第二十章施工监控量测与超前地质预报技术.docx
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第二十章施工监控量测与超前地质预报技术
第二十章施工监控量测与超前地质预报技术
第一节概述
一、隧道施工监控量测的目的
对于隧道工程施工，虽然目前很难用一种有效的本构模型对承载结构进行全面准确的力学计算，但是承载结构变化最直观的就是产生位移，可以利用不同的量测方法和量测仪器得到承载结构位移及内力的变化。
通过以往获得大量的承载结构变形及内力量测结果，可以得出承载结构变形及内力变化与承载结构稳定之间的规律。
结合已有的工程量测资料，利用类比法可以确定现有承载结构受力变化是否安全。
隧道监控量测的实施运用，便是通过种种量测方法得到准确的承载结构变化的相关数据，利用数学方法进行分析，通过类比可以得出一定的结论。
目前，隧道的设计工作是在其理论基础的指导下，参考已建工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程对围岩的量测分析来完善设计。
因此，量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它始终伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环。
实践证明，利用工程类比法和量测手段获得有关参数进行设计是可以收到满意的效果的。
隧道施工量测工作的作用或目的：
（1）掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计，指导施工。
（2）预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。
（3）积累资料，为以后的隧道设计提供类比依据。
（4）为确定隧道安全提供可靠的信息。
（5）量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以保证施工安全和隧道稳定。
二、隧道现场量测计划制定
（一）隧道监控、量测计划
隧道现场监控量测计划，即测试方案和实施计划，应根据隧道的工程地质，水文地质、地形条件、支护类型和参数、施工方法及其他有关条件进行制定。
（二）隧道现场量测计划的主要内容
1．现场量测的主要手段、量测仪表和工具及其选用、量测项目及方法的确定；
2．施测部位和测点布置及测量人员组织；
3．测试方案和实施计划的测定；
4．量测数据处理与应用、量测管理等。
三、监测系统设计原则
施工监测是一项系统工程，监测工作的成败与选用监测方法的选取及测点的布置直接相关。
根据以前监测工作的经验，归纳以下几条原则。
（一）可靠性原则：
可靠性原则是监测系统设计中所考虑的最重要的原则。
为了确保其可靠性，必须做到：
第一，系统需要采用可靠的仪器。
第二，应在监测期间保护好测点。
（二）多层次监测原则：
多层次监测原则的具体含义有四点：
1．在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目。
2．在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法。
3．在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪器。
4．考虑分别在地表、及临近建筑物与地下管线上布点以形成具有一定测点覆盖率的监测网。
（三）方便实用原则：
为减少监测与施工之间的干扰，监测系统的安装和测量应尽量做到方便实用。
（四）济合理原则：
系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的先进性，以降低监测费用。
四、监测作业流程
图20-1-1工作流程图
第二节大断面隧道监控量测重点及方法
一、高速铁路隧道监控量测的内容和特点
