隧道施工監(jiān)控量測技術教材

1、隧道施工監(jiān)控量測技術目 錄一、概念二、必要性三、目的四、總體要求及方案制定五、監(jiān)控量測項目與方法六、數(shù)據(jù)處理及應用隧道施工監(jiān)控量測技術一、隧道施工監(jiān)控量測概念（重要性） 隧道施工過程中，使用各種類型的儀表和工具，對圍巖和支護、襯砌的力學行為以及它們之間的力學關系進行量測和觀察，并對其穩(wěn)定性進行評價，統(tǒng)稱為監(jiān)控量測。它是保證工程質量的重要措施，也是判斷圍巖和襯砌是否穩(wěn)定，保證施工安全，指導施工順序，進行施工管理，提供設計信息的主要手段。隧道施工監(jiān)控量測技術 二、隧道監(jiān)控量測的必要性 1.隧道工程作為工程建筑物，受力特點與地面工程有很大的差別。由于隧道處于千變?nèi)f化的巖體之中，其所受外力是不明確的，

2、施工過程中應采用量測手段掌握受力情況。 2.隧道在開挖、支護、成形、運營的過程中，自始自終都存在受力狀態(tài)變化這一特性，監(jiān)控量測可以了解變化情況。 3.隧道監(jiān)控量測是隧道施工安全的哨兵，是確保隧道安全施工的前提條件。隧道施工監(jiān)控量測技術 監(jiān)控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛眼睛”，是判，是判斷結構穩(wěn)定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工最重要的信息化手段。很多隧道的變形與坍方是因為沒有進行量測、或沒有使用量測成果才產(chǎn)生的，教訓深刻。隧道監(jiān)控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂，淺埋段應進行地表沉降量測。特別地段進行底部上鼓、填充面下沉量測。隧道施工監(jiān)控量測技術三、隧道施工監(jiān)控量測的目的 1.確保安全；根據(jù)量

3、測信息，預見事故和險情，防患于未然。 2.指導施工；分析處理量測數(shù)據(jù)，預測和確認隧道圍巖最終穩(wěn)定時間，指導施工順序和施作二次襯砌時間。 3.修正設計；根據(jù)隧道開挖后所獲得的量測信息，進行綜合分析，修正支護參數(shù)和檢驗施工與設計措施的可靠性。隧道施工監(jiān)控量測技術 四、隧道施工監(jiān)控量測總體要求及方案制定 1、隧道施工監(jiān)控量測總體要求、隧道施工監(jiān)控量測總體要求 按照鐵路隧道工程施工安全技術規(guī)程、關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規(guī)定的通知（鐵建設2010120號）和鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程（Q/CR 9218-2015）等相關要求開展工作，并將監(jiān)控量測納入關鍵工序進行管理，監(jiān)控量

4、測結果應及時反饋,指導設計與施工,隧道開挖后的圍巖變形量測應按規(guī)定實施,量測數(shù)據(jù)應繪制成圖。隧道施工監(jiān)控量測技術 每座隧道應根據(jù)工程地質情況，編制具體監(jiān)控量測方案及實施細則，并配置專門人員和儀器負責此項工作。 針對隧道不同地質情況，選用監(jiān)控量測項目和監(jiān)控手段，配置相應精度的儀器。 測點應緊靠工作面快速埋設，盡早測量。一般設置在距開挖工作面2m范圍內(nèi)。拱頂下沉、收斂量測起始讀數(shù)宜在開挖后36h內(nèi)完成，其他量測應在每次開挖后12h內(nèi)取得起始讀數(shù)，最遲不得大于24h，在噴射混凝土后、下次爆破前測取初讀數(shù)。 位移監(jiān)控測量宜采用無尺量測，當采用收斂計量測時，每次測點位置應固定，掛鉤不宜采用環(huán)形，應采用三

