案的确定主要包括以下内容：（1）确定观察点及观察范围。（2）确定量测内容。主要包括：位移量测、应力量测、承载力量测。（3）确定量测时间。（4）确定观察频率。根据变形速度及受力状态确定采集观察点数据的时间间隔。 量测结果通常用曲线或表格的方式进行数据处理，并建立观测法定档案，并保存。二、量测项目与内容 1 地质和支护状态现场观察 开挖面附近的围岩稳定性；围岩结构情况；支

3、护变形与稳定情况；校核围岩分类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；围岩与支护和各种支护间的接触应力4、压力测试支护上的围岩压力；渗水压力。5、位移测试围岩位移（含地表沉降）；支护结构位移；围岩与支护倾斜度。6、温度测试岩体（围岩）温度；洞内温度；）气温。7、物理探测（1）弹性波（声波）测试：波速度vp、横波速度vs、动弹性模量Ed、动泊松比；）视电阻率测试视电阻率ps。 以上监测项目，一般分为应测项目和选测项目。应测项目是现场量测的核心，它是设计、施工所必要进行的经常性量测。选测项目是由于

4、不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测要取得的数据类型而选择的测试项目。第二节位移测量1.断面相对位移量测2.拱顶下沉量测3.地表位移测量4.围岩内部位移量测1.断面相对位移量测隧道内壁面两点方向的位移之和称为“收敛”，断面相对位移量测也称为“收敛量测”。收敛量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的隧道监控量测项目。（一）量测目的（1）根据变形速率判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机。（2）根据相对位移量测结果评价及确定支护结构形式，指导现场施工。（二）量测仪器目前常用的收敛计为机械式收敛计和数显式收敛计。 现场位移量测常用收敛计性能与特点编号名称主要技术性能主要特点1QJ-81

5、型坑道周边收敛计球铰弹簧式，最小读数0.01mm，量测精度0.06mm可靠、方便、精度高2JSS30A型数显收敛计挂钩弹簧式，最小读数0.01mm，量测精度0.06mm可靠、方便、精度高3SWJ-IV型隧道周边收敛计球铰弹簧式，最小读数0.01mm，量测精度0.06mm可靠、方便、精度高（三）量测设计 收敛量测设计包括仪器选择、断面间距、量测频率、测线布置、量测点埋设时间等内容。设计依据为地质条件、地压分布、隧道埋深、开挖方法、施工进度、断面收敛速度等因素。 QJ-81型球铰连接弹簧式收敛计 1、量测断面间距 断面位移、拱顶下沉的测试断面间距隧道条件量测断面间距（m）围岩类别量测断面间距（m）

6、洞口附近10510埋深小于2B（B为隧道开挖宽度）101030施工进展200m前20（土砂围岩减小到10m）3050施工进展200m后30（土砂围岩减小到10m）2、收敛量测的测线布置断面位移量测的侧线数开挖方法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选测项目量测位置全断面开挖一条水平侧线三条或五条三条或五条七条短台阶法二条水平侧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侧线每台阶三条每台阶三条每台阶三条每台阶三条注：B为隧道开挖宽度。 断面相对位移量测的布置方式3、量测频率按位移速度按距开挖面距离位移速度（mm/d）量测频率量测断面距开挖面距离（m）

7、量测频率 52次/d（01）B2次/d511次/d（12）B1次/d10.51次/23d（25）B1次/23d0.50.21次/3d5B1次/7d0.21次/7d注：B为隧道开挖宽度。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%注：B开挖洞室最大跨度（m）2.拱顶下沉量测 隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下

8、沉速度。 （一）量测方法 对于浅埋隧道，可由地面钻孔，使用挠度计或其他仪表测定拱顶相对地面不动点的位移值。对于深埋隧道，可在拱顶布设固定测点，将钢尺或收敛计挂在拱顶测点上，读钢尺读数，后视点可设在稳定衬砌上，读标尺读数，用水平仪进行观测。（二）量测要求（1）工程基准点应设在距离观测点3倍洞径以外的稳定点处。（2）拱顶下沉量测断面间距、量测频率、初读数的量测要求和收敛量测要求一样。（3）每个断面布置13个测点，测点设在拱顶或其附近。（4）量测精度为1mm。（5）量测时间应延续到拱顶下沉稳定后。一般来说，拱顶下沉量的历时变化在开挖后大致呈直线增加，一直到距开挖面约13倍隧道直径处之后下沉发展变慢、