高速铁路隧道施工的监测旨在收集可反映施工过程中围岩动态的信息，据以判定隧道围岩的稳定状态，以及所定支护结构参数和施工的合理性。
因此量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。
（一）必测项目A
必测项目是必须进行的常规量测项目，是为了在设计施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测。
这类量测通常测试方法简单、费用少、可靠性高，但对监视围岩稳定，指导设计施工却有巨大的作用。
必测项目是新奥法量测的重点，主要包括：
1.隧道内目测观察
2.隧道内空变位量测
3.拱顶下沉量测
（二）选测项目B
选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及喷锚支护的效果，为未开挖区段的设计与施工积累现场资料。
这类量测项目测试比较麻烦，量测项目较多，费用较高。
因此，除了有特殊量测任务的地段外，一般根据需要选择其中一些必要的项目进行量测。
各级围岩量测项目表20-2-1
类别
项目
围岩条件
A
B
洞内
观察
净空
变位
拱顶
下沉
地表
下沉
围岩
位移
衬砌
应力
围岩
条件
洞内
弹性波
硬岩（Ⅰ～Ⅲ）
■
■
■
▲
▲
▲
▲
▲
软岩（Ⅲ～Ⅳ）
■
■
■
▲
▲
▲
▲
▲
软岩（Ⅳ~Ⅴ）
■
■
■
▲
■
●
●
▲
土砂
■
■
■
■
●
▲
■
▲
注：
■——必须进行项目；●——应进行项目；▲——必要时进行项目。
二、监测项目与方法
监测项目表表20-2-2
序号
量测
项目
类
别
量测目的
量测断面间距
量测频率
控制标准
量测仪器
1
地质及支护观察
A
了解开挖面自稳及支护变形开裂情况
1次/天
地质罗盘
2
净空变形
A
掌握变形值及变形速度，用以判断:
围岩的稳定性及初期支护设计和施工方法的合理性,模筑二次衬砌时间。
H＜2B时
5～10m
H≥2B时
10～20m
距开挖面距离
（0～1）B时
1～2次/天
（1～2）B时
1次/天
（2～5）B时
1次/2天
＞5B时1次/7天
水平允许
相对位移
值％
0.2～0.8
收敛计
3
拱顶下沉
A
监测拱顶下沉值，了解断面变化情况，判断拱顶的稳定性
H＜2B时
5～10m
H≥2B时
10～20m
同上
20～30
mm
精密水准仪，钢卷尺
4
地表沉降
A
判断开挖对地表产生的影响，及防止沉陷措的效果。
同上
同上
20～30
mm
精密水准仪，铟钢尺
5
地下水位
A
了解降水引起地下水位的变化以及对周围地表沉降的影响。
20～30
mm
精密水准仪，铟钢尺测绳
6
超前地质预报
B
判断前方地质情况作好相应施工准备
超前地质预报仪
7
地层分层
沉降
B
推测作用在隧道上的荷载范围
选有代表性的3～5个断面
距开挖面距离
（0～2）B时
1次/天
（2～5）B时
1次/2天
＞5B时1次/7天
地层分层沉降仪
8
围岩内部
变形
B
了解隧道周边围岩松驰区范围，判断锚杆设计参数和施工的合理性
选有代表性的3～5个断面
同上
位移计
9
围岩压力
和两层衬
砌间压力
B
了解围岩变形压力和衬砌间接触压力的大小和分布规率检验支护衬砌受力情况
选有代表性的3～5个断面
距开挖面距离（0～2）B时
1次/天
（2～5）B时
1次/2天
＞5B时1次/7天
≤设计值
压力盒
10
二砌钢筋
及初支钢
支撑应力
B
设计参数是否合理推求围岩压力
选有代表性的3～5个断面
同上
≤设计值
钢筋应力
计
11
爆破震动
B
每次起爆
频率接收仪
三、非接触三维观测
传统的隧道变形监测，一般采用钢尺式收敛计和挂钢尺抄平等接触方式进行。
该方法具有成本低、操作简单和适应恶劣施工环境的优点。
但这种接触法一般无法进行三维观测。
当要了解隧道周边点的三维变化时，上述传统方法显得无能为力。
随着我国西部大开发战略的实施，高速铁路蓬勃发展，我国将有越来越多的大跨度隧道的修建。
跨度的不断增加使传统的监测方法具有明显的局限性，如挂尺困难，测量精度下降等问题。
