铁路桥梁与隧道检测课件：隧道开挖质量检测

铁路桥梁与隧道检测隧道开挖质量检测56施工监控量测内容12超前地质预报隧道开挖质量3断面形状检测净空收敛量测4激光断面仪检测开挖断面7隧道净空断面变形检测目录Contents学习指南本章主要介绍了铁路隧道开挖过程中的一些常见问题，相关的解决手段及检测方式。在学习过程中，需要了解常见铁路隧道开挖的几种方式，超前地质预报的相关原理及检测技术，以及断面形状检测技术及要求，正确认识隧道开挖过程中常见的问题病害，掌握其检测手段及评定。1隧道开挖质量隧道开挖初步介绍超欠挖危害隧道开挖初步介绍铁路隧道的开挖方法应根据其地质条件、断面大小、施工装备、工期等条件的变化，在施工过程中进行适当的调整。其中，钻爆开挖应采用光面爆破或预裂爆破技术，控制循环进尺，减少围岩的扰动，并不对初期支护、衬砌结构和施工设备造成损伤。采用两座平行的隧道开挖时，其两个同向开挖工作面应保持合理的纵向距离；间距小的隧道，必须采取措施防止后行洞开挖对先行洞产生不良影响。隧道双向开挖接近贯通面时，两端施工应加强联系与统一指挥，当隧道两个开挖工作面距离接近15m时，必须采取一端掘进、另一端停止作业并撤走人员和机具的措施，同时在安全距离处设置禁止入内的警示标志。

全断面法采用钻爆法开挖时，主要开挖方法有全断面法、台阶法、分部法开挖等。隧道开挖初步介绍分部开挖法台阶法钻爆破法开挖方法超欠挖危害超欠挖是隧道开挖过程中的普遍现象。隧道开挖质量主要受超欠挖控制。超欠挖的好坏，需通过对开挖断面大量实测数据的统计分析，做出正确的评价。其实质是要准确地测出隧道实际开挖轮廓线，并与设计轮廓线纳入统一坐标体系中进行比较，从而十分清楚地获悉超挖或欠挖的大小和部位，及时指导下一步施工。超欠挖示意图2超前地质预报超前地质预报的重要性基本知识方法介绍超前地质预报的重要性经初步分析，这起事故发生的主要原因是当地连续降雨，事故发生地段地表雨水与地下岩腔及断层水系相通，并存有大容量承压水体，地质构造复杂。在设计和施工过程中，由于认知水平有限，工作措施不到位，未能发现不明承压水体；加之对岩层变化及实测出主要发育岩溶裂隙水超压先兆分析判断不够，未能采取有效措施。最终，当隧道岩体揭露后，岩溶水压承载失衡，导致突水突泥重大事故的发生。因此应加强隧道超前地质预报、判释工作。野三关隧道突水突泥事故图2007年8月5日凌晨1时左右，宜万铁路野三关隧道(湖北省恩施州境内)Ⅰ线DK124+602掌子面爆破后，在组织出渣过程中发生突水突泥事故，一个半小时内突水量15.1万立方米，泥石量5.35万立方米，正在隧道中作业的52名施工人员被困。事故共造成2人死亡，7人失踪。基本知识（1）地层岩性预报。（2）地质构造预报。（3）不良地质条件预报。（4）地下水状况。（5）对围岩级别变化的判断。（1）考虑工作面坍塌、找顶不彻底、高出作业台（支）架失稳、安全防护失效、突水突泥等主要危险源及危害因素。（2）对处于复杂区域地质条件下的隧道，应根据区域地质勘测资料，选择以钻探法为主，结合物探法、地质调查法的多种不同原理的预测预报方法，并对所测得的资料进行综合分析，相互补充，相互印证，从而提高预报准确率。主要内容注意事项方法介绍根据隧道已有勘察资料，利用地质罗盘、地质锤、放大镜、数码相机或摄像机等工具，通过踏勘、现场调查，开展地表补充地质调查和隧道内地质素描，经过地层层序对比，以及地层分界线与构造线在地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，推测开挖掌子面前方可能揭示的地质情况的一种超前地质预报方法。地质调查法方法介绍隧道地表补充地质调查隧道内地质素描超前钻探法方法介绍超前地质钻探是在掌子面钻若干个深孔或根据需要钻探取芯，并对钻孔进行地质编录的一种超前地质预报方法。它能直观、精确地探测开挖面前方30～50m范围的地层岩性界面、较大节理与构造、富水带、溶蚀通道及地下水等，判断不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度。在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。超前钻探法方法介绍物探法包括弹性波反射法、电磁波反射法（地质雷达探测法）、高分辨率直流电法、瞬变电磁法、红外探测法等。其中弹性波反射法是目前最常用的为地震波反射法。物探法方法介绍1）弹性波反射法（地震波反射法）探测原理：探测仪器：隧道地震波反射法通常采用TGP或TSP隧道超前地质预报系统，由主机、检波器（探头）、信号线及后处理软件组成。