9、坡率变缓、渐近稳定。如果有底鼓时，可按拱顶下沉法量测。3.地表位移测量（一）量测目的（1）地表下沉范围、量值；（2）地表及地址下沉随工作面推进的规律；（3）地表及地中下沉稳定的时间。（二）量测仪器及方法 地表位移测量又称“标高水准面测量”，即通过测量地表观察点在开挖隧道前后标高的变化，来确定观察点产生的下沉位移。一般用精密水准仪量测，量测精度1mm。地表沉降量测区间 地表下沉量测范围及测点布置 水准面测量需先在地表处确定测点，在测点处用混凝土将钢钉桩固定，当地表有建筑物时，测桩也可固定在建筑物的某一高度处，测点的布置需根据情况而定，测点太少，则结果的准确度低，测点过多，则观测任务大。（三）量测

10、间隔与量测频率 对于土砂、软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉量测，沿隧道纵向布置测点的间距可视地质、覆盖层厚度、施工方法和周围建筑物的情况确定。其量测断面间距可按表选用。 地表下沉测试断面间距 地表下沉量测应从开挖工作面前方，隧道埋深与开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。覆盖层厚度H测点间距（m）H2B20502BHB1020HB510注：（1）当施工初期、地质变化大、下沉量大、周围有建筑物时取最低值；（2）B为隧道开挖宽度。4.围岩内部位移量测（一）量测目的（1）判别浅埋、偏压和强构造岩体中隧道围岩稳定性和支护效果，确保施工安全和工程质量；（2）判别隧道围岩松弛范围，优化

11、锚杆设计参数。（二）量测仪器 围岩位移量测的仪器，主要使用多点位移计。从目前国内外对围岩内部位移（地中位移）量测的现状来看，多点位移计根据测点锚固方式可分为弦式（钻孔伸长计、引伸计）和杆式（杆式多点位移计）两类；根据数据方式可分为机械式（百分表、数显百分表、游标卡尺）和电测式（差动电阻式、电感式、振弦式等）。机械式位移计电阻式多点位移计（三）围岩内部位移量测1、量测断面选择 量测断面应设在代表性的地质地段。在一般围岩条件下（深埋均质岩体），每隔200500m设一个量测断面比较适宜。在这同一量测断面上，周边位移、围岩压力、喷射混凝土应力、锚杆轴力、钢架应力等项量测，均可同时进行。在浅埋、偏压和强

12、构造不均质岩体中，围岩内部位移量测断面应与净空收敛断面同步进行。2、测点布置 一般情况在隧道两侧跨度最大的部位进行围岩内部位移测试，同净空收敛量测布置在同一断面。 为了测试全断面围岩松弛范围，可在拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚和两侧边墙等7个部位埋设围岩内部位移量测元件。3、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100500m设一个量测断面，测孔布置见图10-9所示。围岩内部位移测孔布置4、量测频率量测频率与同一断面其他项目量测频率相同。（四）量测数据整理通过对量测数

13、据整理分析，绘制：（1）孔内各测点（L1、L2）位移（u）时间（t）关系曲线。（2）不同时间（t1、t2）位移（u）深度（L1、L2）关系曲线。第三节应力及应变量测1.混凝土应力量测2.锚杆内力量测3.钢支撑应力量测4.围岩压力及两层支护间压力量测1.混凝土应力量测混凝土应力量测包括以下内容：（1）喷混凝土外壳与岩石接触处的应力，又称“接触应力”；（2）喷混凝土外壳轴向及径向应力；（3）外壳以及内壳之间的应力；（4）内壳轴向及径向的应力。（一）量测仪器与方法用于量测混凝土应力的方法主要有应力（应变）计量测法、应变砖量测法。1、应力（应变）计量测法 通过钢弦频率测定仪测出应变计受力后的振动频率，