于是就提出了隧道变形监测新技术——非接触三维观测（无尺量测）。
无尺量测技术在日本、瑞士等国已经应用于地下工程的净空位移量测中。
实现的方法大致有三种：
一是以多台电子经纬仪为主要设备的三维解析测量；二是全站仪为主要设备的三维变形量测；三是以近景摄影机为主要设备的近景变形量测。
目前，利用全站仪作为主要设备的隧道净空三维观测方法是主要发展方向。
（一）系统简介
无尺监测系统，是在国际流行的极坐标测量系统的基础上，结合隧道局科研所与Leica成都公司联合开发的机载软件和数据分析（该软件能对测量数据进行精度评价、抗差、平差处理）基础上，对隧道净空变形进行有效、快速监测的测量系统。
（二）全站仪选型及其配套设备
为了满足隧道变形监测的需要，全站仪的精度应达到
，分辨力达到
，而测距精度为1+1ppm，分辨力选到O.1mm。
这样对于几十米长的隧道范围内观测点，其定位精度用1～2测回可选10-1mm级。
也可采用测角精度为
，测距精度为2+2ppm的全站仪，但要达到1mm的定位精度，须增加测回数。
经过广泛的资料查询和调研工作，适用于隧道变形监测的全站仪主要有以下几种，如表20-2-3。
表20-2-3高精度全站仪技术参数表
类型
TC2003
TC1800TCA1800
NET2100
测距精度
1+1ppm
1+2ppm
1+1ppm
测角精度
机带电池工作时间
7600次
7600次
2小时
抗环境干扰能力
七级密封、
防水、防尘
七级密封、
防水、防尘
二级密封、
防水、防尘
操作方便性
方便
方便
方便
控制及应用程序开发环境
机载开发语言，提供用户指令
机载开发语言，提供用户指令
无
行业评价
精度高、稳定性好、价格高
精度高、稳定性好、价格较高
精度高、稳定性好、价格较高
目前应用领域
隧道变形监测和大坝变形监测等
隧道变形监测和大坝变形监测等
大坝变形监测
基本配置价格（参考价）
448，000元
195，000元
228950元
与徕卡全站仪配合使用的徕卡反射片，是一种具有回复反射性能的反射膜片，反射膜片由丙烯酸脂制成，背部为不干胶，厚度为0.28mm，呈银灰色，大小可根据测距选择。
测量中常使用的反射片的技术参数见表20-2-4。
表20-2-4反射片技术参数表
反射片大小（mm）
测量范围（m）
精度
20×20
2～40
3mm
40×40
20～100
3mm
60×60
60～180
3mm
四、远程自动化监测技术
20世纪90年代开始，世界科学技术飞速发展，特别是计算机技术、网络技术的迅猛发展，使得传统岩土工程监测技术的水平也迅速得到提升。
主要发展趋势表现为它的自动化、网络化、数字化和快速化水平的提高。
国外自动化监测系统最早出现在大坝安全监测领域，从20世纪60年代开始从事观测自动化的研制开发，20世纪70年代进入实用阶段。
从法国、意大利、美国、西班牙、日本和瑞士等工业发达国家实现自动化的情况看，有的起于资料管理自动化，有的则首先实现采集自动化。
国内在自动化监测系统研究方面最近几年发展迅速，在隧道工程、泥石流预警以及边坡稳定性监测都有成功运用的实例。
如中铁西南科学研究院开发研制的EMM－TF80自动化监测系统（图20-2-1）是80路隧道温度、应变自动测量系统，它是针对青藏铁路建设和运营研发的工程与环境监测系统，实现了电阻温度数据和钢弦频率数据的采集、存储及传送按照预定的顺序自动完成，可以由单台也可多台仪器组成，数据可以用有线或无线方式转送。
该仪器与计算机构成一个即时的全自动数采网络系统，针对高原多年冻土铁路隧道围岩冻融圈受气温变化影响，通过埋设大量温度传感器以及气象要素的测试，开展隧道洞内外气温规律的研究、隧道洞内地温规律的研究以及气温变化对围岩地温的影响研究。
在海拔4700m的昆仑山隧道和4900m的风火山隧道建立了现场工作站，共埋设各类温度传感器件近2500只，建成一座9要素自动气象站。
目前取得隧道温度测试数据数十万个、气象观测资料上万组。
见图20-2-2。
下面主要介绍新建铁路穿越既有结构时对既有结构采用的远程自动化监测方法。