5、角掛鉤。隧道施工監(jiān)控量測技術 關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規(guī)定的通知（鐵建設2010120號）有關監(jiān)控量測的規(guī)定： 1.隧道監(jiān)控量測應按現(xiàn)行鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程（Q/CR 9218-2015）的規(guī)定建立等級管理、信息反饋和報告制度。 2.隧道監(jiān)控量測應作為關鍵工序納入現(xiàn)場施工組織。監(jiān)控量測必須設置專職人員并經(jīng)培訓后上崗，對周邊建筑物可能產(chǎn)生嚴重影響的城市鐵路隧道，應實施第三方監(jiān)測。 3.隧道拱頂下沉和凈空變化的量測斷面間距：III級圍巖不得大于30m（規(guī)程3050m）；級圍巖不得大于10米（規(guī)程1030m） ；級圍巖不得大于5米（規(guī)程510m） 。 4.隧道淺埋

6、、下穿建筑物地段，地表必須設置監(jiān)測網(wǎng)點并實施監(jiān)測。 5.當拱頂下沉或水平收斂速率達5mm/d或位移累計達100mm時，要暫停掘進，分析產(chǎn)生原因，采取處理措施。 6.采用有尺量測時，測點掛鉤要做成閉合的三角形，保證牢固不變形、點接觸，如圖示。有尺量測的掛鉤設置 初期支護施做后，用沖擊鉆或煤礦螺旋鉆鑿40mm、深600mm的孔（其中伸入巖體300mm，外露不小于50mm），用1:1水泥砂漿或錨固藥卷填滿后插入端頭焊接掛鉤的22螺紋鋼筋，使同一基線兩測點的固定方向在同一斷面及水平線上。將監(jiān)控量測工作納入工序管理 監(jiān)控量測工作是隧道信息化施工的重要組成部分，必須將此項工作作為關鍵工序納入現(xiàn)場施工組織和

7、生產(chǎn)工序之中，結合公司相關要求，施工單位須編制監(jiān)控量測作業(yè)指導書及實施細則，并報監(jiān)理單位審批，施工中嚴格、認真實施。監(jiān)控量測與信息反饋程序圖無尺量測 傳統(tǒng)的隧道施工位移監(jiān)測多采用鋼尺式收斂計，但這種方法已有明顯的局限性，如現(xiàn)場操作困難，對施工干擾大，測量精度下降等問題。隨著國內(nèi)光電測距技術的迅速發(fā)展，隧道工程施工中已廣泛采用無尺量測技術,該監(jiān)測系統(tǒng)采用全站儀+方形十字反射片(規(guī)格40m*40mm)組成現(xiàn)場觀測系統(tǒng)，具體施做步驟：埋設測點設置儀器測點量測處理數(shù)據(jù)反饋指導施工。無尺量測無尺量測法主要用于圍巖變形量測，具有以下優(yōu)點：(1)自動化程度高，操作簡便大大減少了因人工操作而引起的誤差；(2)

8、系統(tǒng)精度高，左右兩側進行復測復核，能夠滿足量測要求；(3)非接觸量測，在大跨度隧道量測中具有明顯優(yōu)勢；(4)軟件操作方便，可及時反饋信息。全站儀要具有免棱鏡激光測距功能，采用兩次讀數(shù)取平均值的方法。 無尺量測施工現(xiàn)場無尺量測施工現(xiàn)場 隧道開工前，根據(jù)隧道規(guī)模、隧道開工前，根據(jù)隧道規(guī)模、地形、地質條件、支護類型和參地形、地質條件、支護類型和參數(shù)、施工方法等進行監(jiān)控量測設數(shù)、施工方法等進行監(jiān)控量測設計。其中包括：量測管理組織機計。其中包括：量測管理組織機構、量測項目、量測儀器、測點構、量測項目、量測儀器、測點布置、量測頻率、數(shù)據(jù)處理及量布置、量測頻率、數(shù)據(jù)處理及量測數(shù)據(jù)日報制度等。測數(shù)據(jù)日報制度等

9、。變形觀測點埋設元變形觀測點埋設元件及標識牌件及標識牌無尺量測指導施工無尺量測指導施工隧道施工監(jiān)控量測技術 2、施工監(jiān)控量測方案的制定、施工監(jiān)控量測方案的制定 量測方案應根據(jù)隧道地質地形條件、支護類型和參數(shù)、施工方法和其他有關條件制定。其具體內(nèi)容包括： 監(jiān)控量測項目、方法及監(jiān)控量測斷面選定：斷面內(nèi)測點的數(shù)量、位置、量測頻率、量測儀器和元件的選定及精度、埋設時間等。 傳感器埋設設計：埋設方法、步驟、各部分尺寸、工藝選定及工程進度銜接等。 固定測試元件的結構設計。 量測數(shù)據(jù)記錄表格式，表達量測結果的格式，量測數(shù)據(jù)精度確認的方法。隧道施工監(jiān)控量測技術 量測斷面布置圖和文字說明。 量測數(shù)據(jù)處理方法，利

