地下工程第9章 地下工程施工監(jiān)控量測

北京交通大學(xué)地下工程

主講：

本課程主要內(nèi)容：第一章：緒論（1講）第二章：地下工程環(huán)境及圍巖分級（2講）第三章：地下工程主體規(guī)劃及結(jié)構(gòu)設(shè)計（3講）第四章：地下結(jié)構(gòu)計算理論（2講）第五章：地下工程支護參數(shù)設(shè)計（2講）第六章：地下工程防排水設(shè)計（1講）第七章：地下工程施工降水（1講）第八章：地下工程施工方法（3講）第九章：地下工程施工監(jiān)控量測(1講）

第九章地下工程施工監(jiān)控量測第一節(jié)監(jiān)控量測目的及設(shè)計原則1、監(jiān)測目的

（1）了解施工過程中隧道支護結(jié)構(gòu)和周圍地層的動態(tài)變化情況，分析工程施工對原始地層的影響程度及可能產(chǎn)生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)為施工日常管理提供信息，保證施工的安全。

（2）為修改工程設(shè)計方案提供依據(jù)。

（3）保證施工影響范圍內(nèi)建筑物、地下管線的正常使用，為合理確定保護措施提供依據(jù)。

（4）驗證支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，為支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方案的修訂提供反饋信息。

（5）積累資料，以提高地下工程的設(shè)計和施工水平。

2、監(jiān)控量測設(shè)計原則第一：確切地預(yù)報破壞和變形等未來的動態(tài)，對設(shè)計參數(shù)和施工流程加以監(jiān)控，以便及時掌握圍巖動態(tài)而采取適當?shù)拇胧ㄈ珙A(yù)估最終位移值、根據(jù)監(jiān)控基準調(diào)整、修改開挖和支護的順序和時機等）。第二：滿足作為設(shè)計變更的重要信息和各項要求，如提供設(shè)計、施工所需的重要參數(shù)（初始位移速度、作用荷載等）。施工監(jiān)測是一項系統(tǒng)工程，監(jiān)測工作的成敗與選用監(jiān)測方法的選取及測點的布置直接相關(guān)。歸納以下5條原則：

（1）可靠性原則：可靠性原則是監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中所考慮的最重要的原則。為了確保其可靠性，必須做到：第一，系統(tǒng)需要采用可靠的儀器。第二，應(yīng)在監(jiān)測期間保護好測點。

（2）多層次監(jiān)測原則：多層次監(jiān)測原則的具體含義有四點：a、在監(jiān)測對象上以位移為主，兼顧其它監(jiān)測項目；b、在監(jiān)測方法上以儀器監(jiān)測為主，并輔以巡檢的方法；c、在監(jiān)測儀器選擇上以機測儀器為主，輔以電測儀器；d、考慮分別在地表、及臨近建筑物與地下管線上布點以形成具有一定測點覆蓋率的監(jiān)測網(wǎng)。

（3）重點監(jiān)測關(guān)鍵區(qū)的原則：在具有不同地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件、周圍建筑物及地下管線段，其穩(wěn)定的標準是不同的。穩(wěn)定性差的地段應(yīng)重點進行監(jiān)測，以保證建筑物及地下管線的安全。

（4）方便實用原則：為減少監(jiān)測與施工之間的干擾，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和測量應(yīng)盡量做到方便實用。

（5）經(jīng)濟合理原則：系統(tǒng)設(shè)計時考慮實用的儀器，不必過分追求儀器的先進性，以降低監(jiān)測費用。第二節(jié)監(jiān)測內(nèi)容9工程安全監(jiān)測項目（一）圍護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測

沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測1、圍護結(jié)構(gòu)沉降觀測2、圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測3、圍護結(jié)構(gòu)在不同深度的水平位移（測斜儀）（二）支護結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)的彎矩和支撐桿件的軸力（鋼筋計、軸力計、應(yīng)變計）（三）土壓力監(jiān)測（土壓力盒）（四）孔隙水壓力的監(jiān)測（孔隙水壓力計：透水石+傳感器）（五）地下水位監(jiān)測（地下水位儀：鋼尺水位計+水位管+測頭）10工程安全監(jiān)測項目（六）新奧法施工的隧道、地下通道及地下洞室變形和收斂監(jiān)測拱頂下沉、周邊收斂（收斂計、位移計）1、地質(zhì)素描應(yīng)包括：測試斷面的位置、形狀、尺寸及編號；巖石名稱、結(jié)構(gòu)及顏色；層理、片理、節(jié)理裂隙、斷層等軟弱面的產(chǎn)狀、寬度、延伸、連續(xù)性等；各結(jié)構(gòu)面成因類型、力學(xué)性質(zhì)、充填物成分等；巖體風(fēng)化程度、特點等；地下水類型、位置、水量等；溶洞等特殊地質(zhì)條件描述；施工方法及噴層開裂、剝落等。第三節(jié)監(jiān)測方法

2、水準儀量測拱頂下沉或地表下沉

3、收斂計測隧道周邊相對位移

數(shù)顯式收斂計：4、位移計量測圍巖內(nèi)部位移先向圍巖鉆孔，然后用位移計量測鉆孔內(nèi)各點相對于孔口一點的相對位移。5、用鋼筋計測錨桿內(nèi)應(yīng)力和拉拔器測錨桿抗拔力