图20-2-1EMM－TF180自动化监测系统图20-2-2昆仑山隧道气象站
（一）远程自动化监测的目的
新建铁路的施工必然会引起既有结构的变位，为保证既有结构的安全，在新建铁路施工期间，必须对既有结构进行全天候的实时监控量测，传统监测技术在高密度的行车区间内无法实施，且不能满足对大量数据采集、分析以及及时准确的反馈，特别是在一些恶劣环境下，因此必须采用远程自动化监测系统对既有结构和轨道变形进行24小时监控量测。
（二）监测项目及方案
1．监测测点布设原则
监测范围根据理论计算及实际情况，本着突出重点，兼顾全局，正确指导施工的原则。
结构变形缝为重要监测对象，该区域需重点监测，在变形缝两侧布置静力水准仪监测变形缝两侧沉降变形，在变形缝两侧沿水平方向布置测缝计，监测变形缝张开度。
轨道结构变形为重要监测项目，该项加密测点布设。
2．监测项目
（1）结构沉降监测：
包括结构沉降监测和结构缝变形监测。
结构沉降监测采用采用静力水准仪，在结构沉降测点上采用明显标识，提醒管理人员注意保护，通信线路采用特殊连接与连通管路共同采用管路保护，监测人员定期巡视，保证仪器正常运行。
结构缝变形监测采用静力水准系统，沉降缝之间的胀缩测缝计进行测量，同时注意加强保护。
（2）轨道结构变形监测：
包括走行轨结构纵向变形监测、走行轨结构左右水平高低变化监测和走行轨水平距离的偏差监测，其中走行轨结构纵向变形监测为监测重点。
监测项目详见表20-2-5。
表20-2-5监测项目汇总表
序号
监测项目
监测仪器
监测频率
监测目的
1
既有结构沉降监测
静力水准系统
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有结构变形情况
2
既有结构变形缝沉降监测
静力水准系统
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有结构缝沉降变形情况
3
既有结构缝胀缩监测
测缝计
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有结构缝水平变形情况
4
走行轨结构纵向变形监测
静力水准系统
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有轨道结构纵向变形情况
5
走行轨结构左右水平变形监测
梁式倾斜仪
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有轨道结构左右水平变形情况
6
走行轨水平距离变形监测
变位计
施工关键期：
1次/20分钟
一般施工状态：
1次/2小时
掌握施工期间既有轨道水平距离变形情况
注：
可根据施工情况和沉降情况调整监测频率，随时将监测信息通报监测领导小组。
（三）监测仪器
1．静力水准仪
（1）静力水准仪原理
该方法及所选用的仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。
图20-2-3测量原理示意图
（2）RJ型电容式静力水准仪
由图20-2-4所示，仪器由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。
当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容体相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算得测点的相对沉陷。
1）主要技术指标
①测量范围：
25mm～50mm
②最小分辨率：
0.01mm
③测点误差：
＜0.5％F·S
④使用环境条温度：
-20~70˚C
2）仪器安装调试
仪器的安装尺寸如图20-2-5所示，按要求在测点预埋∅180三个均布的M8⨯40（伸出长度）螺杆。
①检查各测墩顶面水平及高程是否符合设计要。
②检查测墩预埋钢板及三根安装仪器螺杆是否符合设计要求。
③预先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及塑料连通管。