物探法方法介绍2）电磁波反射法电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达法(GroundPenetratingRadar,GPR)。地质雷达波形图像示例物探法方法介绍3）高分辨率直流电法高分辨率直流电法探测示例高分辨率直流电法是以岩石的电性差异（电阻率差异）为基础，电流通过布置在隧道内的供电电极时，在围岩中建立起全空间稳定电场，通过研究地下电场的分布规律，并根据视电阻率分布图预报开挖工作面前方储水、导水构造分布和发育情况的一种直流电法探测技术。物探法方法介绍4）瞬变电磁法瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod,TEM)是一种时间域的电磁探测方法。瞬变电磁法每次有效预报距离宜为100m左右，且由于采用该方法进行预报时会存在20m以上的盲区，因此连续预报时宜重叠30m以上。瞬变电磁法成果图物探法方法介绍5）红外探测法红外探测法是采用专用的红外探水仪，根据红外辐射原理，即一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理，通过接收和分析红外辐射信号，探测局部地温异常现象，判断地下脉状流、脉状含水带、隐伏含水体等所在的位置进行超前地质预报的一种物探方法。红外探测法适用于定性判断探测点前方有无水体存在及其方位，不能定量给出水量等数据。红外探测法有效预报距离宜在30m以内，连续预报时前后两次重叠长度宜在5m以上。物探法方法介绍超前导坑预报法是将超前导坑中揭示的地质情况，通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方法。根据超前导坑揭露的地质情况推测隧道未开挖地段地质条件，根据分析预报结果，按1:500~1:100比例绘制超前导坑地质与隧道地质关系平面简图、导坑工程地质纵断面图，以及1:200~1:100地质横断面图。超前导坑示意图超前导坑预报法方法介绍对于断层、岩溶、煤层瓦斯等各种不良地质条件，宜综合运用上述两种或两种以上方法进行预报，综合分析，以达到长短结合、取长补短、相互印证、提高预报准确性的目的。综合超前地质预报法方法介绍预报方法优势劣势备注地质调查法设备简单，操作方便，预报效率高，效果好容易造成漏报，操作人员专业要求较高—超前钻探法具有更好的直观性、客观性费用高，占用施工时间长；复杂地质下难以预测小断层及大节理。—物探法地震波反射法适用范围广，预报距离长，施工扰动小受弹性波波速影响，对小型溶洞反映不明显物探法速度快，效率高，操作简单，利用不同物探方法的特性可进行长、中、短距离及各种地质条件下隧道的超前地质预报，但宜与其他预报方法结合使用。电磁波反射法分辨率高，快速无损，可连续检测实时显示探测距离短，探测受金属构件影响较大高分辨率直流电法可探测地下水的位置及含水量有效预报距离不宜超过80m瞬变电磁法无地形影响，找出低阻抗区首选有效预报距离为100m左右，且存在20m以上盲区红外探测法能探测前方水体及其方位不能探测水量及水压，受外界影响较大超前导坑预报法直接准确；可为施工增加作业面费用高昂，在构造复杂地区准确度不高—综合超前地质预报法综合分析，适用于各种地质条件——超前地质预报法对比4断面形状检测基本知识隧道开挖断面检测目前最常用的方法为极坐标法，其代表设备为隧道激光断面仪。断面仪法精度高、速度快、效率高，是一种非接触式测量方法。另外，也可采用以内模为参照物直接测量法、使用激光束的方法和使用投影机的方法。基本知识测定方法及采用的测定仪测定方法概要直接量测开挖断面方法以内模为参照物直接测量法以内模为参照物，用钢尺直接测量超欠挖使用激光束的方法利用激光射线在开挖面上定出基点，并由该点实测开挖断面使用投影机的方法利用投影机将基点或隧道基本形状投影在开挖面上，然后据此实测开挖断面非接触观测法极坐标法（断面仪法）以某物理方向（如水平方向）为起算方向，按一定间距（角度或距离）依次测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线交点之间的矢径（距离）及该矢径与水平方向的夹角，将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线3激光断面仪检测开挖断面测量原理测量仪器断面仪测量原理图断面仪输出效果图形测量原理激光断面仪采用极坐标法。