6、壓力盒測支護與圍巖之間的接觸應(yīng)力

7、測斜儀測土體水平位移

普通測斜儀遙感式測斜儀普通測斜儀8、分層沉降儀測土體分層沉降

9、電阻式應(yīng)變計測應(yīng)變（表面及埋入式）10、滲壓計測水壓11、遙感自動光學(xué)掃描儀12、鉆孔狀況測定儀13、混凝土強度回彈儀14、光纖傳感器1、量測項目的選擇

第四節(jié)監(jiān)測計劃2、測試斷面、測線、測點、測孔布設(shè)測試斷面：拱頂下沉及周邊位移在同一斷面，盡可能接近開挖面。測線（收斂）：

測孔（圍巖內(nèi)位移）：

測點（接觸應(yīng)力）：1、量測數(shù)據(jù)分析整理每次觀測后應(yīng)立即對原始觀測數(shù)據(jù)進行校核和整理，包括原始觀測值的檢驗、物理量的計算、填表制圖，異常值的剔除、初步分析和整編等，并將檢驗過的數(shù)據(jù)輸入計算機的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。第五節(jié)量測數(shù)據(jù)分析與反饋位移（應(yīng)力）控制值時間（t）0

時態(tài)散點示意圖

采用比較法、作圖法和數(shù)學(xué)、物理模型，分析各監(jiān)測物理量值大小、變化規(guī)律、發(fā)展趨勢，以便對工程的安全狀態(tài)和應(yīng)采取的措施進行評估決策。常用的回歸分析函數(shù)為：對數(shù)函數(shù)：指數(shù)函數(shù)：雙曲線函數(shù)：

根據(jù)時間位移曲線散點圖和距離位移曲線散點圖，如果位移的變化隨時間(或距掌子面距離)而漸趨穩(wěn)定，說明圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護系統(tǒng)是有效、可靠的，如圖中的正常曲線。圖中曲線出現(xiàn)了反彎點，說明位移出現(xiàn)反常的急驟增長現(xiàn)象，表明圍巖和支護已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)立即采取相應(yīng)的工程措施。35圍巖穩(wěn)定性判斷1)位移隧道施工時，圍巖和支護實測位移值若超過某一臨界值，則表示圍巖不穩(wěn)定，需加強支護襯砌。2)位移速度如：日本新奧法設(shè)計施工指南指出，當位移速度大于20mm/d時，就需要特殊支護，否則可能使圍巖失穩(wěn)。二次襯砌在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作3)位移加速度位移加速度為負值，表明圍巖變形趨于穩(wěn)定；位移加速度=0，變形速度長時間保持不變，表明圍巖趨向不穩(wěn)定，須發(fā)出警告，及時加強襯砌；位移加速度為正值，圍巖變形速度增加，表明圍巖已處于危險狀態(tài)，須立即停止開挖，迅速加固襯砌或采取措施加固圍巖。2、監(jiān)測結(jié)果的反饋

（1）圍巖位移：若位移過大，應(yīng)調(diào)整支護參數(shù)，縮短開挖到支護時間，縮短臺階長，控制二次襯砌施作。

（2）圍巖內(nèi)位移及松動區(qū)：要求錨桿大于松動區(qū)。

（3）錨桿軸力：判斷錨桿是否超強。

（4）圍巖壓力：若圍巖壓力大，但變形量不大，說明支護(尤其是封底)時間可能過早或支護剛度太大；若圍巖壓力大，變形量也大，應(yīng)加強支護，限制圍巖變形；若圍巖壓力不大，但變形量很大，則應(yīng)考慮可能會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。