10、用量測反饋信息修正設計和施工方法。 量測數(shù)據(jù)大致范圍，作為判斷異常依據(jù)。 用初期量測值預測最終值，綜合判斷隧道最終穩(wěn)定的標準。 施工管理方法，出現(xiàn)異常情況的對策。隧道施工監(jiān)控量測技術五、隧道施工量測項目與方法1、隧道施工量測項目、隧道施工量測項目 包括必測項目和選測項目，應根據(jù)隧道工程地質條件、圍巖類別、圍巖應力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質、支護類型等因素確定。監(jiān)控量測必測項目監(jiān)控量測必測項目序號監(jiān)控量測項目常用量測儀器備注1洞內(nèi)、外觀察現(xiàn)場觀察、數(shù)碼相機、羅盤儀2拱頂下沉水準儀、銦鋼尺或全站儀3凈空裱花收斂計、全站儀4地表沉降水準儀、銦鋼尺或全站儀隧道淺埋段5拱腳下沉水準儀或全站儀不良

11、地質和特殊巖土隧道淺埋段6拱腳位移水準儀或全站儀不良地質和特殊巖土隧道淺埋段監(jiān)控量測選測項目監(jiān)控量測選測項目序號序號監(jiān)控量測項目監(jiān)控量測項目常用量測儀器常用量測儀器1圍巖壓力壓力盒2鋼架內(nèi)力鋼筋計、應變計3噴混凝土內(nèi)力混凝土應變計4二次襯砌內(nèi)力混凝土應變計、鋼筋計5初期支護與二次襯砌間接接觸壓力壓力盒6錨桿軸力鋼筋計7圍巖內(nèi)部位移多點位移計8隧底隆起水準儀、銦鋼尺或全站儀9爆破振動震動傳感器、記錄儀10孔隙水壓力水壓計11水量三角堰、流量計12縱向位移多點位移計、全站儀隧道施工監(jiān)控量測技術2、隧道施工量測內(nèi)容及方法、隧道施工量測內(nèi)容及方法 洞內(nèi)外觀察（必測項目）目測觀察的目的 預測開挖面前方的

12、地質條件。 為判斷圍巖的穩(wěn)定性提供地質依據(jù)。 根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài)，分析支護結構的可靠程度。隧道施工監(jiān)控量測技術 隧道目測觀察內(nèi)容： 開挖工作面觀察應在每次開挖后進行。主要觀察掌子面地質水文條件、巖性、結構面產(chǎn)狀、有無斷層，是否偏壓、圍巖類別，掌子面自穩(wěn)情況，地下水的影響情況等。觀察中發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時，應立即采取相應處理措施；及時繪制開挖工作面地質素描圖，填寫開挖工作面地質狀況記錄表和施工階段圍巖級別判定卡，并與勘察資料進行對比。 已施工地段觀察每天至少應進行一次，記錄噴射混凝土是否發(fā)生裂隙和剝離現(xiàn)象、錨桿的受力變形情況、鋼架是否受壓變形和二次襯砌的工作狀態(tài)等。 洞外觀察重點應在

13、洞口段和洞身淺埋段，記錄地表開裂、變形、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲漏情況等，同時還應對地面建(構)筑物進行觀察。隧道施工監(jiān)控量測技術 周邊位移量測 周邊位移量測目的收斂量測是隧道施工監(jiān)控量測的重要項目。周邊位移是隧道圍巖應力狀態(tài)變化最直觀的反映，通過周邊位移量測可以達到以下目的： 判斷隧道空間的穩(wěn)定性； 根據(jù)變位速度判斷圍巖穩(wěn)定程度和二次襯砌施作的合理時機； 指導現(xiàn)場的施工。隧道施工監(jiān)控量測技術 周邊位移量測方法及要求 收斂量測的主要內(nèi)容包括儀器選擇、斷面間距、量測頻率、測線布置、量測點埋設時間等。 收斂量測的間距與測點數(shù)量必測項目量測斷面間距和每斷面測點數(shù)量圍巖類別注:1、級圍巖視具體情況

