地下工程监测技术

1、第八讲 地下工程监测技术,第1节 地下工程监测概述 第2节 地下工程洞室的安全监测 第3节 地下工程隧道的安全监测 第4节 地下工程水工隧洞的安全监测 第5节 地下工程变形特征分析与安全预警 第6节 地下工程监测资料整理与信息反馈 第7节 工程实例,成都理工大学环境与土木工程学院 汪家林 2009-12 （45学时）,第1节 地下工程监测概述,地下工程是修建在具有原岩应力场、由岩土和各种结构面组合的天然岩土体中的建筑物，是靠围岩和支护的共同作用保持其稳定性的。因此，工程的安全在很大程度上既取决于围岩本身的力学特性及自稳能力，也取决于其支护后的综合特性。 由于地下工程是埋藏在地下一定深处，而这种

2、天然地质体材料中存在着节理裂隙、应力和地下水，因此，地下工程的兴建比地面工程复杂得多。特别是在地下工程开挖之前，其地质条件、岩体形态不易掌握，力学参数难于确定，故地下工程设计的不确定性更加明显。,1.1 地下工程概述,地下工程按用途可分为：交通运输、输水、公共事业以及地下贮库、地下工厂、地下冷暖气管道、地下街道、地下发电站等：按工程地点分:有山岭隧道、城市隧道、水下隧道；按开挖介质分:有岩石隧道、土质隧道等。我国通常的习惯，把用于交通的长地下通道叫隧道；把用于输水的长地下通道叫隧洞, 把断面较大、轴线长度不太长（与隧洞比较）的叫洞室。因此，地下工程分为：洞室、隧道、输水隧洞、城市地铁以及竖井、

3、斜井等。,1.1 地下工程概述,工程实践：水电工程 引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室（井）等 水利：引水长隧洞、地下泵站等 采矿：竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场 交通：铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等 军备：防空洞、地下军备库、发射井等 民用：地下商场、地铁、仓库等,第1节 地下工程监测概述,人类对地下空间的开发与利用；工程实践提出的要求；经验的提炼，地下洞室围岩稳定的研究；理论的指导与实践的验证。,地下洞室的施工方法： 1）人工或机械开挖 2）钻爆法 3）全断面掘进（TBM）等,修建地下工程时必须进行开挖和建造维护结构工程，开挖将打破周围岩体的自然平衡状态，产生应力重分布Redistribut

4、ion，形成次生应力场（Secondary Stress)，如果岩体内的应力小于其承载能力，围岩稳定，如岩体内的应力大于其承载能力，围岩会产生失稳（破坏、冒落或产生较大变形），此时应支护。 实现围岩(应力重分布影响范围内的岩体）稳定的条件： max S u max U 稳定性问题的研究关系到： 1）安全可靠（施工期和运行期安全） 2）工程布置（工程位置选择、断面大小等） 3）经济合理（开挖方式、支护强度等） 4）环境保护,应研究围岩的应力与变形特征,1.2 地下工程的稳定性研究与设计理论,第1节 地下工程监测概述,研究内容：原岩应力测试；围岩的应力、变形与破坏；围岩压力的计算；围岩与支护的相互

5、作用的现场测试与模型试验；支护的设计与计算；围岩的稳定性及分类；围岩破坏的防治与加固。 地下工程的设计理论及发展过程： 1）荷载结构法：如普氏理论（塌落拱理论）等。 2）抗力法与弹性地基梁法（考虑了围岩对结构的约束）。 3）连续介质力学理论（引入力学计算，研究围岩及支护体的变形、强度等问题，但计算的输入量如地应力、变形、强度参数都有很大的不确定性）。 4）新奥法（NATM)：围岩与支护的相互作用、喷锚支护、现场监控、变形控制、支护时机确定等，有时称为收敛约束法设计理论。 5）监测与信息化设计：在地下工程施工过程中布置监控测试系统，从围岩的开挖与支护过程中获得围岩及支护的工作状态信息，通过分析研

6、究监测信息来描述围岩的稳定性及支护的作用，并反馈于施工决策和支持系统，修改或确定新的开挖方案与支护参数的循环设计过程。,1.2 地下工程的稳定性研究与设计理论,第1节 地下工程监测概述,第1节 地下工程监测概述,1.3 地下工程监测与信息化设计,在新奥法及信息化设计中，都非常重视监测工作。这是由于人们在地下工程的实践中发现，地下工程无论从材料地质体、荷载地应力，还是本构关系及力学参数都太复杂且具有明显的不确定性，整个系统是一个模糊的系统，用常规的力学方法很难描述围岩与支护的力学性态。但我们可以避开这一难度很大的工作，将围岩与支护组成的地下工程视作一个“黑箱”，开挖与支护为黑箱系统的“输入”，位

7、移等监测信息为黑箱系统的“输出”，系统输出信息是多种因素综合作用的结果，研究输出信息来间接描述围岩的稳定性与支护的作用，并反馈于施工决策和支护设计系统，修改或确定新的开挖方案与支护参数。在信息化设计中，围岩及支护体相关信息的获取与位移反分析是这一方法的2个主要方面。 信息的获取需要建立一个测试系统对围岩与支护体系进行监测，监测的目的主要是：评估与诊断、反馈与预测、信息化设计与施工控制、研究与技术进步。 地下工程的现场量测同时是位移反分析的基础工作。,1.3 地下工程监测与信息化设计,1)前期监测： a)利用勘探平洞进行。随勘探洞的开挖岩体的力学参数，建立计算模型。或进行位移、应力及声波等量测。

