隧道監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用

1、新奧法隧道施工監(jiān)控量測新奧法隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用交流會(huì)交流會(huì)范明坤 高級(jí)工程師交通部試驗(yàn)檢測師 2016.1.12 昆明 云南航天工程物探檢測股份有限公司 1 監(jiān)控量測的定義監(jiān)控量測的定義2 目的及意義目的及意義3 要求及流程要求及流程4 內(nèi)容及方法內(nèi)容及方法5 數(shù)據(jù)管理措施數(shù)據(jù)管理措施6成果分析及應(yīng)用成果分析及應(yīng)用7注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)8典型案例典型案例目 錄1、隧道監(jiān)控量測的定義、隧道監(jiān)控量測的定義 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測是指在隧道施工過程中，對圍巖和支護(hù)、襯砌受力狀態(tài)的量測?，F(xiàn)場監(jiān)控量測是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定，判斷支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，施工方法是否正確的一種手段；也是保證新奧法安全施工、

2、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要條件；為施工中可能有的工程變更提供科學(xué)依據(jù)；它貫穿隧道施工的全過程。為此公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60-2009） 中規(guī)定：采用復(fù)合式襯砌的隧道，必須將現(xiàn)場監(jiān)控量測項(xiàng)目列入施工組織設(shè)計(jì)，制定監(jiān)控量測計(jì)劃，并在施工中認(rèn)真實(shí)施。2、監(jiān)控量測的目的及意義、監(jiān)控量測的目的及意義 監(jiān)控量測可以及時(shí)提供隧道洞內(nèi)拱頂下沉、周邊位移和地表下沉測量，及時(shí)判斷隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和隧道洞口淺埋段地表沉降和穩(wěn)定情況，通過上述監(jiān)控，可以判斷施工工藝的可行性，提出更加恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?。?shí)現(xiàn)隧道信息化動(dòng)態(tài)施工控制，達(dá)到既能安全快速施工，又能節(jié)省工程造價(jià)的目的。同時(shí)若進(jìn)行選擇項(xiàng)目（支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)量

3、測和圍巖體內(nèi)部位移等信息），可以對隧道支護(hù)參數(shù)的合理性進(jìn)行分析判斷，為支護(hù)參數(shù)的調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)。（1）確保安全：為此需要掌握圍巖和支護(hù)狀態(tài)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)量測信息，預(yù)見事故和險(xiǎn)情，以便及時(shí)采取措施，防患于未然。（2）指導(dǎo)施工：量測數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處，總結(jié)隧道圍巖及支護(hù)變形規(guī)律，預(yù)測和確認(rèn)圍巖最終穩(wěn)定時(shí)間，指導(dǎo)施工順序和施作二次襯砌時(shí)間，以安排合理的施工順序和二次襯砌施作時(shí)機(jī)。（3）修正設(shè)計(jì)：根據(jù)隧道開挖后所獲得的量測信息，進(jìn)行綜合分析，修正支護(hù)參數(shù)和檢驗(yàn)施工預(yù)設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)與施工的合理性和經(jīng)濟(jì)性。（4）積累資料：已有工程的量測結(jié)果可以直接應(yīng)用到后續(xù)同類圍巖中或者間接地應(yīng)用到其他類似的工程中

4、，作為設(shè)計(jì)和施工的參考資料。2、監(jiān)控量測的目的及意義、監(jiān)控量測的目的及意義3 3、監(jiān)控量測的要求及流程監(jiān)控量測的要求及流程3.1量測的要求: 快速埋設(shè)測點(diǎn)(一般設(shè)置在距掌子面、工作面2m范圍內(nèi)，開挖后24小時(shí)、下次爆破前測取第一次讀數(shù)。） 測量讀數(shù)在隧道內(nèi)盡量要快；保證測量點(diǎn)不被破壞；讀數(shù)準(zhǔn)確可靠3.2監(jiān)測斷面布置： 根據(jù)隧道圍巖的級(jí)別不同，監(jiān)控量測的周邊位移、拱頂下沉量測斷面布置如下：圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別斷面間距（斷面間距（m）51010303050 現(xiàn)現(xiàn) 場場 工工 作作 程程 序序準(zhǔn)準(zhǔn) 備備 工工 作作確定埋設(shè)斷面確定埋設(shè)斷面測點(diǎn)埋設(shè)測點(diǎn)埋設(shè)數(shù)據(jù)整理分析數(shù)據(jù)整理分析資料歸檔資料歸檔數(shù)據(jù)采集數(shù)