如图1所示，以某物理方向（如水平方向）为起算方向，按一定间距（角度或距离）依次测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线交点之间的矢径（距离）及该矢径与水平方向的夹角，将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线。通过洞内的施工控制导线可以获得断面仪的定点定向数据，在计算软件的帮助下可自动完成实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的空间三维匹配，最后形成图2所示的输出图形，并可输出各测点与相应设计开挖轮廓线之间的超欠挖值（距离、面积）。BJSD系列激光隧道多功能断面检测仪测量仪器激光断面仪是把现代激光测距和计算机技术相结合开发出来的硬件、软件一体化的隧道断面测量仪器。下面以国内开发生产的BJSD系列激光隧道多功能断面检测仪为例进行简要介绍。测量仪器1）仪器组成及特点仪器组成断面仪由检测主机、测量控制器（掌上电脑）、三脚架、软件等部分组成。仪器特点①检测精度高，测量数据记录简洁，自动记录，存储空间大。②无须交流供电，使用充电电池供电，携带方便，符合现场使用条件。③现场无须携带笔记本，掌上电脑操作方便，软件功能强大，操作简便，采用全中文界面，支持多种操作系统。④断面仪可现场显现被测断面图形。测量仪器2)主要技术指标检测半径：1～45m。检测点数：自动检测，一般为35个点—断面。测距精度：优于±1mm。测角精度：优于0.01°。方位角范围：30°～330°（仪器测头垂直向下为0°)，连续测量60°～300°。手动测头转动方位角范围：0°～350°。定位测量方式：具有垂直向下激光定心标志、测距功能。测量仪器3)测量方式隧道断面检测仪需全站仪配合，其测量方式有以下几种：手动检测方法。由操作者控制移动检测指示光标随意进行测量和记录。定点检测法。可设置起止角度及测量点数等参数，仪器将按照所定参数自动测量并记录。自动量测法。仪器依照内部设定的间隔，自动检测并记录数据。5施工监控量测内容基本知识铁路隧道监控量测必测项目基本知识监控量测的内容较多，通常分为必测量测项目和选测量测项目两类。必测量测项目:是施工过程中的经常性量测项目，通过对围岩及支护状态的观察、变形观测，判断围岩稳定性。这类量测项目量测方法简单、量测密度大、可靠性高，对监视围岩稳定、指导设计、施工有巨大作用。选测量测项目:是必测量测项目的拓展和补充。通过对围岩及支护结构受力、内力、应变，围岩内部位移等进行监测，深入掌握围岩的稳定状态与支护效果。选测量测项目多、测试元件埋设难度较大，费用较高，一般只对特殊地段、危险地段或有代表性的地段进行量测。多数选测量测项目竣工后可以长期观测。铁路隧道监控量测必测项目铁路隧道监控量测必测项目包括洞内外观察、拱顶下沉、净空变化、地表沉降、拱脚下沉及拱脚位移等，见下表：序号监控量测项目常用量测仪器备注1洞内外观察现场观察、数码相机、罗盘仪—2拱顶下沉水准仪、钢挂尺或全站仪—3净空收敛收敛计、全站仪—4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪隧道浅埋段5拱脚下沉水准仪或全站仪不良地质和特殊岩土隧道浅埋段6拱脚位移水准仪或全站仪不良地质和特殊岩土隧道深埋段6净空收敛量测量测仪器测点布置测点埋设数据分析量测仪器隧道净空收敛量测是在隧道两侧壁面对称埋设测桩，用收敛计进行量测，如图所示。目前隧道施工中常用的收敛计为弹簧式收敛计和重锤式收敛计。测点布置周边位移量测沿隧道纵向每5～0m布置一个量测断面。对于洞口段、浅埋地段、软弱地层段、大变形段，断面布置间距一般不大于2倍开挖洞径或20m。地质条件差或重要工程，应加密布设。周边收敛量测断面和拱顶下沉量测断面应布置在同一断面（桩号）。每个量测断面，一般布置两条水平测线，如右图所示。三台阶法开挖时，上台阶一条、下台阶一条；三台阶法开挖的隧道，单洞四车道隧道，需设3条测线，每台阶至少一条测线；侧壁导坑开挖、双侧壁导坑开挖时，在导坑内按同样的方法布设测线。测线应高出开挖底面不小于15m。测点埋设隧道开挖初期数据变化较大，测点要及时埋设，要求在距开挖面2m范围内、开挖后24h内埋设，在下一循环开挖或爆破前能读取初始读数。隧道开挖初喷后，在测线布置位置钻直径42mm、深300mm的孔，埋入测桩，测桩杆长大于300mm，用锚固剂将测桩锚固在钻孔内（测桩不能焊在钢拱架上），测桩外露头需加