8、b) 利用原位模型试验洞，进行系统的位移、应力、围岩松动范围及声波量测，反分析岩体力学参数，建立计算模型，为地下洞室稳定性研究、支护设计提供依据。 2)施工期监测。随施工的进展，对围岩和支护进行位移、应力、应变、裂缝开合、地下水、爆破影响和环境等监测，并及时反馈，以保证施工安全和修改设计、指导施工。 3)运行期监测。对围岩及支护进行现场监测，监测地下工程结构的安全、检验设计的正确性以及为地下工程技术研究积累资料。,地下工程监测与分析研究的阶段：,第1节 地下工程监测概述,1.3 地下工程监测与信息化设计,第1节 地下工程监测概述,1）作业空间有限，需要登高操作，施工干扰大。 2）监测所需的工作

9、场地、工作面及时间受主体施工控制，需要采取交错、平行作业方式及充分利用施工间隙，尽量减少监测占用直线工期。地下工程为隐蔽工程，监测质量控制更为重要。 3）地下工程变形的主要影响因素为开挖与支护，地下水等影响相对次要些。监测与研究中应特别注意时间与空间关系。 4）由于地质条件及施工条件的不确定性，需要有备用仪器设备及应急措施。 5）洞内监测不受外部气候影响，但洞内工作条件差，仪器及人员的安全问题突出，需作好安全防范。 6) 大型洞室一般采取分层开挖与支护，仪器应根据施工进展及时安装埋设，前期的监测应为后期施工起到指导作用。分层开挖的电缆保护应特别重视。,1.4 地下工程监测的特点,正分析：根据表

10、征某一系统力学属性的各项初始参数来确定系统的力学行为的分析研究方法。 反分析：利用反映系统力学行为的某些物理量来推算该系统的各项或一些初始参数的分析研究方法。 岩土工程的开挖使岩土体介质从原来的初始状态，变为新的力学状态，相当于系统加载（或卸载），可将岩土体视为一个“试件”，试件在加载后的反映（力学行为的后果，如变形调整），可以通过量测获得必要的数据，再通过反分析求得工程分析所需要的各种参数。 岩土体在加载时（考虑原岩应力后实际为卸载）的力学反映以位移最为直观、可测、可靠，故一般建立位移量测系统观测岩土体的变形反映。 位移反分析：在岩土工程开挖前或开挖过程中，建立岩土体的位移量测系统观测岩土体

11、在开挖过程中的位移变化，根据实测位移值，考虑岩土体的本构模型且利用一定的技术分析手段，反求岩土工程有关计算参数（力学特性、初始地应力场)的一种技术研究方法。,第1节 地下工程监测概述,1.5 地下工程的位移反分析,第2节 地下工程洞室的安全监测,地下洞室一般指其长度与断面尺寸（跨度、高度）的比值较小（如小于10）的地下空间，有别于隧道、隧洞等长条形结构。地下洞室一般分层开挖与支护，施工工序繁复，洞室的应力调整过程复杂，稳定性问题突出，现场监测可获得围岩及支护的稳定性信息，指导设计与施工，保障工程安全等。 大型的地下洞室包括地下厂房、地下车站等，一般净空断面可达1000m2以上。水电站地下厂房一

12、般由三大洞室(厂房、主变室、尾调室)及其他洞室组成庞大的洞室群，洞室与洞室之间间距有限，还存在相互影响的问题。,大型地下厂房洞室群二滩水电站,地下洞室的分层开挖,分层、分台阶开挖与支护是地下洞室施工的主要特点，洞室群的施工的组织更加复杂，监测工作应时刻了解施工动态，适应施工特点，并特别强调监测仪器及电缆的保护。,漫湾水电站二期地下厂房,龙滩水电站地下厂房系统典型支护图,第2节 地下工程洞室的安全监测,2.1、地下工程安全监测设计原则： 1）监测仍应以洞室的安全为主要目的，并考虑支护设计与长期稳定性分析的需要。 2）监测设计应在研究围岩地质条件和工程性状预测的基础上进行，以施工期监测、围岩稳定性

13、和支护结构的工作状态为重点，位移仍是监测的主要物理量。 3）布置应合理并注意时空关系，控制关键部位。大跨度的顶拱及高边墙的稳定问题突出。 4）力求全过程控制，可能情况下考虑预埋仪器，同时应充分考虑分层开挖与支护的特点。 5）监测设计应纳入总体设计，并考虑施工监测与永久监测的结合、仪器监测与巡视观察的结合等，预留自动化监测。 6）监测与地质的结合，研究围岩的稳定性问题。,第2节 地下工程洞室的安全监测,2.2 地下工程洞室监测设计所需资料,根据工程规模、设计阶段及工程问题收集监测设计资料,第2节 地下工程洞室的安全监测,2.3 地下工程监测项目的选择,地下工程的监测一般应考虑如下监测项目： 1）

14、围岩变形与应力：一般以多点位移计为主观测围岩的位移，以收敛计观测洞周围岩的收敛变形，有时也考虑其他位移监测方法（如滑动测微仪、钻孔测斜仪等）。隧道内临时观测一般更多地采用收敛计观测，浅埋地下工程应考虑地表沉降。分层开挖的大型洞室可考虑围岩内应力变化观测等。 2）支护结构受力：锚杆受力观测（锚杆应力计）、衬砌混凝土应力应变观测（钢筋计、应变计）、钢拱架受力观测等，大跨度高边墙地下洞室在锚索支护时应考虑锚索的预应力观测（锚索测力计）。 3）围岩与支护的相互作用：围岩与衬砌接触压力观测（压力盒、土压力计）、围岩与支护结构缝观测（测缝计）等。 4）其他观测：如围岩松动圈(声波测试）；地下水明显时可考虑

15、地下水压力（渗压计）观测、地下水流量监测（量水堰）。,第2节 地下工程洞室的安全监测,1)根据监测目的分别选定重点项目。 以安全监测为主要的监测项目，一般应以能监控影响安全的主要因素为目的选定。整体安全监测项目要系统、局部安全监测项目较单纯，但都要有针对性。一般情况下均以变形和支护结构的应力为主要项目。若以设计和施工方法校核为目的，则选择与其相关的项目。如选取锚杆轴力和围岩松动范围监测，校核锚杆参数。选取衬砌应力监测，校核混凝土、钢拱支护设计参数和检验施工方法。若用于新技术研究和对影响围岩稳定性因素的探索，则可选取与研究、探索内容密切相关的项目。 2)根据工程阶段分别选定。 工程前期应根据工程

