隧道监控量测技术

隧道监控量测技术第1页/共33页第一节概述隧道施工过程中使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价，统称为监控量测。

1、隧道监控量测的必要性：

⑴隧道工程作为工程建筑物，受力特点与地面工程有很大的差别。

⑵隧道在开挖支护成形运营的过程中，自始自终都存在受力状态变化这一特性。第2页/共33页2、施工监控量测的目的和任务

⑴通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性；

⑵用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据；

⑶通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然；

⑷通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间；

⑸通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提供借鉴，依据和指导作用。

第3页/共33页监控量测与反馈流程图第4页/共33页量测项目围岩种类必测项目选测项目洞内外观察净空收敛拱顶下沉地表下沉锚杆抗拔力围岩内位移锚杆轴力钢支撑应力接触压力混凝土应变洞内弹性波硬岩软岩土砂必须实施；可以实施；必要时实施第5页/共33页第二节必测项目1、隧道内目测观察细致的目测观察，对于监视围岩稳定性是既省事而作用又很大的监测方法，它可以获得与围岩稳定状态有关的直观信息，应当予以足够的重视，所以目测观察是新奥法量测中的必测项目。1）隧道目测观察的目的是：⑴预测开挖面前方的地质条件。⑵为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据。⑶根据喷层表面状态（锚杆、钢支撑工作状态），分析支护结构的可靠程度。2）观察内容：⑴掌子面地质水文条件、岩性、结构面产状、有无断层，是否偏压、围岩类别，掌子面自稳情况，地下水的影响情况等，并做好记录。⑵对初期支护效果观察包括：喷层的光洁度、喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度，喷层是否把钢支撑全部覆盖。第6页/共33页2、周边收敛量测隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。所谓周边收敛量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值为两次量测的距离之差。1）量测目的收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以达到以下目的。

⑴判断隧道空间的稳定性；

⑵根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机；

⑶指导现场的施工。第7页/共33页2）量测设计

⑴收敛量测的间距与测线必测项目量测断面间距和每断面测点数量

围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉Ⅴ～Ⅵ5～101～2条基线1～3点Ⅳ10～301条基线1点Ⅲ30～501条基线1点第8页/共33页⑵量测频率：量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离按位移速度位移速度（mm/d）量测频率≥52次/d1～51次/d0.5～11次/2～3d0.2～0.51次/3d＜0.21次/7d按距开挖面距离(注：b为隧道开挖宽度)量测断面距开挖面距离（m）量测频率(0～1)b2次/d(1～2)b1次/d(2～5)b1次/2～3d＞5b1次/7d第9页/共33页3）量测仪器目前隧道施工中常用的收敛计为机械式的收敛计和数显式收敛计。例：JSS30A型数显收敛计。第10页/共33页

4）测试原理测试中读得初始数值X0；间隔时间t后，用同样的方法可读得t时刻的值Xt，则t时刻的周边收敛值Ut即为的两次读数差。即Ut＝L0－Lt＋Xt1－Xt0式中：L0——初读数时所用尺孔刻度值；

Lt——t时刻时所用尺孔刻度值；

Xt1——t时刻时经温度修正后的读数值，Xt1＝Xt＋εt

Xt0——初读数时经温度修正后的读数值，Xt0＝X0＋εt

Xt——t时刻量测时读数值；

X0——初始t时刻读数值；

εt——温度修正值；εt＝α（T0－T）Lα——钢尺线膨胀系数；

T0——鉴定钢尺的标准温度，T0

=20℃T——每次量测时的平均气温；

L——钢尺长度。第11页/共33页第12页/共33页第13页/共33页3、拱顶下沉量测埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛量测更为重要。1）量测目的量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。

2）量测仪器

精密水准仪、全站仪第14页/共33页监控量测必测项目测点布置第15页/共33页3）量测原理第一次读数后视点读数为A1，前视读数为B1；第二次后视点读数为A2，前视读数为B2。拱顶变位计算方法如下：⑴差值计算法：钢尺和标尺均正立（即读数上小下大）。后视读数差A=A2-A1