14、求应力。2、应变砖量测法 所谓应变砖，实际上是由电阻应变片，外加银箔防护作出银箔应变计，再用混凝土材料制成（50120）mm40mm25mm的长方体（外壳形如砖），由于可测出应变量故名为应变砖。2.锚杆内力量测（一）量测目的（1）了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。（2）结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限。（3）修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。（二）量测方法和仪器1、电阻应变式测力锚杆2、机械式测力锚杆3、钢弦式测力锚杆3.钢支撑应力量测 如果隧道围岩类别低于类，尤其在浅埋、偏压隧道中，早期围岩压力增长较快，需要提高初期支护的强度和刚度时，隧道开挖后常需要采用各种钢

15、支撑进行支护。一般在类围岩中常采用型钢支撑；类围岩中常采用格栅支撑。通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。量测目的（1）了解钢支撑压力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。（2）根据钢支撑的受力状态，判断围岩和支护结构的稳定性。（3）了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。4.围岩压力及两层支护间压力量测 隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，这样就会产生围岩作用于支护结构上的围岩压力。围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力

16、的测试。其目的是了解围岩压力的量值及分布状态、判断围岩和支护的稳定性、分析二次衬砌的稳定性和安全度。压力盒的布置与埋设 由于测试目的及对象不同，测试前必须根据具体情况作出观测设计，再根据观测设计来布置与埋设压力盒。埋设压力盒总的要求是：将压力传感器按测试应力的方向埋设于测试部位，接触紧密和平稳，防止滑移，不损伤压力盒及引线，并且需在上面盖一块厚68mm、直径与压力盒直径大小相等的钢板；液压式压力盒系统还应在适当部位安设管路连接头及阀门。 常见压力盒的布置方式第五节围岩声波测试 围岩声波测试，是地球无损探测方法之一，通常泛指声波（频率220kHz）和超声波（20kHz以上）测试，因目前国内岩体测

17、试中激发的弹性波频率大都在声波范围内，故一般称为声波测试。声波测试具有快速、简易、经济等特点，在地下工程测试中，被广泛地用来测定岩体物理性质（动弹性模量、岩体强度、完整性系数等），判别围岩稳定状态，提供工程围岩分类的参数。测试项目岩体可采用声波测试的项目很多，主要有：（1）质剖面检测（声波测井），用以划分岩层，了解岩层破碎情况和风化程度等；（2）岩体力学参数测定，如弹性模量、抗压强度等；（3）围岩稳定状态的分析，如测定围岩松动圈大小；（4）判定围岩的分类等级，如测定岩体波速和完整性系数等。后两者是围岩声测中的两个重要项目。测试方法 声波测试方法较多，从换能器的布置方式、波的传播方式、换能器的组

18、合形式三个方面划分： 声测孔布置 声波测孔宜布置在有代表性的部位（图10-15）。另外，还要考虑到围岩层理、节理的方向与测孔方向的关系。可采用单孔、双孔两种测试方法；或在同一部位，呈直角相互布置三个测孔，以便充分掌握围岩结构对声波测试结果的影响。声波测试孔布置示意图1、围岩松动圈的测定3、动弹性模量的测试 动弹性模量是用弹性波法求得的，在无限介质条件下： （10-6）或 （10-7）式中 、 分别为纵波波速和横波波速。在有限介质条件下：（1）棒（ ）： ， 为细长杆的纵波波速。（2）板 ( ) ： ， 为板中的纵波速度。 21121dpEv22222342psdspsvvEvvvpvsv5 1

