隧道施工監(jiān)控量測與測試

1、隧道施工監(jiān)控量測與測試長安大學公路學院隧道與巖土系李寧軍第一節(jié) 概述 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(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。 1、隧道監(jiān)控量測的必要性： 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。 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。2 2、施工監(jiān)控量測的目的和任務(wù)、施工監(jiān)控量測的目的和任務(wù) 通過監(jiān)控量測了解各施工階段地層與支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，判斷圍巖的 穩(wěn)定性、支護、襯砌的可靠性； 用現(xiàn)場實測的結(jié)果彌補理論分析過程中存在的不足，并把監(jiān)測結(jié)果反饋設(shè)計，指導(dǎo)施工

2、，為修改施工方法，調(diào)整圍巖級別、變更支護設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)； 通過監(jiān)控量測對施工中可能出現(xiàn)的事故和險情進行預(yù)報，以便及時采取措施，防患于未然； 通過監(jiān)控量測，判斷初期支護穩(wěn)定性，確定二次襯砌合理的施作時間； 通過監(jiān)控量測了解該工程條件下所表現(xiàn)、反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點，為今后類似工程或該施工方法本身的發(fā)展提供借鑒，依據(jù)和指導(dǎo)作用。 量測 項目圍巖種類必測項目選測項目洞內(nèi)觀察凈空收斂拱頂下沉錨桿抗拔力地表下沉圍巖內(nèi)位移錨桿軸力鋼支撐應(yīng)力接觸壓力混凝土應(yīng)變洞內(nèi)彈性波硬巖軟巖土砂 量測 項目圍巖種類必測項目選測項目洞內(nèi)觀察凈空收斂拱頂下沉錨桿抗拔力地表下沉圍巖內(nèi)位移錨桿軸力鋼支撐應(yīng)力接觸壓力混

3、凝土應(yīng)變洞內(nèi)彈性波硬巖軟巖土砂必須實施、可以實施、必要時實施監(jiān)控量測與反饋流程圖第二節(jié)第二節(jié) 必測項目必測項目1 1、隧道內(nèi)目測觀察 細致的目測觀察，對于監(jiān)視圍巖穩(wěn)定性是既省事而作用又很大的監(jiān)測方法，它可以獲得與圍巖穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)的直觀信息，應(yīng)當予以足夠的重視，所以目測觀察是新奧法量測中的必測項目。1）隧道目測觀察的目的是：預(yù)測開挖面前方的地質(zhì)條件。為判斷圍巖、隧道的穩(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。2）觀察內(nèi)容：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，并做好記錄。對初期支護效果觀察包括：

4、錨桿的錨固效果、噴層的光潔度、噴層有無裂縫，裂縫的部位、長度、寬度、深度，噴層是否把鋼支撐全部覆蓋。2 2、周邊收斂量測 隧道圍巖周邊各點趨向隧道中心的變形稱為收斂。所謂周邊收斂量測主要是隧道內(nèi)壁面兩點連線方向的距離的變形量的量測。收斂值為兩次量測的距離之差。1 1）量測目的）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。 2 2）量測設(shè)計）量測設(shè)計 收斂量測的間距與測線 必測項目量測斷面間距和每斷面測點數(shù)量 圍巖類別

5、斷面間距（m）每斷面測點數(shù)量凈空變化拱頂下沉51012條基線13點10301條基線1點30501條基線1點量測頻率：量測頻率可根據(jù)位移速度和量測斷面距開挖面距離 按位移速度位移速度（mm/d）量測頻率52次/d151次/d0.511次/23d0.20.51次/3d0.21次/7d按距開挖面距離(注：b為隧道開挖寬度)量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率(01)b2次/d(12)b1次/d(25)b1次/23d5b1次/7d3 3）量測儀器）量測儀器 目前隧道施工中常用的收斂計為機械式的收斂計和數(shù)顯式收斂計。例：QJ-85型坑道周邊收斂計；JSS30A型數(shù)顯收斂計；SWJIV型隧道隧道收斂計。 4

6、 4）測試原理）測試原理測試中讀得初始數(shù)值X0；間隔時間t后，用同樣的方法可讀得t時刻的值Xt，則t時刻的周邊收斂值Ut即為的兩次讀數(shù)差。即UtL0LtXt1Xt0式中：L0初讀數(shù)時所用尺孔刻度值； Lt時刻時所用尺孔刻度值； Xt1時刻時經(jīng)溫度修正后的讀數(shù)值，Xt1Xtt Xt0初讀數(shù)時經(jīng)溫度修正后的讀數(shù)值，Xt0X0t Xt時刻量測時讀數(shù)值； X0初始時刻讀數(shù)值； t溫度修正值；t（T0T）L 鋼尺線膨脹系數(shù)； T0鑒定鋼尺的標準溫度， T0 =20 T每次量測時的平均氣溫； L鋼尺長度。3 3、拱頂下沉量測 埋深較淺、固結(jié)程度低的地層，水平成層的場合，這項量測比收斂量測更為重要。1）量測

