隧道地质超前预报及监控量测和无损检测

隧道地质超前预报及监控量测和无损检测超前地质预报及监控量测的目的地下洞室围岩监测及信息反馈，是“新奥法”要素之一，在施工中的作用主要有以下几个方面。eq\o\ac(○,1)根据监测及时发现险情并进行预报，为立即制定和实施加固措施提供信息；eq\o\ac(○,2)分析围岩变形规律，为正确指导施工提供服务；eq\o\ac(○,3)掌握围岩动态和支护结构的工作状态，提示隧道围岩变形、破坏及稳定机理，利用量测结果修改设计，提高施工的安全可靠性及经济合理性；eq\o\ac(○,4)用量测数据验证构筑物的稳定性，为工程运行、管理提供保障。隧道施工超前地质预报超前地质预报目的和方法隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察，但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。如何解决这一难题，备受世界各国隧道工程界的关注，隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。目前常见的地质超前预报方法可归为两类，一类属破坏法，另一类属非破坏法。破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法；非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的缺点。地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判断周围的岩性。地质法有可靠的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围很有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（如强烈褶皱地层）的隧道中预报的难度很大。波反射法常见的有地质雷达法。地质雷达是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术。其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强，可对隧道一定范围内进行全方位探测，能预报掌子面前方30～50m处的工程地质、水文地质条件。测试设备采用美国劳雷公司（GSSI）研制生产的SIR-20型地质雷达。地质雷达检测超前预报工作原理利用高频电磁波以宽频短脉冲的形式，在掌子面通过发射天线送入岩体，经不同的岩层界面反射回掌子面，被接收天线所接收；高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此将接收到的信号数字化，经过各种数字处理，形成直观的图像显示出来，将数据传输到计算机中，根据不同的情况，利用计算机对接收到的信号作进一步的分析和处理，便可以了解掌子面后面的岩土体的空间位置和结构状态。超前地质预报目标超前地质预报可以预测掌子面前的一些内容：如断层构造及断层破碎带，煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件，采空区状况，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。依据隧道工作面的特征，通过观测、鉴别和分析，推断工作面前方30～50米范围内可能出现的地层、岩性情况，推断掌子面的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；通过对掌子面涌水量的观测，结合岩性、构造特征，推断工作面前方30～50米范围内可能的地下水涌出的情况；并在上述推断基础上，预测工作面前方30～50米范围内的隧道围岩类别，提出准确的超前支护建议，并对施工支护提出初步建议。超前地质预报总目标是为隧道施工提供较为准确的掌子面前方30～50米范围内的具体地质状况（如溶洞、积水、软弱破碎带、暗河等情况）。在隧道施工中及时核实隧道围岩类别这项工作是伴随隧道掘进中进行的，它的任务是通过隧道中围岩工程地质特征(包括软硬岩划分、受地质构造影响程度、节理发育状况、有无软弱夹层和夹层的地质状态)、围岩结构及完整状态、地下水和地应力情况，以及隧道初步开挖后的稳定状态等资料的观测整理综合分析，依据隧道围岩类别划分标准，准确厘定围岩类别。不同的基线和测点，位移速度也不同，应以产生最大位移者来决定监测频度，整个断面内的各基线或测点应采用相同的监测频度。表2位移速度与监测频度位移速度(mm/d)151-150.5-10.2-0.5<0.2频度1-2次/d1次/d1次/2d1次/7d1次/15d监测项目的实施洞内观察：洞内观测是不借助于任何量测仪器，而用肉眼凭经验判断围岩、锚杆、衬砌和隧道安全性的最直观方法，对于个别现象和特殊情况的发现尤其重要。其目的是核对地质资料，判别围岩和支护系统的稳定性，为施工管理和工序安排提供依据，并检验支护参数。因此，监测人员在用仪器监测前，首先是细致地观察隧道内地质条件的变化情况，裂隙的发育和发展情况，渗漏水情况，观察隧道两边及顶部有无松动岩石，锚杆有无松动，喷层有无开裂。