隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)教材

1、隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)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(yīng)用隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)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(xué)行為以及它們之間的力學(xué)關(guān)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(zhì)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(dǎo)施工順序，進行施工管理，提供設(shè)計信息的主要手段。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(yīng)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(shù) 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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、指導(dǎo)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(xùn)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(yīng)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(shù)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(yù)見事故和險情，防患于未然。 2.指導(dǎo)施工；分析處理量測數(shù)據(jù)，預(yù)測和確認(rèn)隧道圍巖最終穩(wěn)定時間，指導(dǎo)施工順序和施作二次襯砌時間。 3.修正設(shè)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(shè)計措施的可靠性。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(shù)規(guī)程、關(guān)于進一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知（鐵建設(shè)2010120號）和鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程（Q/CR 9218-2015）等相關(guān)要求開展工作，并將監(jiān)控量測納入關(guān)鍵工序進行管理，監(jiān)控量

4、測結(jié)果應(yīng)及時反饋,指導(dǎo)設(shè)計與施工,隧道開挖后的圍巖變形量測應(yīng)按規(guī)定實施,量測數(shù)據(jù)應(yīng)繪制成圖。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 每座隧道應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況，編制具體監(jiān)控量測方案及實施細(xì)則，并配置專門人員和儀器負(fù)責(zé)此項工作。 針對隧道不同地質(zhì)情況，選用監(jiān)控量測項目和監(jiān)控手段，配置相應(yīng)精度的儀器。 測點應(yīng)緊靠工作面快速埋設(shè)，盡早測量。一般設(shè)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(yīng)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(dāng)采用收斂計量測時，每次測點位置應(yīng)固定，掛鉤不宜采用環(huán)形，應(yīng)采用三

5、角掛鉤。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 關(guān)于進一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知（鐵建設(shè)2010120號）有關(guān)監(jiān)控量測的規(guī)定： 1.隧道監(jiān)控量測應(yīng)按現(xiàn)行鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)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(yīng)作為關(guān)鍵工序納入現(xiàn)場施工組織。監(jiān)控量測必須設(shè)置專職人員并經(jīng)培訓(xùn)后上崗，對周邊建筑物可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的城市鐵路隧道，應(yīng)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(shè)置監(jiān)測網(wǎng)點并實施監(jiān)測。 5.當(dāng)拱頂下沉或水平收斂速率達(dá)5mm/d或位移累計達(dá)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(shè)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(guān)鍵工序納入現(xiàn)場施工組織和

7、生產(chǎn)工序之中，結(jié)合公司相關(guān)要求，施工單位須編制監(jiān)控量測作業(yè)指導(dǎo)書及實施細(xì)則，并報監(jiān)理單位審批，施工中嚴(yán)格、認(rèn)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(shù)的迅速發(fā)展，隧道工程施工中已廣泛采用無尺量測技術(shù),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(shè)測點設(shè)置儀器測點量測處理數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)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(cè)進行復(fù)測復(fù)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(zhì)條件、支護類型和參地形、地質(zhì)條件、支護類型和參數(shù)、施工方法等進行監(jiān)控量測設(shè)數(shù)、施工方法等進行監(jiān)控量測設(shè)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(gòu)、量測項目、量測儀器、測點構(gòu)、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(shè)元變形觀測點埋設(shè)元件及標(biāo)識牌件及標(biāo)識牌無尺量測指導(dǎo)施工無尺量測指導(dǎo)施工隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)地形條件、支護類型和參數(shù)、施工方法和其他有關(guān)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(shè)時間等。 傳感器埋設(shè)設(shè)計：埋設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。 量測數(shù)據(jù)記錄表格式，表達(dá)量測結(jié)果的格式，量測數(shù)據(jù)精度確認(rèn)的方法。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(shè)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(yù)測最終值，綜合判斷隧道最終穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。 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(shù)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(yīng)根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖類別、圍巖應(yīng)力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質(zhì)、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(zhǔn)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(zhǔn)儀、銦鋼尺或全站儀隧道淺埋段5拱腳下沉水準(zhǔn)儀或全站儀不良