16、性状预测的需要选择有关的项目。施工期在充分利用永久性观测项目的基础上，补选一些能为施工安全监控快速获取资料的项目。运行阶段应根据工程运行性状预测选择系统的项目。问题明确的可有针对性地选择项目。,2.3 地下工程监测项目的选择,第2节 地下工程洞室的安全监测,3)根据工程的规模、重要性、经费的承受能力等因素综合确定。 在满足需要的前提下，项目力求精简。但对于重要的项日、部位应考虑平行监测项目，以便比较、印证。如变形项目，在对顶拱和底板采取收敛监测的同时，也可采取水准监测。 4)根据覆盖层的厚度、岩性及断裂构造，岩体变形、破坏机制，从而应采取的支护方式选取监测项目。 如对覆盖层浅的软岩或土中的地下

17、工程，地面建筑对其存在影响，需采取刚性高的衬砌，尽量控制其变形。重点应监测建筑物变形的变化、围岩应力、支护结构应力等。如果覆盖层厚，但围岩强度低，围岩可能发生挤出、膨胀变形，应重点监测围岩变形、压力和支护结构应力等。当覆盖层厚、围岩坚硬、裂隙发育，喷混凝土仅起防止岩体表面风化，填平表面凹凸不平的作用，喷混凝土无需监测，但需加强巡视调查。,2.3 地下工程监测项目的选择,第2节 地下工程洞室的安全监测,仪器选型应按照以下一般原则进行。 1) 根据设计确定的监测项目选择相应的可靠仪器，仪器数量宜少而精；仪器类型尽可能一致。 2）仪器选择时应考虑工程监测的周期，若是临时监测可选用简单可靠的仪器，若永

18、久监测，则应考虑仪器的长期稳定性。 3) 监测仪器的精度和量程应满足具体工程的要求，此要求应根据岩性、计算值或模型试验值等进行的预测的最大和最小值确定仪器的精度和量程； 4) 仪器应准确可靠，坚固耐用，能适应潮湿甚至涌水、爆破振动和粉尘等恶劣环境下工作； 5) 仪器轻便，布置简单，埋设安装快捷，操作读数方便，占用掌子面时间短，对施工干扰少。,2.4 地下工程监测仪器的选择,第2节 地下工程洞室的安全监测,1) 监测断面应按工程的需求、地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面，通常按地下工程的稳定性可分为系统布置与随机布置；按工程的部位来分，可分为对称型、非对称型以及局部型。 2) 监测断面布置

19、要合理，注意时空关系。采取表面与深部结合、重点与一般结合、局部与整体结合，务使测网、断面、测点形成一个系统，能控制整个工程的各关键部位。 3)在断面的选择上应注意埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物尺寸及形状、预计的变形及应力以及施工方法、施工程序等。,2.5 监测断面的选择,第2节 地下工程洞室的安全监测,4) 断面可分为主要断面和辅助断面，主断面可埋设多种仪器，进行多项监测；辅助断面埋设仪器较少，这样既保证了重点，又简化了工作面，降低了费用。 5) 城区地下施工，需要预测地基变化和爆破层动对邻近建筑物的影响，注意研究开挖中的深层滑移和地层失稳，以及支护的设置。 6) 在观测断面上，应根据围

20、岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形和应力等物理量分布特征布置测点，应在考虑均匀分布、结构持性和地质代表性的基础上，依据其变化梯度来确定测点数量。梯度大的部位，点距要小；梯度小的部位，点距要大。,2.5 监测断面的选择,第2节 地下工程洞室的安全监测,收敛观测一般在施工开挖过程中采用。当地下洞室已经支护或投入运行后则应用较少。当开挖空间(跨度和高度)已经很大时，观测很困难，故多在导洞开挖和拱部开挖边较矮时应用，用以观测围岩的初期变形。 跟随施工过程，一般收敛测线(点)各种布置。为了配合多点位移计观测，测点可布置在多点位移计孔口附近，同时可以利用收敛计贴近开挖面提前观测的条件，

21、校核多点位移计孔口的位移释放量。,2.6 地下工程监测项目的布置 收敛观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,1) 最深测点距洞壁应大于1倍洞跨以上或超出卸荷影响范围，对于围岩中有预应力锚固的部位，埋设最深点应超过锚固影响深度。 2)测孔一般布置在地下洞室的顶拱、拱座及边墙，有对称和非对称式布置，现埋和预埋孔两种方式。布置时应注意围岩变形的时空关系。 3)测点布置应考虑围岩应力分布岩体结构等地质条件，点距应根据围岩应力和变形梯度、岩体结构和断层部位等确定，测点应避开裂隙、断层和夹层，大的夹层、断层两侧宜各布置一个锚头。 4)当洞室周围有排水平洞、勘探平洞时，宜从这些洞向地下洞室提前钻孔，顶埋多点

22、位移计：当覆盖层不厚时，宜从地面向洞室钻孔预埋仪器。 5) 侧墙上的水平测孔若采用机械式锚头时宜略向上倾斜5，便于渗水排出；若采用灌浆式锚头时应向下倾斜5，以保证灌浆效果。,2.6 地下工程监测项目的布置 多点位移计观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,地下工程的初期支护一般选用喷锚支护，锚杆受力观测是主要的监测项目，布置时应注意： 1) 用于观测轴向力的锚杆，既要起支护作用，又有监测随岩体变形锚杆内产生的应力的功能，为保证观测的真实性，观测锚杆的材质、截面面积都应与实际的相同。 2) 锚杆应力计的测孔(点)的布置与多点位移计类似，除持殊要求外，一般与加固锚杆一致。布置方式有：按断面布置，按需