5、據(jù)采集4 4、監(jiān)控量測內(nèi)容及方法、監(jiān)控量測內(nèi)容及方法 序號(hào)項(xiàng)目名稱方法及工具布置測試精度量測間隔時(shí)間量測間隔時(shí)間115d16d1個(gè)月13個(gè)月大于3個(gè)月1洞內(nèi)、外觀察地質(zhì)素描；地質(zhì)羅盤、地質(zhì)錘；相機(jī)開挖后及初期支護(hù)后進(jìn)行2周邊位移各種類型位移計(jì)每1050m一個(gè)斷面，每斷面23對測點(diǎn)。0.1mm1 2次/d1 次/2d12次/周13次/月3拱頂下沉水準(zhǔn)測量的方法，水準(zhǔn)儀、鋼尺等（全站儀器）每1050m一個(gè)斷面0.1mm4地表下沉水準(zhǔn)測量的方法，水準(zhǔn)儀、銦鋼尺等幅口段、淺埋段h.02b)0.5mm開挖面距量測斷面前后2b時(shí)，12次/d；開挖面距量測斷面前后5b時(shí)，1次/23d；開挖面距量測斷面前后5

6、b時(shí)，1次/37d.。4.1 地質(zhì)、支護(hù)狀態(tài)觀察地質(zhì)、支護(hù)狀態(tài)觀察 該項(xiàng)目包括對掌子面觀察和支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果觀察。掌子面工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況觀察包括巖石的名稱、巖層產(chǎn)狀、斷層、層理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面的分布、走向、產(chǎn)狀。每茬炮后需要觀測一次。支護(hù)狀態(tài)觀察包括初期支護(hù)狀態(tài)和已施工區(qū)域支護(hù)效果觀察。如噴射砼開裂部位、寬度長度及深度。二次襯砌的整體性、防水效果等，每天觀察一次。洞內(nèi)狀態(tài)觀察是可靠性很高且最直接的判斷資料。對洞外邊仰坡穩(wěn)定和地表滲透觀察按要求進(jìn)行描述；做好相關(guān)的觀察記錄。觀察使用地質(zhì)羅盤、地質(zhì)錘、鋼卷尺、放大鏡、秒表、手電、照相機(jī)或攝像機(jī)等。 周邊位移量測是最基本的主要量測項(xiàng)目之一，布置

7、在主測斷面。先在測點(diǎn)處用鑿巖機(jī)（或電鉆）在待測部位成孔，然后將藕合劑（錨固劑）置入孔中，最后將收斂預(yù)埋件敲入，旋正收斂鉤，盡量使兩預(yù)埋件軸線在基線方向上，以利收斂計(jì)懸掛和觀測。待凝固后，周邊收斂量測采用收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。BCa)測線布置圖DE b)B、C、D、E測點(diǎn)示意圖 c)A測點(diǎn)(拱頂）示意圖圍巖圍巖測頭測頭 拱頂下沉和周邊收斂測線布置圖測頭 4.2 4.2 周邊位移量測周邊位移量測斷面布置圖斷面布置圖臺(tái)階法測點(diǎn)布置示意圖 CRD法測點(diǎn)布置示意圖不同施工方法斷面布置圖不同施工方法斷面布置圖不要焊接在鋼拱架上不要焊接在鋼拱架上 我們用測線布置圖中的BC和DE邊的值變化來實(shí)現(xiàn)對凈空水平收斂的

8、量測。周邊收斂數(shù)據(jù)處理：回歸分析時(shí)，一般同時(shí)采用下面的三種函數(shù)，通過對比，推算最終位移時(shí)采用三個(gè)函數(shù)中回歸精度（擬合程度）較高的一個(gè)函數(shù)，不同測點(diǎn)的回歸函數(shù)可能不同。 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析4.3 拱頂拱頂下沉量測下沉量測 拱頂下沉量測數(shù)據(jù)，主要用于確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性。測點(diǎn)布設(shè)方法是在拱頂中心位置，常與周邊量測點(diǎn)布設(shè)在一起，即布在主量測斷面。用鑿巖機(jī)鉆孔，然后將藕合劑（錨固劑）置入孔中，最后將收斂預(yù)埋件敲入，旋正收斂鉤，以利收斂計(jì)懸掛和觀測。待凝固后，拱頂下沉量測采用收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 拱頂下沉量測的方法常有三種： （1）用收斂計(jì)量測 該方法投入較少，用收斂計(jì)量測來獲取數(shù)據(jù)，操作簡單，且儀器設(shè)備投入