11、地質(zhì)和特殊巖土隧道淺埋段6拱腳位移水準(zhǔn)儀或全站儀不良地質(zhì)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(yīng)變計3噴混凝土內(nèi)力混凝土應(yīng)變計4二次襯砌內(nèi)力混凝土應(yīng)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(zhǔn)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(shù)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(yù)測開挖面前方的

12、地質(zhì)條件。 為判斷圍巖的穩(wěn)定性提供地質(zhì)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(jié)構(gòu)的可靠程度。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 隧道目測觀察內(nèi)容： 開挖工作面觀察應(yīng)在每次開挖后進行。主要觀察掌子面地質(zhì)水文條件、巖性、結(jié)構(gòu)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(yīng)立即采取相應(yīng)處理措施；及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖，填寫開挖工作面地質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)對地面建(構(gòu))筑物進行觀察。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，通過周邊位移量測可以達(dá)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(dǎo)現(xiàn)場的施工。隧道施工監(jiān)控量測技術(shù) 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(shè)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(zhì)和特殊巖土地段應(yīng)取小值。、不良地質(zhì)和特殊巖土地段應(yīng)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(zhì)時，應(yīng)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(shè)站的方式進行測量，在能看到測點的地方自由架設(shè)全站儀，對中整平，量測收斂水平線兩端點的相對坐標(biāo)為（Xa、Ya、Za）和（Xb、Yb、Zb）。 采用測點的三維坐標(biāo)，通過兩點間計算公式計算出收斂側(cè)線的長度，前后兩次收斂側(cè)線長度之差就是本次收斂變形，本次收斂側(cè)線長度與初始收斂側(cè)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(shù)l 拱頂下沉量測 拱頂下沉量測目的 確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護效

16、果，指導(dǎo)施工工序，預(yù)防拱頂崩塌，保證施工質(zhì)量和安全。 拱頂下沉量測儀器 精密水準(zhǔn)儀或全站儀（3） 拱頂下沉量測原理 量測點埋設(shè)完畢后，采用全站儀自由設(shè)站的方式進行測量，每次測量時，將全站儀架設(shè)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(yù)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(shè)點：地表沉降測點橫向間距為25m。每個斷面設(shè)711個點，監(jiān)測范圍應(yīng)在隧道開挖影響范圍以內(nèi)。在隧道中線附近測點應(yīng)適當(dāng)加密，隧道中線兩側(cè)量測范圍不應(yīng)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(gòu))筑物時，量測范圍應(yīng)適當(dāng)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(biāo)記。地表下沉量測應(yīng)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(jié)構(gòu)封閉、下沉基本停止時為止。地表下沉量測頻率應(yīng)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(yīng)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(xué)處理的量測數(shù)據(jù)一時難以直接利用。 數(shù)學(xué)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(rèn)量測結(jié)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(yīng)變隨時間變化的曲線時態(tài)曲線； 繪制位移速率、應(yīng)力速率、應(yīng)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(yīng)符合下列要求： 1. 每次量測后應(yīng)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(guān)系圖。 2. 對初期的時態(tài)曲線應(yīng)進行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。 3. 數(shù)據(jù)異常時，應(yīng)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(guān)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(xué)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(yù)測最終值和各階段的變化速率。回歸分析使用的函數(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(yīng)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(yīng)用、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的應(yīng)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(guān)心圍巖變形量的大小，是否侵入隧道設(shè)計斷面的限界，是否對施工人員的安全構(gòu)成威脅。以便及時調(diào)整設(shè)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(dāng)量測位移U小于Uo /3，表明圍巖穩(wěn)定，可以正常施工。 b.當(dāng)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(yīng)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(dāng)量測位移U大于2 Uo /3時，表明圍巖變形很大，應(yīng)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(yù)測最大位移值不大于2 Uo /3時，可認(rèn)為初期支護達(dá)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(yīng)加強初期支護系統(tǒng)。 b.當(dāng)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(dāng)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(dá)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(yīng)采用其他指標(biāo)判別。 根據(jù)位移時態(tài)曲線進行施工管理每次量測后應(yīng)及時整理數(shù)據(jù)，繪制時態(tài)曲線。 a.當(dāng)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(dāng)減弱支護。 b.當(dāng)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(dāng)位移速率不變，即d2u/dt2=0，時態(tài)