23、要或在变形最大的部位随机布置，布置数量一般不作硬性规定。,2.6 地下工程监测项目的布置 锚杆应力计观测,3)观测锚杆应具有代表性，如代表不同锚杆型号、不同吨位、不同岩性(地段)等。 4) 锚杆应力计测点可根据围岩条件和洞室结构，布置单测点或多测点。当需了解应力分布时，一般一孔内至少布置3个测点。,第2节 地下工程洞室的安全监测,倾斜仪可用于监测大型地下洞室边墙的位移，当洞室浅埋或有条件时使用。 (1) 测斜仪布置，应根据围岩应力分布状态和岩体结构，重点布置在位移最大、对工程施工及运行安全影响最大的部位。同时兼顾其他比较典型或有代表性的部位。 (2)钻孔测斜仪常以铅垂钻孔布置于大型地下洞室的边

24、墙附近，平行边墙或布置于大型地下洞室的出口正、侧面边坡内，观测岩体的挠度，监视边墙或出口边坡的稳定。 (3) 大跨度洞室的拱部可以通过附近洞室垂直洞室轴线布置水平测斜管，用水平型测斜仪观测拱部位移。 4)这种布置测斜管的保护较难。,2.6 地下工程监测项目的布置 钻孔测斜仪观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,在地下洞室顶拱设钢筋混凝土衬砌结构时，一般都根据顶拱受力方向在断面上沿拱圈外缘和内缘布设单向混凝土应变计及钢筋计，以资比较，如受力方向不明确，则采取成组布置，每组2支，分别沿洞轴向和切向埋设。 测点一般在拱顶、45中心角、拱座对称布置。为了解钢筋和混凝土联合受力情况，应变计布置在钢筋计附

25、近，距离应不小于6倍应变计直径处。,围岩内的应变计一般呈径向和切向布置。,2.6 地下工程监测项目的布置 应变及钢筋应力观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,压力(应力)计一般布置在围岩与支护结构的接触界面上，拱部的压力计布置一般与应变计相同。围岩内部和结构内部的压力计应根据压力分布和方向布置。,2.6 地下工程监测项目的布置 围岩压力观测,1) 在水文地质具有代表性或预计渗压最大的地方，布置渗流观测仪器。渗流情况不明确时，在观测断面内拱顶、拱座和边墙的围岩内布置仪器。观测外水压力时，渗压计布置在衬砌与围岩界面处。 2) 对覆盖层浅的洞室，可从地表平行洞壁钻孔，埋设测压管或渗压计；对覆盖层厚的

26、洞室，可从洞内向围岩钻孔埋设渗压计；可利用周围有排水洞、勘探平洞等，向大型地下洞室钻孔埋设。 3) 在渗水处可设排水孔集中将水引至洞室下游适当位置处设量水堰，监测渗水量大小及其变化。,2.6 地下工程监测项目的布置 地下水观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,(1) 为观测大型地下洞室的顶拱下沉、仰拱上抬(隆起)、覆盖层薄的地表或房屋建筑物的沉陷及洞室顶拱下沉，常采用精密水准测量。 (2) 为量测上述垂直位移，测点应分水准基点、起测基点及位移标点三级。 (3) 水准基点：是垂直位移观测的基础，是假设的不动点。如该点超标变动，则影响整个观测精度，在布置时要适当远离测区，埋设在基岩内，避免各种人为

27、活动对基点频繁的影响保证埋设质量。 (4)起测基点：通常布置在欲观测断面的两侧3倍洞径以远，靠近边墙部位，避免施工干扰，尽可能地不影响架设仪器施测。 (5)垂直位移(沉降)标点：一般布置在顶拱，与多点位移计测孔、收敛计标点相衔接的部位；防止爆破损坏，应进行保护；不宜设于阻碍视线通视的地方。,2.6 地下工程监测项目的布置 精密水准观测,第2节 地下工程洞室的安全监测,围岩松动范围观测是指测定由于爆破的动力作用、洞室开挖岩体应力释放引起的岩体扩容二者共同作用下导致的围岩表层岩体的松动厚度。 监测成果可以作为锚杆及其他支护设计和围岩稳定分析的依据。通常采用声波法(用声波仪观测)和地震波法（用地震波

28、仪观测)。开挖前后都要观测，以便对比分析，确定松动范围。,2.6 地下工程监测项目的布置 围岩松动范围观测,根据围岩应力、变形情况和洞室几何形状，选定观测断面，一般应在预测的松动范围最大最小厚度的部位布置测孔。测孔应垂直围岩表面，呈径向布置；孔深应超过预测厚度；孔径应大于换能器的直径。测孔数一般应满足圈定松动范围界线的要求。,第2节 地下工程洞室的安全监测,第2节 地下工程洞室的安全监测,2.7 地下洞室监测设计图件实例,根据地下洞室的地质条件与结构特点，分析洞室的稳定性状态，确定监测目的及重点，选择观测断面及观测项目，考虑仪器布置后形成监测图件，并提出设计的具体监测工作要求。一般监测图件应包

29、括：平面图、剖面图、仪器安装埋设参数表、工程量表、技术要求与说明。 广蓄电站二期地下厂房： 厂房共设主副监测断面各2个。布置有4点式多点位移计20套，锚杆应力计(34点式)28支，测缝计6支，渗压计4支。在岩锚吊车梁的牛腿里布置有受拉、受压锚杆应力计。 观测设备平面布置如图75。断面布置如图76 (a)、(b)。 其他图件。,厂房监测设计平面布置图(广蓄地下电站二期),2.7 地下洞室监测设计图件实例,76 地下厂房观测断面布置图(广蓄电站二期) (a)II()断面布置图,2.7 地下洞室监测设计图件实例,76 地下厂房观测断面布置图(广蓄电站二期) (b)(22)断面布置图,2.7 地下洞室