9、少；但后期的數(shù)據(jù)處理較多，可用計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)計(jì)算，提高工作效率。在實(shí)際隧道中主要是掛勾子太困難。（首推全站儀貼反光片來完成）（2）用水準(zhǔn)儀量測(差值法計(jì)算) 該方法用一測量鋼尺和高精度的水準(zhǔn)儀配合測量來實(shí)現(xiàn)對拱頂下沉的量測。測量時(shí)把鋼尺掛在預(yù)埋的測點(diǎn)上，下掛一1Kg的垂球保持鋼尺牽直，有水準(zhǔn)儀讀取鋼尺上的讀數(shù)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。最后采用差值法來計(jì)算，如果隧道較長，里面的BM點(diǎn)不好控制，視線不是很明顯。（3）用全站儀量測 該方法用全站儀來實(shí)現(xiàn)對拱頂下沉的量測。測量時(shí)在拱頂測點(diǎn)位置貼一個(gè)反光膜，用全站儀測量測點(diǎn)處的標(biāo)高，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。 斷面布置圖不要焊接在鋼拱架上不要焊接在鋼拱架上 根據(jù)測線

10、布置圖 ，由于ABC在同一垂直面內(nèi)，其計(jì)算方法如下：令BC=L、AB=m、AC=n、BH=Xb、CH=Xc、AH=h。由勾股定理：Xa2+h2=m2、Xb2+h2=n2、Xc+Xb=L解方程得：Xb=（L2+m2-n2）/2L、 Xc =（L2+n2-m2）/2L、 h2 = m2-Xb2 = n2-Xc2 我們用h值的變化來實(shí)現(xiàn)對拱頂下沉的量測。拱頂下沉數(shù)據(jù)處理：回歸分析時(shí)，與周邊收斂的數(shù)據(jù)方法相同。（如果隧道存在整體沉降數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確）BC4.4 地表下沉量測地表下沉量測 監(jiān)測斷面布設(shè)原則監(jiān)測斷面布設(shè)原則地表下沉量測，在淺埋隧道和隧道的洞口段通常位于軟弱、破碎、自然時(shí)間較短的圍巖中；每個(gè)隧

11、道至少2個(gè)斷面，若出現(xiàn)不良地質(zhì)情況時(shí)，加設(shè)監(jiān)測斷面； 當(dāng)現(xiàn)場地形陡峭及有樹木遮擋時(shí)，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；每個(gè)斷面上測線與隧道中心線垂直，埋設(shè)測點(diǎn)時(shí)中心監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在隧道軸線的地表位置，其它監(jiān)測點(diǎn)沿中心線對稱布置，測點(diǎn)間距由中心監(jiān)測點(diǎn)開始至距離地表隧道軸線最遠(yuǎn)一點(diǎn)由密至疏布置，具體距離按25m布置，寬度范圍為：W = B（開挖寬度）+ H/2（兩側(cè)埋深的一半）；參照標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)方法，埋設(shè)2個(gè)臨時(shí)水準(zhǔn)基點(diǎn)臨時(shí)水準(zhǔn)基點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在通視條件良好的隧道兩側(cè)稍遠(yuǎn)區(qū)域、不受隧道開挖下沉的影響穩(wěn)固地點(diǎn)，所有測點(diǎn)應(yīng)和基點(diǎn)聯(lián)測以取得原始高程。測點(diǎn)埋設(shè)與監(jiān)測測點(diǎn)埋設(shè)與監(jiān)測基點(diǎn)埋設(shè)在隧道開挖縱、橫向（35）倍洞徑外的區(qū)域，參照標(biāo)

12、準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)方法，埋設(shè)2個(gè)基點(diǎn)，以便互相校核，每個(gè)斷面711個(gè)測點(diǎn)。所有基點(diǎn)應(yīng)和附近水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測取得原始高程。在測點(diǎn)位置，開挖成長、寬、深均為200mm的坑，然后，放入地表測點(diǎn)預(yù)埋件（自制），測點(diǎn)四周用混凝土填實(shí)，待混凝土固結(jié)后即可量測。地表下沉用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。觀測時(shí)堅(jiān)持四固定原則，即施測人員固定，測站位置固定，測量延續(xù)時(shí)間固定，施測順序固定。從地表設(shè)點(diǎn)觀測，根據(jù)下沉位移量判定開挖對地表下沉的影響，以確定隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。地表下沉量測數(shù)據(jù)計(jì)算地表下沉量測數(shù)據(jù)計(jì)算地表下沉采用閉合測量法，這樣有利益我們檢查是否有誤，當(dāng)閉合差超過3mm時(shí)，我們必須重新測。在地形較陡、視線不通時(shí)我們有時(shí)候一站不能測