④将仪器主体安装在测墩钢板上，用水准器在主体顶盖表面垂直交替放置，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满足要求。
⑤将仪器及连通管系统联接好，从未端仪器徐徐注入SG溶液，排除管中所有气泡，连通管需有槽架保护。
⑥将浮子放于主体容器内。
⑦将装有电容传感器的顶盖板装在主体容器上。
仪器及静力水准管路安装完毕后，用专用的3芯屏蔽电缆与电容传感器焊接，并进行绝缘处理。
3芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、黄芯接激励（桥压）接线端口。
当容器液位上升时，电容比测值应变小，否则将白、黄芯接线位置互换。
图20-2-4RJ型电容式静力水准仪图20-2-5静力水准仪安装示意图
2．RW型电容式位移计
走行轨水平距离的偏差及结构缝的胀缩监测适应此位移测量的传感器种类很多，有线电位计式、角电位计式、振弦式、差动变压器及电容感应式等，与其它类型相比，RW型电容感应式变位计有结构简单，长期稳定性好，温度影响小，测量精度高的优点。
（1）主要技术指标
1）测量范围：
10mm
2）最小分辨率：
0.01mm
3）测点误差：
＜0.5％F·S
4）使用环境条温度：
-20~70˚C
（2）仪器安装调试
走行轨水平距离的偏差及结构缝的胀缩监测在两轨之间安装测距仪即可。
结构缝的胀缩监测，在缝的两测用膨胀螺丝固定测缝计的安装夹具，将测缝计固定在夹具上，如图20-2-6。
安装完毕后按设置的通道接入DAU2000数据采集单元中即可实现自动测量。
图20-2-6结构缝的胀缩监测
3．梁式倾斜仪
梁式倾斜国内外主要采用了振弦式和电解液式两种方式，振弦式测斜仪不适应震动环境，电解液式固定式测斜仪其原理是通过测量测斜仪中位于两球形面间电解液的导电电阻测出倾角变化，属交流采样，美国、加拿大、德国均有生产。
图20-2-7所示为美国AG公司生产的电解液式梁式倾斜仪。
图20-2-7美国AG公司生产的电解液式梁式倾斜仪
走行轨结构左右水平高低变化监测在相邻两传铁轨用膨胀螺丝固定测斜梁，调节初始位置，将电解液式梁式倾斜仪安装递梁上即可。
基本步骤如下：
检验仪器是否完好、测量是否准确；按仪器安装要求做好安装底梁，并使安装底座基本保持水平；按照仪器说明书进行安装和接线调试。
安装完毕后按设置的通道接入DAU2000数据采集单元中即可实现自动测量。
4．数据采集单元
（1）主要功能和特点
1）实时时钟管理：
本模块自带实时时钟，可实现定时测量，自动存储，起始测量时间及定时测量周期可自由设置。
2）参数及数据掉电保护：
所有设置参数及自动定时测量数据都存储于专用的存储器内，可实现掉电后的可靠保存。
3）电源备用系统：
无论何时发生停电时，本模块自动切换至备用电池供电，一节6V、4AH/4AH可充电的免维护蓄电池可连续工作7天以上。
4）自诊断功能：
本模块具有自诊断功能，可对数据存储器、程序存储器、中央处理器、实时时钟电路、供电状况、电池电压、测量电路以及电容传感器线路进行自检查，实现故障自诊断。
5）抗电功能：
本模块电源线、通信线、传感器引线的入口均采取了抗电击的措施。
6）选测功能：
根据需要通过对传感器测点的选择设置，完成一次测量并可输出这些测点的测量数据。
7）单测功能：
通过选择某一传感器测点的选择，可实现对此测点的连续多次测量，测量次数可设定。
2）仪器安装调试
现场安装前对数据采集模块进行拷机及相关试验,对模块进行筛选,确保其达到规定技术指标。
数据采集单元DAU2000的安装位置要考虑仪器接入，DAU维护方便，一般在观测站中高度不宜超过1.6米，用4个地脚螺栓连接，安装后机箱平整，仪器进线整齐、标识明确，信号线、通讯线、电源线与DAU接线端子的接头均用镀银冷压接头，以保证可靠性。
将机箱的接地端子连接到观测站地线上。
DAU2000安装如图20-2-8所示。
图20-2-8DAU2000安装图
第三节量测信息的分析与反馈