每循环爆破后进行岩性、结构面产状、节理裂隙、断层和地下水状况的描绘和记录。隧道内观察应与施工单位的工程技术人员配合进行，并及时交流信息和资料。此项工作贯穿于隧道施工的全过程，以为施工提供直观的信息。洞口地表变形观测每座隧道均应进行，测点布置和观测频率按照水平和纵向位移，监测发现位移量过大、边仰坡开裂或者变形速度无稳定趋势时要加密观测频率并及时反馈处理。地表沉降监测当隧洞的埋深小于3倍洞径时，地表沉降动态是判断周围地层稳定性的一个重要标志，其监测结果能反映隧洞开挖过程中围岩介质变形的全过程。因此，在距两洞口约60m范围内，隧洞的埋深小于40m，每个洞口布置三个地表沉降测试断面，分别距洞口约为10m、30m、60m，每个测线布置6个测点，具体间距根据断面所在埋深而定。地表沉降监测采用高精度的水准仪，精度为0.05mm。拱顶沉降监测拱顶沉降监测的作用是判断围岩稳定性及进行位移反分析，为二次衬砌的施设提供依据。还可以作为用收敛监测结果计算各点位移绝对量的验证之用。共在101个断面布置拱顶沉降测试点，每个断面布置1个测点。拱顶沉降监测采用高精度水准仪，精度为0.05mm洞周收敛其作用是监控围岩的稳定性，保证施工安全并为二次衬砌的构造、施设时间等提供依据，进行位移反分析为修改设计参数、优化结构和施工工艺提供依据，这项测试是最直观最有效的监测项目，因而是每个隧洞监测中必须而且是最重要的监测项目，共布设214个断面，每个断面布置两个三角形闭合测线。收敛监测采用Geokom公司的1600型钢带式收敛计，其量程近16m，分辨率为0.01mm。围岩内位移监测对于洞口浅埋偏压段或软岩大变形地段以及特殊结构洞身段，需进行围岩内部位移量及围岩压力量测。围岩内位移监测是通过钻孔多点位移计监测隧道围岩内沿轴向不同浓度的轴向变形，据此可分析判断隧道围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩的稳定性，以检验或修改计算模型和模型参数，同是为修改锚杆支护参数提供重要依据。测试采用由美国进口的采用注浆方式锚固的多点位移计，用频率仪测读。为了解喷射砼与围岩之间的径向压力或作用于初期支护与二次衬砌之间的接触应力，采用在二个层面之间、埋设压力盒的方法进行测试。钢支撑压力监测其目的是监控围岩的稳定性和钢支撑自身的安全性，并为二次衬砌结构的设计提供反馈信息。钢支撑压力测试采用振弦式应变计，经标定后用数字式频率仪测读。按《规范》要求，每十榀钢支撑布设一对测力计，共布设约54对测力计。此项监测根据现场情况及甲方要求可进行观测，报价中不含此项。洞周收敛和拱顶沉降、围岩位移的监测点应在距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初读数。埋设测点的砂浆均需用速凝强的双快水泥。钢支撑压力的测试元件在钢支撑设置时安装并测读初读数。地表沉降和中墙衬砌的监测点需在开挖掌子面推进到距测试断面2倍隧道直径前布设。上述超前地质预报方案及监控量测内容、测点布设和观测频率按最终业主批复的方案实施。隧道施工质量无损检测5.1隧道施工质量无损检测技术总述隧道施工质量无损检测主要是对隧道支护结构进行检测，特别是在建设施工中进行实时质量监控，将施工中存在的质量隐患排除在建设过程中，对确保工程的施工质量具有重要意义。按照招标书的要求，检测内容有：隧道初期支护（占隧道工程总长度的30％～40％主要是Ill级、IV级、V级围岩）厚度、钢拱架数量（含仰拱）、间距、初期支护背后空隙及回填状况；）；隧道衬砌厚度及现状描述；隧道背后空隙及回填状况；衬砌背后及围岩的裂隙水分布；衬砌裂纹分布及发展趋势；隧道衬砌混凝土强度。投标人结合过去隧道施工质量无损检测的实践经验，制定的质量无损检测方案包括以下要点：(1)使用声波与地质雷达两种方法进行隧道支护结构检测。(2)通过对初期支护进行无损检测，圈定出初喷与围岩层之间脱空、超挖、填充欠实、围岩富含水带的分布范围，为施工期修补措施提供准确数据；同时给出钢架数量及初喷厚度图，按设计要求评定其施工质量。(3)通过对隧道二衬（混凝土厚度）的检测，对隧道整体施工质量做出评价，为隧道运营期进行维护提供基础数据资料。(4)通过超声回弹法对隧道二衬的混凝土强度进行全面检测，弥补因混凝土试块测试数据量不足的缺点。5．2隧道施工质量无损检测技术方案(1)检测设备与方法原理检测使用的设备为美国GSSI公司生产的SIR-2000型探地雷达及其配套天线。该仪器的特点是：系统高度集成化、数字化，操作菜单化，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辩率高，具有实时数据处理和信号增强，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩色图像，其配置的天线系列化，可应用于各类地下目的物及目的层的检测与探测。探地雷达技术实质就是一种特高频电磁波发射与接收技术。通过发射天线直接向地下介质发射高频电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波，近而探测介质结构的方法。