14、確定間距。級圍巖視具體情況確定間距。 2、不良地質和特殊巖土地段應取小值。、不良地質和特殊巖土地段應取小值。圍巖類別圍巖類別斷面間距（斷面間距（m）VVI 510IV 1030III3050 量測頻率：量測頻率可根據(jù)位移速度和量測斷面距開挖面距離確定： 由位移速度決定的監(jiān)控量測頻率和由距開挖面的距離決定的監(jiān)控量測頻率之中，原則上采用較高的頻率值。出現(xiàn)異常情況或不良地質時，應增大監(jiān)控量測頻率。按距開挖面距離確定的監(jiān)控量測頻率按位移速度確定的監(jiān)控量測頻率位移速度（位移速度（mm/d）監(jiān)控量測頻率監(jiān)控量測頻率52次/d11次/d0.511次（2d3d）0.20.51次/（3d）0.21次/（7d）監(jiān)

15、控量測斷面距開監(jiān)控量測斷面距開挖面距離（挖面距離（m）監(jiān)控量測頻率監(jiān)控量測頻率（01）B2次/d（12）B1次/d（25）B1次（2d3d）5B1次/（7d）注：B為隧道開挖寬度。量測儀器 數(shù)據(jù)采集采用全站儀自由設站的方式進行測量，在能看到測點的地方自由架設全站儀，對中整平，量測收斂水平線兩端點的相對坐標為（Xa、Ya、Za）和（Xb、Yb、Zb）。 采用測點的三維坐標，通過兩點間計算公式計算出收斂側線的長度，前后兩次收斂側線長度之差就是本次收斂變形，本次收斂側線長度與初始收斂側線長度之差即為累計收斂變形，即：隧道施工監(jiān)控量測技術l 拱頂下沉量測 拱頂下沉量測目的 確認圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護效

16、果，指導施工工序，預防拱頂崩塌，保證施工質量和安全。 拱頂下沉量測儀器 精密水準儀或全站儀（3） 拱頂下沉量測原理 量測點埋設完畢后，采用全站儀自由設站的方式進行測量，每次測量時，將全站儀架設于后視點與量測斷面的中間位置，對中整平，后視基點1，（基點高程H1已知，隨著隧道向前開挖，基點一直向前變化），得到相對高程Z1，再前視量測斷面拱頂反射片，得到相對高程Z0，則量測斷面拱頂反射片中心的高程： H=H1+Z0-Z1 采用相對高程法計算測點高程，測點前后兩次相對高程之差就是本次沉降值，本次相對高程與初始相對高程之差即為累計沉降值。即： H=Hi-Hi-1 式中：Hi第i次相對高程 Hi-1第i-

17、1次測得相對高程 H第i次測得沉降值l 地表下沉量測目的：淺埋段預測地表坡面的穩(wěn)定。 根據(jù)地表建筑物，控制最大下沉量。設點：地表沉降測點橫向間距為25m。每個斷面設711個點，監(jiān)測范圍應在隧道開挖影響范圍以內(nèi)。在隧道中線附近測點應適當加密，隧道中線兩側量測范圍不應小于Ho + B（Ho為隧道埋深，B為隧道開挖寬度），地表有控制性建(構)筑物時，量測范圍應適當加寬。測點采用22螺紋鋼，深入坡體6080cm，外露5cm，表面磨平后在表面打眼作標記。地表下沉量測應在開挖工作面前方，隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始，直到二次襯砌結構封閉、下沉基本停止時為止。地表下沉量測頻率應與拱頂下沉和凈空變化的量測