13、完，此時(shí)我們可以設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)乇硐鲁晾塾?jì)量到46cm時(shí)我們要加強(qiáng)觀測，必要調(diào)整施工工藝或提交量測預(yù)警報(bào)告。數(shù)據(jù)處理（儀高法計(jì)算）見下表。水準(zhǔn)測量記錄表及計(jì)算應(yīng)用5 5、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理措施監(jiān)測數(shù)據(jù)管理措施管理等級(jí)管理位移施工狀態(tài)U0Un3正常施工Un3U02Un3加強(qiáng)支護(hù)U02Un3采取特殊措施5.15.1變形監(jiān)測項(xiàng)目管理基準(zhǔn)變形監(jiān)測項(xiàng)目管理基準(zhǔn)針對隧道監(jiān)控量測，建立監(jiān)測變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，管理等級(jí)分三等，其等級(jí)劃分及相應(yīng)基準(zhǔn)值見下表。通過對監(jiān)測結(jié)果的比較和分析來判定支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，并指導(dǎo)施工。表變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表表變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表注：U0 為實(shí)測變形值，Un允許變形值，Un的確定：Un

14、的確定應(yīng)考慮圍巖級(jí)別、隧道埋置深度等因素并結(jié)合現(xiàn)場條件選擇。依據(jù)鐵路隧道施工規(guī)范（TB10204-2002）規(guī)定，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定判別，其判據(jù)如下所示：根據(jù)位移速度變化判別：周邊位移變化速度持續(xù)大于1.0mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)系統(tǒng)；周邊位移變化速度小于0.2mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。5.2 5.2 變形監(jiān)測速度管理基準(zhǔn)變形監(jiān)測速度管理基準(zhǔn)二階導(dǎo)數(shù)（加速度）二階導(dǎo)數(shù)（加速度）隧道位移監(jiān)控量測結(jié)果必須同時(shí)達(dá)到下列三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才可以進(jìn)行二次襯砌施作： 隧道周邊位移水平位移速度小于0.2mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。（回歸曲線后得到的速度） 隧道周邊水平

15、位移速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降； 隧道位移相對值已達(dá)到總相對位移量的90%以上。5 5.3 .3 二次襯砌施工條件二次襯砌施工條件6 6、隧道監(jiān)控量測成果分析隧道監(jiān)控量測成果分析6.1舉例：某某隧道K133+180斷面周邊位移(對數(shù)函數(shù)) 1). 回歸曲線:圖1-周邊位移-時(shí)間曲線回歸函數(shù)：回歸函數(shù)：AB： y = -6.578+3.018Ln(x)； Xmax4 55, Ymax = 11.895AC： y = -6.421+2.933Ln(x)； Xmax =4 55, Ymax = 11.530圖2、周邊位移速度-時(shí)間曲線回歸函數(shù)：回歸函數(shù)：AB： y = 3.018/x；

16、 Xmax = 455, Ymax = 0.007AC： y = 2.933/x； Xmax = 455, Ymax = 0.006圖3、周邊位移加速度-時(shí)間曲線2). 2). 穩(wěn)定性判別表穩(wěn)定性判別表: :變形等級(jí)管理變形等級(jí)管理( (根據(jù)累計(jì)位移計(jì)算根據(jù)累計(jì)位移計(jì)算) ) AB線：管理等級(jí)：III，施工狀態(tài)：可正常施工 AC線：管理等級(jí)：III，施工狀態(tài)：可正常施工分析結(jié)果分析結(jié)果( (根據(jù)位移變化速度計(jì)算根據(jù)位移變化速度計(jì)算) ) AB線：圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。 AC線：圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。分析結(jié)果分析結(jié)果( (根據(jù)位移變化加速度計(jì)算根據(jù)位移變化加速度計(jì)算) ) AB線：速率不斷下降，圍巖趨于