30、监测设计图件实例,天荒坪电站厂房锚杆应力计布置,2.7 地下洞室监测设计图件实例,第3节 地下工程隧道的安全监测,隧道的特点 (1) 隧道横断面尺寸相对较小，相应的物理量变化量小于大型洞室。 (2) 隧道的长度一般较长，沿线地质条件的差别可能较大。因此，监测工作量较大，监测断面较多。施工期可以广泛采取收敛观测等安装简易、快速的项目进行监测。监测项目的选定和仪器的选型可参照下表。 可按平面问题对隧洞进行分析研究，力学问题比洞室简单。,3.1 隧道的特点及监测的目的与任务：,隧道分类 按地层分，可分为岩石隧道(软岩、硬岩)、土质隧道；按所处位置分，可分为山岭隧道、城市隧道、水底隧道；按施工方法分，

31、可分为矿山法、明挖法、盾构法、沉埋法、掘进机法等；按埋置深度分，可分为浅埋和深埋隧道；按断面形式分，可分为圆形、马碲形、矩形隧道等；按国际隧道协会(ITA)定义的断面数值划分标准分，可分为特大断面(100m2以上)、大断面(50-100m2)、中等断面(10-50m2)、小断面(3-10m2)、极小断面(3m2以下)；按车道数分，可分为单车道、双车道、多车道；按用途可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.1 隧道的特点及监测的目的与任务：,施工监控量测的目的和任务 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

32、靠性； 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； 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； 通过监控量测判断初期支护稳定性，确定二衬合理的施作时间； 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节 地下工程隧道的安全监测,3.1 隧道的特点及监测的目的与任务：,隧道工程监控量测总体目标是通过各种有效的技术手段，取得可靠的监测数据，全面反映围岩及隧道结构工程的受力、变形状

33、况，准确评定隧道工程施工的安全状态，确保隧道工程施工安全并在可能的情况下节省工程投资。 为了达到以上的监控量测目的，量测工作需贯穿隧道施工的全过程。量测数据及其分析结果可立即与事先预设计支护参数相比较，并对预设计做出正确评价，如量测结果与原设计有较大出入，有必要对支护作加强和减弱的修正，使隧道的设计和施工纳入动态的科学管理中。 为探测隧道衬砌质量，查明隧道衬砌背后的回填情况是否符合设计要求，了解隧道衬砌的潜在隐患，可用物探方法进行无损检测。该检测成果可作为隧道竣工验收、以及隧道结构状态评估和病害整治设计的重要依据。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.1 隧道的特点及监测的目的与任务：,第3节

34、 地下工程隧道的安全监测,3.2 隧道安全监测的布置与设计,A 隧洞安全监测设计所需的资料,隧道由于长度较长，一般从工程实用的角度对围岩进行分类，以便工程技术人员合理地选择工程布局及对不同的岩体条件采用相适宜的工程处理方法。故沿洞轴线的围岩分类及各类围岩的稳定性研究是监测设计的重要资料。 隧洞的安全监测亦应根据围岩分类情况确定监测项目与布置。,监测断面的选择原则可参照大型地下洞室的相应部分，并应考虑隧道本身的特点： 1) 监测断面应根据工程需要、地质条件以及施工的可能选择具有代表性的部位。一般选择地质条件较差或有代表性的岩层。对围岩分类来讲，稳定性较差的洞段监测布置较多，但其他较好的围岩类型也

35、需要做必要的监测，以便分析研究和对比。 2) 主断面应布置在横跨、重叠、平行、交叉的隧道以及邻近地面有建筑物等情况较复杂的地段，辅助断面应在施工过程中随机布置，一般每50m布置12个。 3) 主断面可以布置收敛计、多点位移计等多种仪器，进行系统观测，解决关键性问题；在有支护的地方可布置锚杆应力计、应变计；利用锚杆孔进行围岩松动范围监测等。 4）辅助断面以收敛观测为主。,第3节 地下工程隧道的安全监测,B 监测断面的选择,3.2 隧道安全监测的布置与设计,(1) 用收敛计观测隧道断面围岩变形，有多种测线(点)的布置形式。一般有2点1线式、3点3线式、5点6线式等。 (2) 为了尽可能减少位移丢失

36、量，测得全变形，布置时尽可能紧贴掌子面一般距掌子面不大于lm，最好在05m以内。有可靠计算模型的测段，为避免施工干扰可在一倍洞径以外的距离布置，用计算机修正。 (3)为了研究长隧道沿线的围岩性态，可布置多个断面，测线(点)布置应考虑孔洞的应力、位移分布和结构特点，一般主断面在拱顶、起拱线和边墙中部布置5个测点6条线；辅助断面，可采用3点3线式，即拱顶与边墙中部，或2点1线式，即边墙中部各设一个测点。 (4)对于具有高应力或膨胀性的特殊岩体，宜在反拱(底板)中部布置测点。 (5)测线(点)布置除了考虑自然条件外，还应考虑安装、观测条件。测点应设在稳固岩体上，注意岩体结构的影响，测桩应牢固并加以保

37、护。,C、收敛测线(点)的布置,3.2 隧道安全监测的布置与设计,第3节 地下工程隧道的安全监测,隧道收敛测线布置示意图,C、收敛测线(点)的布置,第3节 地下工程隧道的安全监测,3点3线式、5点6线式是常规的布置。其他根据地质条件确定。,(1) 位移计一般为34点，钻孔深度为2倍洞径。 浅埋隧道或旁边有勘探洞时可考虑预埋仪器。 顶拱位移计应考虑锚固的可靠，隧道底板的位移计应避免施工运输、行人来往的干扰。 布置时应考虑隧洞力学特性及反分析的需要。,其他布置上的考虑可参看大型地下洞室相应部分。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.2 隧道安全监测的布置与设计,D 多点位移计测孔(点)的布置,E