18、頻率相同。凈空變化量測測線數(shù)圖1 洞頂?shù)乇硐鲁翜y點布置圖圖2-1全斷面開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖圖2-2 上下臺階法開挖拱頂沉降及周邊收斂測點布置圖六、隧道施工量測數(shù)據(jù)處理及應用1、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理 由于現(xiàn)場量測所得的原始數(shù)據(jù)，不可避免具有一定的離散性，其中包含著測量誤差甚至測試錯誤。不經(jīng)過整理和數(shù)學處理的量測數(shù)據(jù)一時難以直接利用。 數(shù)學處理的目的 將同一量測斷面的各種量測數(shù)據(jù)進行分析對比、相互印證，以確認量測結果的可靠性； 探求圍巖變形或支護系統(tǒng)的受力隨時間變化規(guī)律、空間分布規(guī)律，判定圍巖和支護系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。 量測數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容（可用Excel軟件

19、編制程序進行） 繪制位移、應變隨時間變化的曲線時態(tài)曲線； 繪制位移速率、應力速率、應變速率隨時間變化的曲線；量測數(shù)據(jù)整理、分析與反饋應符合下列要求： 1. 每次量測后應及時進行數(shù)據(jù)整理，并繪制量測數(shù)據(jù)時態(tài)曲線和距開挖面關系圖。 2. 對初期的時態(tài)曲線應進行回歸分析，預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。 3. 數(shù)據(jù)異常時，應根據(jù)具體情況及時采取加厚噴層、加密或加長錨桿、增加鋼架等加固措施。并按公司有關規(guī)定程序報告。 由于量測誤差所造成的離散性，按實測數(shù)據(jù)所繪制的位移等物理量隨時間或空間變化的散點圖上下波動，很不規(guī)則，難以用來分析。因此，需要采用數(shù)學處理的方法，將實測數(shù)據(jù)整理成試驗曲線或經(jīng)驗公式。 回

20、歸分析是目前量測數(shù)據(jù)處理的主要方法，通過對量測數(shù)據(jù)回歸分析可以預測最終值和各階段的變化速率?；貧w分析使用的函數(shù)如下： 對數(shù)函數(shù)U= Alg(B+t)/(B+t0) 指數(shù)函數(shù)U= AeB/ t 雙曲函數(shù)U= t /(A+ Bt) 式中：U變形值（或應力值）； A,B回歸系數(shù)； t,t0測點的觀測時間（d）。 2、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的應用、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的應用 從維護圍巖穩(wěn)定性和支護系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，現(xiàn)場測試人員關心圍巖變形量的大小，是否侵入隧道設計斷面的限界，是否對施工人員的安全構成威脅。以便及時調整設計參數(shù)和進行施工決策。 初期支護階段圍巖穩(wěn)定性的判斷和施工管理 根據(jù)最大位移值進行施工

21、管理 a.當量測位移U小于Uo /3，表明圍巖穩(wěn)定，可以正常施工。 b.當量測位移U大于Uo /3并小于2 Uo /3時，表明圍巖變形偏大，應密切注意圍巖動向?？刹扇∫欢ǖ募訌姶胧缂用?、加長錨桿等措施。（ U -位移實測值；Uo -極限相對位移值。） c.當量測位移U大于2 Uo /3時，表明圍巖變形很大，應先停止掘進，并采取特殊的加固措施，如超前支護、注漿加固等。 d.實測最大位移值或預測最大位移值不大于2 Uo /3時，可認為初期支護達到基本穩(wěn)定。根據(jù)位移速率進行施工管理根據(jù)位移速率進行施工管理 a.凈空變化速度持續(xù)大于5.0mm/d時，表明圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應加強初期支護系統(tǒng)。 b.當位移速度在10.2mm/d之間時，表明圍巖處于緩慢變形階段。 c.當位移速度小于0.2mm/d時，拱頂下沉速度小于0.15mm/d時，表明圍巖已達到基本穩(wěn)定。 在淺埋地段以及膨脹性和擠壓性圍巖等情況下，應采用其他指標判別。 根據(jù)位移時態(tài)曲線進行施工管理每次量測后應及時整理數(shù)據(jù)，繪制時態(tài)曲線。 a.當位移速率很快變小，時態(tài)曲線很快平緩，表明圍巖穩(wěn)定性好，可適當減弱支護。 b.當位移速率逐漸變小，即d2u/dt20，時態(tài)曲線趨于平緩，表明圍巖變形趨于穩(wěn)定，可正常施工。 c.當位移速率不變，即d2u/dt2=0，時態(tài)