一、量测信息分析
为了检验量测结果的可靠性，了解围岩应力状态、变形规律和稳定型程度，应对量测数据进行回归分析。
（一）洞内拱顶下沉
由于拱顶下沉的量测是在结构开挖后才进行的，所以有部分变形无法直接得到，故须对量测数据进行回归分析，求出曲线方程，推算出前期已发生的变形量，估算最大拱顶变形值。
根据以往的经验，拟采用的回归方程为：
U=A[1-e-Bx]X≥0
U--变形值
X—测点距掌子面距离
A—拱顶最大变形值
B—回归系数
（二）洞内净空水平收敛
洞内净空水平收敛与洞内拱顶下沉的监测结果综合分析，回归方程的形式与洞内拱顶下沉回归方程一致，只是最大变形值与回归系数不同。
（三）地中垂直位移监测
为描绘地中垂直沉降分布规律，采用日本岛田隆夫模型经验公式：
Ua/Ub=Ae-B（H/D）
Ua—地表隧道中线处沉降值
Ub--地表H深度处沉降值
A、B—与施工方法、地层条件有关的系数
（四）地中水平位移监测
与地中垂直位移配合进行分析，绘制地层在垂直轴向的剖面上位移随深度增加的发展变化趋势。
二、具体监测资料的反馈程序见下图
图20-3-1监测资料反馈管理程序框图
图20-3-2监控信息反馈流程图
第四节围岩与衬砌变形控制基准
由于观察和监控量测是与施工并行实施的，为了使观察和监控量测结果对设计与施工进行反馈，必须迅速地对监测结果做出评价，提出并实施相应的对策。
为此，要求预先确定评价监测结果的安全判别基准及与之相应的对策。
就安全基准而言，一般以针对必测项目中的周边位移监控量测和拱顶下沉量测而确定的居多。
作为安全基准所用的指标，可以使位移量，也可以是位移速率，安全基准通常用容许位移值表示。
但该值的确定受许多因素影响，所以从满足工程实际出发，目前多采用位移速率进行安全控制。
片面强调下沉的绝对值是不科学的，工程实践证明，制定统一的标准是不妥的，应按不同地区，不同建筑类别区别对待，以确定经济、合理的控制基准。
一、制定安全基准的原则
制定安全控制基准一般应参照以下原则：
（一）安全基准值必须在监控量测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、市政、监控量测等有关部门，根据当地水文地质、结构特点共同商定，列入监控量测方案。
（二）有关结构安全基准值应满足结构设计计算中对强度和刚度的要求，一般应小于或等于设计值。
（三）有关环境保护的安全基准值，应考虑保护对象，由主管部门实事求是地研究提出确保其安全和正常使用的要求值，即科学、可行的安全值。
（四）安全基准值应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工速度和减小施工费用。
（五）安全基准值应有利于补充和完善现行的相关设计、施工法规、规范和规程。
（六）对一些目前尚未明确规定控制值的监控量测项目，可参照国内外相似工程的监控量测资料确定其控制值。
在监测实施过程中，当某一监控量测值超越基准值时，除了及时报警外，还应结合工程实际、变位速率等因素，与有关部门共同研究分析，必要时可对控制值进行调整。
二、管理标准值的设定
在量测中最重要的是要有一个标准，以便评价设计、施工是否妥当，并根据标准进行施工管理。
管理标准值中有根据构件强度测定锚杆轴力的，也有评价隧道周边围岩稳定性，基于解析、经验，并在施工中不断修正的。
因此，应根据不同的量测项目，规定合适的标准值。
管理标准值多数是按有量测可能的净空位移值、位移速度、岩石变形等加以规定，以确保围岩稳定，不能使围岩强度和支护功能急剧丧失（考虑初期支护的承载力富裕），能够确保衬砌厚度线在位移内收敛等为前提条件设定的。
在埋深小和膨胀性围岩的条件下，对地表面下沉和地中位移、锚杆轴力等也要设定管理标准值。
应该指出，在不连续性围岩中，量测结果不一定能够完全反映围岩的动态，应结合洞内观察的结果设定管理标准。
设定管理标准值时，基本上考虑对隧道周边围岩
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