（5）噴層應(yīng)力：噴層應(yīng)力與圍巖壓力及位移密切相關(guān)，噴層應(yīng)力大的原因一是圍巖壓力大和位移大，二是支護不足。

（6）地表下沉：對于淺埋隧道，地表下沉過大，會引起地表建筑物的破壞，應(yīng)加強支護、調(diào)整施工措施。第六節(jié)工程實例

廣州龍頭山隧道，為雙洞八車道，最大開挖跨度20.7m，是國內(nèi)公路跨度最大的隧道之一，隧道的矢跨比為0.65，是典型的扁坦形公路隧道。施工方法：洞口Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，進入Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用全斷面中導(dǎo)洞法施工。序號監(jiān)測項目測試儀器測點布置原則監(jiān)測頻率1拱頂下沉分步開挖時在各部拱頂點每隔5～10m布一測點距開挖面距離0~1B，測試頻率1~2次/日；距開挖面距離1~2B，測試頻率1次/日；距開挖面距離2~5B，測試頻率2次/日；距開挖面距離5B以上，測試頻率1次/周2凈空收斂收斂計與拱頂點同一斷面。布置7條凈空收斂量測測線，在臨時支護上布置6條測線。距開挖面距離0~1B，測試頻率1~2次/日；距開挖面距離1~2B，測試頻率1次/日；距開挖面距離2~5B，測試頻率2次/日；距開挖面距離5B以上，測試頻率1次/周3錨桿軸力選取6個主斷面埋設(shè)，每個主斷面布置10個測點距開挖面距離0~1B，測試頻率1~2次/日；距開挖面距離1~2B，測試頻率1次/日；距開挖面距離2~5B，測試頻率2次/日；距開挖面距離5B以上，測試頻率1次/周4初支格柵內(nèi)力鋼筋計、頻率接收儀選取4個主斷面埋設(shè)，每個主斷面布置20個測點距開挖面距離1~2B，測試頻率1~2次/日；距開挖面距離2B以上，測試頻率1次/周5二襯鋼筋內(nèi)力鋼筋計、頻率接收儀選取6個主斷面埋設(shè)，每個主斷面布置28個測點前15天：測試頻率1~2次/日；15天后，測試頻率1次/1～2周6圍巖壓力壓力盒、頻率接收儀選取6個主斷面埋設(shè)，每個主斷面布置10個測點前15天：測試頻率1~2次/日；15天后，測試頻率1次/1～2周監(jiān)控量測項目：監(jiān)控量測項目表

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法二襯鋼筋內(nèi)力測點布置雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖壓力測點布置

臺階法位移測點布置

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移測點布置

測點布置：

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法錨桿軸力測點布置

多點位移計埋設(shè)示意圖

監(jiān)測控制基準值：圍巖級別覆蓋層厚度（m）<5050~300>300Ⅲ0.10~0.300.20~0.500.40~1.20Ⅳ0.15~0.500.40~1.200.80~2.00V0.20~0.800.60~1.601.00~3.00隧道周邊允許相對位移值（%）管理等級管理位移值施工狀態(tài)Ⅲ可以正常施工Ⅱ應(yīng)加強支護Ⅰ應(yīng)采取特殊的措施位移量測數(shù)據(jù)管理等級

監(jiān)測及反饋：

（a）側(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降（b）核心土部位拱頂沉降

（c）左側(cè)導(dǎo)水平收斂（d）右側(cè)導(dǎo)水平收斂進口段ZK5+825斷面位移時態(tài)曲線（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工）

導(dǎo)洞拱頂沉降量持續(xù)增大，左導(dǎo)洞拱頂累計沉降達30mm，右導(dǎo)洞拱頂沉降達50mm。核心土部位拱頂沉降量持續(xù)增大，每日下沉量變化跳躍，拱頂累計沉降量不到5mm。左導(dǎo)洞收斂一直呈增大趨勢，6月24日的日收斂量達10.62mm，隨著收斂的增大斷面附近左邊墻出現(xiàn)環(huán)向裂縫，預(yù)留核心土也出現(xiàn)多條裂縫，因此課題組加強監(jiān)測，并隨時將信息反饋給各方，6月28日左邊墻又出現(xiàn)45的裂縫，后趨于穩(wěn)定，最大收斂值為64.4mm。右側(cè)導(dǎo)洞收斂變形值較小，最大只有11mm。

斷面ZK5+870第三套位移計測點實測沉降-時間關(guān)系曲線

地表變形影響最大的是隧道正上方，隨著距離隧道中心的距離增加到1倍洞徑后，地表沉降量迅速減小。測點5364、5365沉降平緩，而5339、5375、5368沉降變形有明顯突變，說明隧道開挖在豎向?qū)?倍洞徑外地層影響是很小的。這也說明進入深埋段地表位移值將非常小。

左導(dǎo)洞各點測試值開始波動較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定，錨桿軸力普遍較小，且大部分受壓，最大拉力0.5KN，最大壓力-2.5KN。右導(dǎo)洞各點測試值開始波動較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定，錨桿軸力普遍較小，受拉測點略多于受壓測點，最大拉力2.5KN，最大壓力-0.9KN。核心土錨桿軸力普遍較小，最大拉力1.0KN，最大壓力-0.2KN。

進口段ZK5+870斷面錨桿軸力時態(tài)曲線

在洞口段的全、強風(fēng)化花崗巖地段，錨桿軸力普遍較小，且大部分受壓，因此錨桿的支護效果不明顯，建議在以后的類似工程中可以取消系統(tǒng)錨桿，這既可減少施工工序，也加快隧道初期支護斷面及早封閉，能更好的控制支護沉降與變形，并節(jié)約工程投資。由上述分析結(jié)果可以看出：在洞身段的微、弱風(fēng)化花崗巖地段，錨桿普遍受拉，且拉力較大，因此錨桿作用效果較明顯，但同一斷面不同部位的錨桿軸力相差較大，說明作用效果不一樣，建議在以后的類似工程中可采用局部錨桿，不一定采用系統(tǒng)錨桿，局部錨桿的施做部位由施工單位根據(jù)需要來定。

（1）初支背后土壓力分布極不均勻，規(guī)律性很差，而且壓力值普遍偏小，其中77％測點的土壓力小于100kPa，13％測點的土壓力在100～200kPa之間，12％測點的土壓力大于200kPa，而且最大的土壓力只有932kPa。（2）初支與二襯之間的接觸壓力分布極不均勻，規(guī)律性很差，而且壓力值普遍偏小