38、滑动测微计和钻孔测斜仪测孔的布置 在隧道施工和运行过程中，为监测地表沉降和侧向位移，可在关键断面上布置测微计和钻孔测斜仪。测孔布置在隧道两侧，测孔深度应超过l倍洞直径，侧向距隧道内表面12m。,新奥法施工监测断面布置图(日本28#国道隧道),第3节 地下工程隧道的安全监测,3.2 隧道安全监测的布置与设计,F 、土压力(应力)计观测布置 (1)界面接触压力观测。一般采用单个应力计，沿洞室表面布置，一个断面35个应力计，观测围岩径向压力的分布。由于隧道常处于偏压状态，应力计宜对称布置。 (2)围岩表层切向和轴向应力观测。应沿切向、轴向成组布置。一般分布在拱顶、拱腰、拱座，每个断面35组。 (3)

39、混凝土衬砌内切向和轴向应力观测，成组布置。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.2 隧道安全监测的布置与设计,G、其他观测布置 锚杆应力计，一般布置在拱部，随机布置时，应根据工程需要和围岩稳定条件确定位置和数量。 应变计。衬砌混凝土的切向应力较大时，可在拱顶、拱腰及拱座布置切向应变计，并应靠近衬砌表面布置。 钢筋计。宜与应变计配合布置。 渗压计。在衬砌外水压力较大的拱部布置渗压计，边墙可布置水平封闭式测压管。 测缝计。布置在衬砌与围岩接触缝或衬砌裂缝处。 围岩松动范围观测。主要布置在拱部和边墙腰部。 采用精密水准测量浅埋隧道的地表下沉或隆起。观测洞内拱顶沉降和底板隆起，均可布置测量标点。,第3

40、节 地下工程隧道的安全监测,3.2 隧道安全监测的布置与设计,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,公路隧道施工技术规范(JTJ042-94) 关于监控量测项目,必测项目： （1）地质和支护观察；（2）周边位移量测； （3）拱顶下沉量测；（4）锚杆抗拔力量测等。 这类量测方法简单，量测密度大，量测信息直观可靠，并贯穿在整个施工过程中，对监视围岩稳定，指导设计施工有巨大的作用。必测项目一般是临时性的，在隧道开挖期间紧跟开挖工作面进行监控，在二次衬砌后量测工作亦告结束。 选测项目： （1）地表下沉量测；（2）锚杆轴力监测；（3）围岩内部位移量测；（4）围岩与喷射混凝土间接触压

41、力量测；（5）喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测；（6）钢支撑内力量测；（7）喷射混凝土内应力量测、（8）二次衬砌内应力量测；（9）围岩弹性波测试、衬砌裂缝量测等。 这类量测是必测项目的拓展和补充，对特殊地段、危险地段或有代表性的地段进行量测，以便更深入地掌握围岩稳定状态与支护效果。对已完成的支护实施有效监控，作出评价，对未开挖地段提供参考信息，指导未来设计和施工。,A 、地质及支护状况观察 隧道掌子面每次爆破后和初喷后通过肉眼观察、地质罗盘和锤击检查，描述和记录围岩地质情况：岩性、岩层产状、裂隙、地下水情况、围岩完整性与稳定性。判断围岩类别是否与设计相符，必要时应拍照，测量地下水流量；观察支

42、护效果。若支护出现裂缝应对裂缝进行描述，分析裂缝产生原因及发展变化趋势，必要时对裂缝的开度进行简易观测。使用的主要仪器设备包括：地质罗盘、地质锤、数码相机、钢卷尺等 工作依据与要求：按施工地质规程规范开展工作，要求有详细的地质素描，并进行围岩类别定量分析。围岩分类的方法应根据公路隧道设计规范，制定明确的表格，在现场认真测量记录。根据信息化施工及工期的要求，当围岩类别发生变化时，应及时与设计、监理、业主协商确定，并通知施工单位。此项工作的开展应紧跟开挖面在每次爆破后进行，加之隧道工作面多、地点分散，故在项目进行过程中应安排足够的地质人员。 隧道施工掌子面是施工前方围岩体唯一的暴露面，前方围岩体内

43、的节理、裂隙、断层、岩脉、溶洞及煤层等都在掌子面上有所反映，如实记录施工掌子面上的信息对施工前方地质预报有很高的参考价值。 地质素描主要要求：素描必须现场进行，不得根据回忆绘制和编写，采用坐标纸进行记录，以便能比较准确地显示出结构面的位置。素描一律采用写实方法，记录方式、比例、图例应统一。素描不占用隧道作业时间，最好在出碴工作完成后立即进行，此时浮碴已被清理掉，信息比较真实。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,B、围岩周边位移量测收敛变形观测 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

44、的距离之差。 在预设点的断面,隧道开挖爆破以后,沿隧道周边的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设测桩，用收敛计等两测桩之间的距离变化进行观测，测桩埋设深度30cm，钻孔直径42，用快凝水泥锚固剂固定，测桩头需设保护罩。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离。初期每天12次，后期稳定后（速率小于0.2mm/d)或掌子面远离监测断面5倍洞径后可每周观测1次。,第3节 地下工程隧道的安全监测,B、围岩周边位移量测收敛观测2,C、拱顶下沉量测 拱顶下沉量测采用水准仪进行。在隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各23m共设3个带挂钩的锚桩,在远离开挖面

45、的隧道底板相对稳定部位布置一个标准高程点，观测测桩处的高程相对于水准基点的变化量。测桩埋设深度30cm，钻孔直径42，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。用精密水准仪、钢卷尺等量测拱顶下沉。 顶拱下沉也可用收敛计布置5点6线式观测后分析求得。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,量测仪器：精密水准仪，水准尺，铟钢尺，15m30带孔钢尺。,观测频次：115d：1-2次/天，16d1个月：1次/天，1个月3个月：1-2次/周，3个月以上：1-3次/月。观测频次可根据围岩变形速率进行调整。 数据整理与应用：根据拱顶下沉监测数据，整理绘制出位移-时间和位移-距开挖面距