前视读数差B=B2-B1拱顶变位值C=B-AC>0拱顶上移；C<0拱顶下沉。⑵水准计算法：通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱顶的变位值。钢尺读数上小下大，标尺读数下小上大，标尺基准点标高假定为K0。第一次拱顶标高Kd1=K0+A1+B1第二次拱顶标高Kd2=K0+A2+B2拱顶变位值C=Kd2-Kd1=A2-A1+B2-B1C>0拱顶上移；C<0拱顶下沉。第16页/共33页1、围岩内部位移量测1）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：

⑴了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。

⑵判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。

⑶根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。2）量测仪器：多点位移计3）测量原理第二节选测项目第17页/共33页第18页/共33页2、锚杆轴力量测1）量测目的⑴了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。⑵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⑶修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。第19页/共33页2）量测方法和仪器锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式和机械式两类。其中电测式又可分为电阻应变式和钢弦式。电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变（或变形），然后按有关计算方法转求应力。钢弦式则是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动频率变化，转求应力，其原理见后页所示。第20页/共33页3、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与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喷层或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。1）目的：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。2）量测仪器与原理

接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电测式测力计。目前隧道中多用电测式，弦测法原理：在传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力作用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相应地发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越低。第21页/共33页图6－14钢弦式双膜压力盒构造图1－刚性板；2－弹性板；3－传力轴；4－弦夹；5－钢弦第22页/共33页钢弦式压力盒布置图第23页/共33页4、钢支撑应力量测一般在Ⅴ、Ⅵ级围岩中常采用型钢支撑；Ⅳ级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。1）量测目的⑴了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。⑵根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。⑶了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。第24页/共33页2）量测元件目前使用较普遍的型钢支撑应力量测多采用钢弦式表面应变计，格栅支撑应力量测多采用钢弦式钢筋应力计。钢弦式表面应变计结构图

钢弦式钢筋应力计

第25页/共33页第三节量测数据处理及应用1、量测数据处理的目的由于现场量测所得的原始数据，不可避免具有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测试错误。不经过整理和数学处理的量测数据一时难以直接利用。数学处理的目的是：

⑴将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确认量测结果的可靠性；

⑵探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律、空间分布规律，判定围岩和支护系统稳定状态。2、量测数据处理的内容

⑴绘制位移、应力、应变随时间变化的曲线－时态曲线；

⑵绘制位移速率、应力速率、应变速率随时间变化的曲线；

⑶绘制位移、应力、应变随开挖面推进变化的曲线－空间曲线；

⑷绘制位移、应力、应变随围岩深度变化的曲线；

⑸绘制接触压力、支护结构应力在隧道横断面上分布图。第26页/共33页3、量测数据的应用从维护围岩稳定性和支护系统的可靠性出发，现场测试人员关心围岩变形量的大小，是否侵入隧道设计断面的限界，是否对施工人员的安全构成威胁。以便及时调整设计参数和进行施工决策。1）初期支护阶段围岩稳定性的判据和施工管理⑴根据最大位移值进行施工管理a.当量测位移U小于Un/3，表明围岩稳定，可以正常施工。b.当量测位移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、加长锚杆等措施。c.当量测位移U大于2Un/3时，表明围岩变形很大，应先停止掘进，并采取特殊的加固措施，如超前支护、注浆加固等。d.实测最大位移值或预测最大位移值不大于2Un/3时，可认为初期支护达到基本稳定。第27页/共33页围岩变形管理等级管理等级管理位移施工状态ⅢU<U0/3可正常施工ⅡU0/3≤U≤2U0/3应加强支护ⅠU>2U0/3应采取特殊措施注：U为实测位移值；U0为最大允许位移值。第28页/共33页⑵根据位移速率进行施工管理a.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。b.当位移速率在1～0.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段。c.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。第29页/共33页(3)根据位移时态曲线进行施工管理每次量测后应及时整理数据，绘制时态曲线。a.当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，表明围岩稳定性好，可适当减弱支护。b.当位移速率逐渐变小，即d2u/