7、目的 量測數(shù)據(jù)是確認圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護效果，指導(dǎo)施工工序，預(yù)防拱頂崩塌，保證施工質(zhì)量和安全的最基本的資料。 2）量測儀器 精密水準儀 3）量測原理第一次讀數(shù)后視點讀數(shù)為A1，前視讀數(shù)為B1；第二次后視點讀數(shù)為A2，前視讀數(shù)為B2。拱頂變位計算方法如下：差值計算法：鋼尺和標尺均正立（即讀數(shù)上小下大）。后視讀數(shù)差 A=A2-A1 前視讀數(shù)差 B=B2-B1拱頂變位值 C=B-A C0拱頂上移；C0 拱頂上移；C0 拱頂下沉。 1 1、圍巖內(nèi)部位移量測1）隧道圍巖內(nèi)部位移量測的主要目的是： 了解隧道圍巖的徑向位移分布和松弛范圍。 判斷開挖后圍巖的松動區(qū)、強度下降區(qū)以及彈性區(qū)的范圍。 根據(jù)實測結(jié)果

8、優(yōu)化錨桿參數(shù)，指導(dǎo)施工。2）量測儀器：多點位移計3）測量原理第二節(jié)選測項目2、錨桿軸力量測1）量測目的了解錨桿實際工作狀態(tài)及軸向力的大小。結(jié)合位移量測，判斷圍巖發(fā)展趨勢，分析圍巖內(nèi)強度下降區(qū)的界限修正錨桿設(shè)計參數(shù)，評價錨桿支護效果。2）量測方法和儀器 錨桿的軸向力測定，按其量測原理可分為電測式和機械式兩類。其中電測式又可分為電阻應(yīng)變式和鋼弦式。 電阻應(yīng)變式和機械式是通過量測錨桿不同深度處的應(yīng)變（或變形），然后按有關(guān)計算方法轉(zhuǎn)求應(yīng)力。 鋼弦式則是通過測定不同深度處傳感器受力后的鋼弦振動頻率變化，轉(zhuǎn)求應(yīng)力，其工作原理見本章的弦測法原理。3 3、圍巖壓力及兩層支護間壓力量測 隧道開挖后，圍巖要向凈空

9、方向變形，而支護結(jié)構(gòu)要阻止這種變形，這樣就會產(chǎn)生圍巖作用與支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力。圍巖壓力量測，通常情況下是指圍巖與支護或噴層與二次襯砌混凝土間的接觸壓力的測試。1）目的：了解圍巖壓力的量值及分布狀態(tài)；判斷圍巖和支護的穩(wěn)定性，分析二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度。2）量測儀器與原理 接觸壓力量測儀器根據(jù)測試原理和測力計結(jié)構(gòu)不同分為液壓式測力計和電測式測力計。 目前隧道中多用電測式， 弦測法原理：在傳感器中有一根張緊的鋼弦，當傳感器受外力作用時，弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，隨著弦的內(nèi)應(yīng)力改變，自振頻率也相應(yīng)地發(fā)生變化，弦的張力越大，自振頻率越高，反之，自振頻率越低。 圖614 鋼弦式雙膜壓力盒構(gòu)造圖1剛性板；2彈

10、性板；3傳力軸；4弦夾；5鋼弦鋼弦式壓力盒布置圖4 4、鋼支撐應(yīng)力量測 一般在、級圍巖中常采用型鋼支撐；級圍巖中常采用格柵支撐。通過對鋼支撐的應(yīng)力量測，可知鋼支撐的實際工作狀態(tài)，從鋼支撐的性能曲線上可以確定在此壓力作用下鋼支撐所具有的安全系數(shù)，視具體情況確定是否需要采用加固措施。1）量測目的了解鋼支撐應(yīng)力的大小，為鋼支撐選型與設(shè)計提供依據(jù)。根據(jù)鋼支撐的受力狀態(tài)，判斷隧道空間和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。了解鋼支撐的實際工作狀態(tài)，保證隧道施工安全。2）量測元件 目前使用較普遍的型鋼支撐應(yīng)力量測多采用鋼弦式表面應(yīng)變計，格柵支撐應(yīng)力量測多采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計。 鋼弦式表面應(yīng)變計結(jié)構(gòu)圖 鋼弦式鋼筋應(yīng)力計 5 5

11、、混凝土應(yīng)力量測 混凝土應(yīng)力量測包括噴射混凝土和二次襯砌模筑混凝土應(yīng)力量測。其目的是了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)；掌握噴層所受應(yīng)力的大小，判斷噴射混凝土層的穩(wěn)定狀況；判斷支護結(jié)構(gòu)長期使用的可靠性以及安全程度；檢驗二次襯砌設(shè)計的合理性，積累資料。第三節(jié) 量測數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用1、 量測數(shù)據(jù)處理的目的 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)學處理的目的是： 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(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，

12、判定圍巖和支護系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。2、量測數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容 繪制位移、應(yīng)力、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； 繪制位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨開挖面推進變化的曲線空間曲線； 繪制位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨圍巖深度變化的曲線； 繪制接觸壓力、支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力在隧道橫斷面上分布圖。3、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。1）初期支護階段圍巖穩(wěn)定性的判據(jù)和施工管理根據(jù)最大位移值進行施工管理a.當量測位移U小于Un/3，表明圍巖穩(wěn)定，可

13、以正常施工。b.當量測位移U大于Un/3并小于2Un/3時，表明圍巖變形偏大，應(yīng)密切注意圍巖動向，可采取一定的加強措施，如加密、加長錨桿等措施。c.當量測位移U大于2Un/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2Un/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a.當位移速率大于1mm/d時，表明圍巖處于急劇變形階段，應(yīng)密切關(guān)注圍巖動態(tài)。b.當位移速率在10.2mm/d之間時，表明圍巖處于緩慢變形階段。c.當位移速率小于0.2mm/d時，表明圍巖已達到基本穩(wěn)定，可以進行二次襯砌作業(yè)。(3)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.當位移