46、离的关系曲线。 围岩周边位移量测及顶拱下沉量测是隧道施工中非常重要的必测项目，其观测成果可直接用于指导施工，故应及时分析研究量测数据，根据观测所掌握的拱顶运动情况，采取相应措施,指导施工及设计。 当周边位移及围岩内部位移收敛的速率明显下降，收敛量已达总收敛量的80%90%以上，且水平收敛速度小于0.10.2mm/d或拱顶位移速度小于0.070.15mm/d时，即认为围岩基本达到稳定状态，可以进行二次衬砌施工。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,C、拱顶下沉量测2,D、锚杆抗拔力检测 锚杆抗拔力检测是为了检测隧道内径向锚杆的施工质量，检测边墙锚杆、拱顶锚杆抗拔力是否满足

47、设计要求。采用锚杆拉拔计检测 。 SW系列锚杆拉拔仪是由手动泵、液压缸、智能数显压力表、带快速接头的高压油管、锚具和手提便携箱组成，液压缸为中空自复位式，智能数字压力表为可直接读取锚杆拉力值（kN），并有峰值保持、存储和查询功能，适合现场使用。 锚杆拉拔力检测要求:对锚杆的拉拔力进行测试应当平均20m一断面3根，不少于锚杆总数的1%。锚固力测试一般不作破坏性试验。当拉拨加载至锚杆设计描固力的90即可停止。根据公路隧道施工技术规范规定，锚杆质量的合格条件： 式中 n每批锚杆抽样试验的组数 同批n组试件抗拔力的平均值（精确到0.1KN）； 同批n组试件抗拔力的最低值（精确到0.1KN）； 锚杆的设

48、计锚固力。 其中只要有l根不合要求，再抽样一组（3根），再不合要求，应当寻找锚杆质量不合格原因，并采取处理措施。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,量测目的：地表下沉的范围及下沉量的大小，地表下沉随工作面推进的变化规律，地表下沉稳定的时间，地表下沉对支护结构的影响等。 量测仪器：精密水准仪、水准尺、水准标点等。 测量方法：用精密水准仪测量，其测量精度可达0.7mm/km。 测点布置：每个隧道在洞口位置适当位置各布置一个断面，其中单洞每个断面布置5个测点，连拱每个断面布置7个测点。在选定的量测断面区域，首先应设一个通视条件较好、测量方便、牢固的基准点。测点应埋水泥桩，测

49、量放线定位用精密水准仪量测。在隧道附近中线应布置密些，远离隧道中线应疏些。具体布置应根据各个隧道进出口或浅埋隧道的实际地质情况并考虑通视条件等因素。,E、地表下沉观测,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,一般布置在洞口或浅埋地段。用水准仪在地面测量，简易可行，量测结果能反映浅埋隧道开挖过程中围岩变形的全过程,数据整理和分析：将每次的测量数据，经整理绘出以下曲线以便分析研究：地表纵向下沉量时间关系曲线；地表横向下沉量时间关系曲线。 从两曲线图中可以看出地表下沉与时间的关系，以及最大下沉量产生的部位等。综合考虑地表下沉与隧道施工进尺等关系，并运用回归分析法对未来趋势进行预测

50、以指导施工。参照地表下沉的控制标准，如果超标，应采取措施。 地表下沉应与洞口段的支护观察相结合，当下沉量较大时应密切关注洞口段支护是否出现裂缝等异常现象,测量频率：开挖面距量测断面前后2B时，12次/d，5B时，1次/2d，5B时，2次/周 。一般在隧道开挖掌子面距测点前30m处开始量测，隧道开挖超过测点30m、并待沉降稳定以后停止量测,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,E、地表下沉观测2,F、锚杆轴力量测 锚杆轴力的观测可以了解支护锚杆的受力大小、变化过程及在锚杆长度范围内的分布状态，检验锚杆的支护效果及研究锚杆的受力规律，指导锚杆的设计。同时，锚杆受力的变化也间接

51、代表了围岩的变形状态，可与围岩变形等资料综合对比分析来判断围岩的稳定性。 锚杆轴力的观测采用锚杆测力计，部分工程要求每断面布置5根锚杆，每根锚杆上安装4个传感器。其布置可按如下方式：沿隧道周边的拱顶、拱腰和边墙埋设锚杆轴力计，每根锚杆轴力计设4个测点，埋设在围岩不同深度，对锚杆不同深度的受力情况进行量测。埋设锚杆轴力计的孔深为3.55m，孔径均为50。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,G、围岩内部位移量测 通过对围岩内部的位移监测，可探知围岩位移的分布状态，判断围岩的松弛区范围。收集到的围岩内部位移资料还可通过位移反分析，确定围岩的地应力状态及综合力学参数，对隧洞进

52、行稳定性分析及设计优化有较大的帮助。 围岩内部监测采用多点位移计，对单洞采用5点/断面，对连拱隧道采用6点/断面。,可选择35点杆式多点位移计，孔深56m，孔径均为50，必要时可将钻孔深度加深至10m以上，使最深点处在隧道开挖的影响范围以外。量测断面尽可能靠近掌子面及时安装，以取得更全面的观测数据。 从经济合理考虑，多点位移计的观测可采用深度千分尺（机械量测方式），但对顶拱仪器也可考虑用电测方式（振弦式位移传感器），但在二次衬砌时应回收再利用，以节约成本。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,H 、围岩压力与支护内应力的观测 围岩压力的观测包括围岩与初支压力、初支与二衬