17、穩(wěn)定狀態(tài)。 AC線：速率不斷下降，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。3). 3). 綜合分析綜合分析 綜上所述： K133+180監(jiān)測斷面AB線累計(jì)位移、位移速度均較小、圍巖趨于穩(wěn)定，可正常施工。AC線累計(jì)位移、位移速度均較小、圍巖趨于穩(wěn)定，可正常施工。6.2舉例：某某隧道k133+180拱頂下沉(對數(shù)函數(shù))1). 回歸曲線:圖4、拱頂下沉位移-時(shí)間曲線圖5、拱頂下沉速度-時(shí)間曲線圖6、拱頂下沉加速度曲線-時(shí)間曲線2). 穩(wěn)定性判別表:變形等級(jí)管理(根據(jù)累計(jì)位移計(jì)算) A點(diǎn)：管理等級(jí)：I，施工狀態(tài)：應(yīng)采取特殊措施分析結(jié)果(根據(jù)位移變化速度計(jì)算) A點(diǎn)：圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。分析結(jié)果(根據(jù)位移變化加速度計(jì)算) A點(diǎn)

18、：速率不斷下降，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。3). 綜合分析K133+180監(jiān)測斷面拱頂A測點(diǎn)累計(jì)位移較大、但位移速度逐漸減小，表明圍巖變形偏大，應(yīng)密切注意圍巖動(dòng)向，有待觀測。樁號(hào)樁號(hào)測點(diǎn)測點(diǎn)監(jiān)測天數(shù)監(jiān)測天數(shù)累計(jì)值累計(jì)值（mm）平均速平均速度度(mm/d)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析K101+447 測點(diǎn)14558.61.30累計(jì)沉降值較大，曲線呈緩慢上升趨勢，下斷面尚未開挖。測點(diǎn)24581.51.81測點(diǎn)34582.61.84測點(diǎn)44588.91.98測點(diǎn)54597.52.17測點(diǎn)64591.02.02測點(diǎn)74574.11.65測點(diǎn)84556.01.246.3 大風(fēng)丫口隧道地表下沉數(shù)據(jù)分析6.4 地質(zhì)支護(hù)狀態(tài)觀察

19、7 7、量測數(shù)據(jù)應(yīng)用注意事項(xiàng)、量測數(shù)據(jù)應(yīng)用注意事項(xiàng)測點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)測點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)準(zhǔn)確準(zhǔn)確量測數(shù)據(jù)應(yīng)量測數(shù)據(jù)應(yīng)真實(shí)性真實(shí)性量測數(shù)據(jù)量測和反饋信息應(yīng)量測數(shù)據(jù)量測和反饋信息應(yīng)及時(shí)性及時(shí)性量測數(shù)據(jù)的突變與位移量測數(shù)據(jù)的突變與位移量測數(shù)據(jù)與施工狀態(tài)量測數(shù)據(jù)與施工狀態(tài)量測數(shù)據(jù)與修改設(shè)計(jì)量測數(shù)據(jù)與修改設(shè)計(jì)8 8、 隧道監(jiān)控量測典型案例隧道監(jiān)控量測典型案例 2009年6月廈蓉高速公路(貴州境)AT17合同段托苗坳隧道屬地質(zhì)條件差的連拱隧道，我公司監(jiān)測人員在現(xiàn)場監(jiān)測，地表下沉值在洞口段掘進(jìn)時(shí)明顯變化，且洞內(nèi)量測斷面的周邊收斂、拱頂下沉值變化較大，表明圍巖松弛在發(fā)展，支護(hù)的強(qiáng)度不夠。初期支護(hù)多處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，量測數(shù)據(jù)已經(jīng)超出規(guī)范規(guī)定值我方及時(shí)提交預(yù)警報(bào)告（分別以電話、短信等方式）給業(yè)主、監(jiān)理、施工單位要求撤離人員，停止施工，最終凌晨3點(diǎn)鐘隧道垮塌，無人員傷亡事故，見照片7.8.1 8.1 隧道監(jiān)控量測工程應(yīng)用實(shí)例一隧道監(jiān)控量測工程應(yīng)用實(shí)例一 2012年11月在麗攀高速公路華坪隧道進(jìn)口端左幅ZK182+815ZK182+821段，設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖；巖土體主要為褐色、淺灰色、黃色粉質(zhì)粘土及粉土，潮濕或較潮濕，呈疏松狀、可塑狀；巖土體穩(wěn)定性較差，易發(fā)生小坍塌及大塌方。我公司監(jiān)測組發(fā)現(xiàn)在地表ZK182+800ZK182+831區(qū)域段，地表下沉各觀測點(diǎn)沉降位移速度發(fā)生急劇變化，地