不同的介质，其电磁性质是有差异的，介电常数是不一样的，这种电磁性质的差异决定了在不同介质中，电磁波的传播速度是不一样的。电磁波在介质内传播过程中，当遇到存在电性差异的介质（如裂缝、不密实区、空洞、材质不同等）时，便发生反射，通过对接收到的电磁波进行处理，根据波形、强度、双程走时等参数推断介质体的空间位置、结构、电性特征及几何形态。(2)初期支护的检测雷达检测沿隧道上、下行线各布5条测线，使用900MHz或者500MHz天线进行检测，900MHz天线控制测深1-2米，以检测隧道初支结构可能存在的缺陷隐患及规模状况；500MHz天线控制测深2-6米，对围岩条件较差区段的地质病害进行探测，特别是对于连拱隧道中墙上方的回填部位的检测，要适当调整检测参数，以达到监控回填密实状况的要求；在检测中，将随时根据实际情况适当增加测线密度以控制异常位置，确保检测精度和准确性；同时控制隧道仰拱初期支护施工质良，根据需要布置1-2条测线。(3)二次衬砌检测雷达检测线分别沿隧道上下行线各布测线5条，拱顶、左右拱腰及左右边墙各一条，使用900MHz天线进行检测，控制深度1-2米，以检测隧道二衬结构厚度和可能存在的缺陷及规模状况，在检测中，将随时根据实际情况适当增加测线密度以控制异常位置，确保检测精度和准确性。检测之前在已知厚度部位或者与隧道衬砌材料相同的其它预制件上测定混凝土的介电常数或电磁波速度；测量时窗和采样率应根据衬砌材料的相对介电常数、电磁波速度和检测深度要求确定；数据采集采用连续测量方式，不能连续测量时可采用点测，分段连续测量时，应有大于1米的重复测量段，除特殊天线外，测量时应使天线与衬砌表面密贴。(4)隧道支护质量无损检测工作流程为确保施工质量符合设计要求，工程建设施工过程中，从隧道开挖完成初期支护开始，对支护施工各个环节采用地质雷达等检测方法对其施工质量进行跟踪监控，对发现的质量缺陷要求施工单位进行针对性的处理，直至复检合格后方可进入下一工序。隧道施工质量动态监控检测流程如下图：(5)提交成果隧道支护（特别是初期支护）的质量检测工作与施工工序紧密相关，为配合施工进度的需要，在接到报检要求后，三天内完成检测任务并提交检测中间结果，隧道衬砌结构全部完工后，检测工作完成后15天内提交最终检测报告。内容包括：①隧道无损检测报告说明书；开挖开挖初期支护雷达检测二次衬砌雷达检测竣工竣工验收质量评估初期支护专项质量无损检测报告二次衬砌专项质量无损检测报告是否否质量无损检测中间成果质量无损检测中间成果缺陷处理加固处理②隧道支护结构缺陷检测结果图；③隧道衬砌厚度检测结果图；④隧道钢支撑分布图；⑤隧道支护结构缺陷处理检测成果图。超前地质预报和监测量测监测数据分析和整理应及时收集、整理、提交超前地质预报、监控量测的主要成果，对监测成果进行如下处理：eq\o\ac(○,1)将各种监测数据相互印证，以确认监测结果的可靠性。eq\o\ac(○,2)根据监测数据，绘制变形与监测时间过程曲线，对最终值或变化速率进行预测预报，可直观地评价监测断面附近的围岩稳定和变形特征，进行地质灾害预报与评价；eq\o\ac(○,3)绘制变形速率与监测时间曲线，可提供围岩的稳定和二次支护的实施时间；eq\o\ac(○,4)采用数学方法对原始监测数据进行处理，计算最终变形；绘制相对收敛曲线，并根据有关规范评价围岩稳定性，在进行反分析的基础上进一步了解该区域的初始应力场和岩体变形模量。eq\o\ac(○,5)采用平面有限元方法分析不同围岩类型条件下隧道开挖与支护方法。探求围岩变形或应力状态的空间分布规律，了解围岩稳定性特征，以便提供反馈，合理地设计支护系统。由于岩体的流变特性，岩体破坏前的变形曲线可以分成三个区段，（1）基本稳定区，主要标志是变形速率不断下降，即变形加速度小于0；（2）过渡区，变形加速度长时间保持不变，即变形加度等于0；（3）破坏区，变形速率渐增，即变形加速度大于0。相应地，现场监测到的位移--时间曲线也可能呈现出以上三种形态，对于隧洞开挖后在洞内测得的位移曲线，如果始终保持变形加速度小于0，则围岩是稳定的；如果位移曲线随即出现变形加速度等于0的情况，亦即变形速度不再继续下降，则说明围岩进入“定常蠕变”状态，须发出警告，及时加强支护系统；一旦位移出现变形加速度大于0的情况，则表示已进入危险状态，须立即停工，进行加固。根据该方法判断围岩的稳定性，应区分由于分布开挖时围岩中随分步开挖进度而随时间释放的弹塑性位移的突然增加，使位移时间曲线上呈现位移速率加速，由于这是由隧洞开挖引起，所以不预示着围岩进入破坏阶段。在隧洞施工险情预报中，应同时考虑收敛或变形速度，相对收敛量或变形量及位移--时间曲线，结合观察到的洞周围岩喷射混凝土和衬砌的表面状况等综合因素作出预报。隧洞位移或变形速率的骤然增加往往是围岩破坏、衬砌开裂的前兆，当位移或变形速率的骤然增加报警后，为了控制隧洞变形的进一步发展，可采取停止掘进、补打锚杆、挂钢筋网、补喷混凝土加固等施工措施，待变形趋于正常后才可继续开挖。从理论上说，设计合理的、可靠的支护系统，应该是一切表征围岩与支护系统力学形态的物理量随时间而渐趋稳定，反之，如果测得表征围岩或支护系统力学形态特点的某几种或某一种物理量，其变化随