19、0 /3dl d2dbEvbv0.110l221deEvev4、声波速度分析与反馈 围岩的声波速度综合地反映了岩体的物理力学特征和动态变化。根据VPL曲线可以确定围岩松动区的范围，工程中应注意将此结果与围岩内位移量测资料相对照，综合分析和判断围岩的松弛情况，以便给修正支护参数和调整施工措施提高依据和指导。 如果实测围岩的松动区超过了允许的最大松动区（该允许松动区半径与允许位移量相对应），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或调整施工措施以控制松动范围。如加强锚杆（加长、加密或加粗）等，一般要求锚杆长度大于松动区范围。反之，锚杆后段的拉应力很小或出现压应力时，则可适当缩短锚杆

20、长度或缩小锚杆直径或减小锚杆数量等。第六节量测数据处理及应用1.量测数据的处理2.量测数据的应用1.量测数据的处理 量测所得的信息目前可通过理论计算（反分析）和经验方法两种途径来实现反馈。用有限元、边界元等和反分析技术结合的理论分析方法，计算结果可起到定性的作用。由于岩体结构的复杂性和多样性，在计算理论上做了近似和简化，另一方面理论计算的输入参数不易取得，理论计算分析还未达到定量标准。当前广泛采用经验方法来实现反馈。根据“经验”（包括调研及必要的理论分析）建立一套判断准则，然后根据量测结果（经过处理的）判断围岩稳定性及支护系统的可靠性，以便及时调整设计参数和进行施工决策。下面重点介绍以位移为基

21、础的判断准则和施工管理标准。（一）初期支护阶段围岩稳定性的判据和施工管理1、根据最大位移值进行施工管理按照公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）规定，隧道周边允许相对位移值见下表，结合现场量测数据，可按下表进行量测管理和指导施工。 隧道周边允许相对位移值（%）围岩类别覆盖层厚度（m） 5050300 3000.100.300.200.500.401.200.150.500.401.200.802.000.200.800.601.601.003.00注： 相对位移值是实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比； 脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值； 、类围岩可按工程

22、类比初步选定允许值范围； 本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料积累作适当修正。围岩量测数据管理等级（1）当量测位移U小于Un/3，表明围岩稳定，可用正常施工。（2）当量测围岩U大于Un/3并小于2Un/3时，表明围岩变形偏大，应密切注意围岩动向，可采取一定的加强措施，如加密、加长锚杆等。（3） 当量测位移U 大于2Un/3时，表明围岩变形很大，应立即停止掘进，并采取特殊的加固措施，如超前支护、注浆加固等。（4）当实测最大位移值或预测最大位移值不大于2Un/3时，可以认为初期支护达到基本稳定。管理等级管理位移值施工状态U Un/3可以正常施工Un/3 U 2Un/3应加强支护U 2Un/3应

23、采取特殊的措施注：U为实测位移值； Un为最大允许位移值。2、根据位移速率进行施工管理（1）当位移速率大于1mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段，应密切关注围岩动态。（2）当位移速率在10.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段。（3）当位移速率小于0.2mm/d时，表明围岩已达到基本稳定，可以进行二次衬砌作业。3、根据位移时态曲线进行施工管理（1）当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，如图10-17（a）所示，则表明围岩稳定性好，可适当减弱支护。（2）当位移速率逐渐变小，即 ，时态曲线趋于平缓，如图10-17（b）所示，则表明围岩变形趋于稳定，可正常施工。（3）当位移速率不变，即 ，时态

24、曲线直线上升，如图10-17（c）所示，则表明围岩变形急剧增长，无稳定趋势，应及时加强支护，必要时暂停掘进。（4）当位移速率逐步增大，即 ，时态曲线直线出线反弯点，如图10-17（d）所示，则表明围岩已处于不稳定状态，应及立即停止掘进，及时采取加固措施。22/0d u dt 22/0d u dt 22/0d u dt 位移里程曲线4、二次衬砌的施作条件（1）各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定。（2）已产生的各项位移已达预计总位移量的80%90%。（3）周边位移速率小于0.10.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.070.15mm/d。 从安全考虑，周边位移速率与拱顶下沉速度，应指不少于7d的平均值，总位移值可由回归分析计算取得。5、喷射混凝土强度判别标准 锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）规定，喷射混凝土的强度设计值见下表所列。喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20， 其抗拉强度不应低于2MPa，抗弯强度不应低于6