53、压力的监测，支护内应力的观测包括钢支撑应力监测、初支混凝土内应力监测及二次衬砌应力监测。这些监测项目皆为选测项目，部分工程单洞按5点/断面考虑，连拱隧道按8点/断面考虑，但在连拱隧道中的二次衬砌内应力的监测按10点/断面考虑。,第3节 地下工程隧道的安全监测,3.3 公路隧道的监控量测,水工隧洞不同于交通隧道，它不仅要研究围岩的稳定性还要探讨围岩的承载能力、研究围岩、衬砌分担内水压力的问题。因此，在监测设计中，除了考虑交通隧道与大型地下洞室等结构的一些原则和要求外，还应针对水工隧道的特点、承载力内水压的工况进行监测设计。,特点：内水压力作用。 围岩、衬砌联合受力 结构特点：一般要衬砌 对糙率的

54、要求(运行需要） 水力学的挑战与要求,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,二滩水电站泄洪洞的损坏情况,二滩水电站泄洪洞的损坏情况,4.1 水工隧洞监测设计原则 1) 监测设计应贯穿整个工程，从前期勘察设计阶段到后期的电站运行阶段，都要进行系统、全方位的考虑。 2) 水工隧洞安全监测的重点，应包括隧洞开挖时围岩稳定性安全监测，运行期整个结构承载力的安全监测，以及内水外渗引起的边坡失稳，建筑物倒塌等环境的监测。 3) 监测断面按平面问题考虑，可以选择具有代表性的的断面，分主断面和辅助断面，以资比较验证。 4) 监测仪器按一般要求还应着重选择抗水能力强，防潮性能高的仪器和电缆等证仪器在高水压下正常工

55、作。 5) 专项的水力学监测设计。,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,42 水工隧洞监测项目选择 根据水工隧洞的实际工作状态，确定监测的项目。应区分是否衬砌、喷锚结构、素混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌、钢管衬砌、隧洞及闸门等，各自的工作特点和功能，选择监测项目。 除洞室监测项目外，应根据水工隧洞特点增加一些项目： (1) 对于水工隧洞来说，径向变形、环向应变、缝隙监测是重要的、必要的项目，是获取隧洞安全可靠和联合受力状态的关键性资料。 (2) 对于不衬砌的引水隧洞，除进行应力应变监测外，对于梯度大、岩石条件差的压力隧洞，要进行水的渗漏量和内水压力监测。,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,选择监

56、测仪器时，一般要求： 仪器能承受一定的内水压力；仪器防潮性能要求严格；能满足长期观测的要求。,(3) 对于引水发电的隧道，应进行高速水流、气蚀监测。 (4) 对于引水发电的隧道，应进行金属结构诸如闸门等振动监测。,(1) 监测断面应选择地质条件、结构形式、受力状态等具有代表性或关键部位主观测断面，在其附近设辅助观测断面12个。 (2) 主断面应布置多种仪器手段，进行多项的监测，以便在同一条件下进行分析比较，提高监测成果的可靠性。 (3) 监测断面应按设计阶段和监测的内容不同分别选取，前期原位模型洞的监测，可采用多种仪器手段，项目尽可能齐全，研究内容尽可能地深入。对于施工期监测，应充分利用永久观

57、测断面和设备；结合运行期监测，布置一些临时性随机观测断面。 (4) 由于岩体的不均匀性和不连续性，为使监测覆盖一定的面，要布置较多的断面，能控制各种不同的地段。,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,43 水工隧洞监测断面的选择,参考大型洞室、隧道的监测布置并针对水工隧洞的特点，考虑围岩和衬砌结构在内水压力作用下的工作状态。 (A) 隧洞充水试验径向变形观测的布置 建立隧洞径向位移观测系统。径向变形计宜与围岩多点位移计布置在一条轴线上，最好使二者联接起来，同步工作，这样既可研究开挖释放位移，又可探讨围岩在内水压力作用下的变形机制。 (B) 隧洞围岩深部变形的监测 隧洞围岩深部变形一船采用多点位移

58、计监测，施工期布置一般原则参见大型地下洞室及隧道的相应部分。运行期监测布置还应考虑内水压力作用，一般需要环向对称布置。 (C) 隧洞衬砌的应变计布置 为了监测施工期和运行期混凝土衬砌的应力分布，一般采用标距不宜小于10cm的应变计，在隧洞衬砌的切向和轴向布置一组应变计，并设温度计，以了解衬砌的应变变化，从而计算应力；由于衬砌应力的不均匀性，一般在断面上对称布置48组应变计；也可采取非对称和特殊要求的单独布置形式。,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,43 水工隧洞监测的布置,(D)隧洞衬砌与围岩接触缝的监测布置 (1) 隧洞接触缝的监测，包括地下高压钢管的钢管与混凝土衬砌之间的缝隙和混凝土衬砌

59、与围岩之间的缝隙。 (2) 地下高压钢管是按钢管混凝土岩体三者联合受力设计的，其围岩所承担的内水应力的百分比，除取决于围岩本身的承载能力外，还受钢管混凝土岩体三者之间缝隙大小的影响。缝隙愈小，岩体所承担的内水压力百分比愈大，反之，缝隙愈大，岩体所分担的内水压力的百分比愈小。当缝隙大到一定程度时即使围岩有很高的承载力，也不可能帮助钢管分担内水压力，此时管道处于明管工作状态，对于预应力混凝土衬砌压力管道，监测围岩与衬砌间接触缝隙的开合度，可以了解衬砌开环的情况，结石层的厚度与变化以及预应力的松弛等。因此，隧洞缝隙监测的意义就十分明显。 一般在断面上钢管与混凝土及混凝土与岩体之间各布置4支测缝计，布置形式可采用对称或非对称式。,第4节 地下工程水工隧洞的安全监测,43 水工隧洞监测的布置,(E)隧洞水压力监测 (1) 水压力监测，包括洞内、洞外水压力及渗透压力监测： (2) 隧洞内水压力的监测，用水压计或水位观测管，一般测量最大内水压力，其位置设在最大压力附近