隧道监控量测与超前地质预报技术建议文档格式.docx
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1~3个月
大于
3个月
必测项目
1
地质和支护状况观察
岩层、岩性，结构面产状及支护裂缝观察或描述,数码相机、地质罗盘及规尺等
开挖后及初期支护后进行
每次爆破后进行观察
2
周边位移
量测
各种类型的收敛计
每5～50m一个断面，每断面2～6对测点
1~2次/天
1次/2天
1~2次/周
1~3次/月
3
拱顶下沉
水准仪、水准尺、钢尺或测杆
4
地表下沉
水准仪、塔尺
当
每5~50m一个断面，每断面至少7个测点。
中线每5~20m一个测点
开挖面距量测断面前后<
2B,1~2次/天
5B,
开挖面距量测断面前后>
1次/周
选测项目
5
锚杆内力量测
锚杆测力计
每一环检测1根锚杆
6
围岩内部位移量测（洞内设点）
洞内钻孔安设单点、多点杆式或钢丝位移计
每一级围岩段选一断面，每断面3－11个测点
7
围岩内部位移量测（地表设点）
地表钻孔安设各类位移计
同地表下沉要求
8
围岩压力及支护间压力量测
各种类型压力盒
每一级围岩段选一组，每组3—5个测点
1次/2天
9
支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝
各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法
每一级围岩段选一组，每组2－5个断面，每断面7—11个测点
10
钢支撑内力量测
采用钢支撑地段
每10榀钢拱支撑一对测力计
监控量测的频率除按照表1中常规量测频率外，为更好的反映隧道施工实时动态，还应按照位移速度确定量测频率。
量测频率原则上采用两种方法确定的较高值。
按照位移速度确定量测频率的标准见表2。
表2按照位移速度确定量测频率
位移速度（mm/d）
监控量测频率
>
2次/d
1～5
1次/d
0.5～1
1次/2～3d
0.2～0.5
1次/3d
<
0.2
1次/7d
4.1必测项目
必测项目包括围岩地质和支护描述、地表沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测。
这类量测是为了确保在施工过程中的围岩稳定和施工安全而进行的经常性量测工作。
量测密度大，工作量大，量测信息直观可靠，贯穿在整个施工过程中，对监视围岩稳定、指导设计和施工有巨大的作用。
土建施工完成量测工作亦告结束。
其布置原则是根据隧道不同的地质条件、施工方法设置，但不能少于《公路隧道施工规范》的规定。
必测项目的量测手段和方法如下：
（1）地质及支护状况观察
在隧道掌子面每次爆破后通过肉眼观察以下内容：
岩石的岩性特征包括颜色、成分、结构、构造；
节理性质、组数、间距、规模，节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征；
断层的性质、产状、破碎带宽度、特征；
地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水的化学成分，湿度等；
开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。
开挖后已支护段观察以下内容：
初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝状况的描述和记录；
有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象；
喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏口；
有无锚杆和喷凝土施工质量问题；
钢拱架有无被压屈现象；
是否存在底鼓现象。
所有项目的观察应做到及时，对观察结果的描述和记录应详细，必要时还应进行拍照。
具体实施时可以填写如下隧道掌子面地质状况素描记录卡（表3）。
（2）隧道拱顶下沉量测
拱顶下沉量测采用精密水准仪（精度0.1mm）、钢圈尺及精密因瓦水准尺进行量测。
在隧道开挖毛洞的拱顶设置带挂钩的预埋件作为测桩，埋设前先用小型钻机在待测部位成孔，然后将测桩放入，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。
对于较差的围岩，锚桩可在锚喷支护后布置。
（3）隧道围岩周边收敛量测
围岩周边收敛可采用收敛仪进行量测。
在预设点的断面，隧道开挖爆破以后,沿隧道周边有代表性部位分别埋设测桩。
测桩的埋设方法和拱顶下沉测桩的埋设方法相同。
围岩周边收敛与拱顶下沉布置在同一断面上，以便进行数据分析。
隧道拱顶下沉和围岩周边收敛断面测点布置如图1。
图1隧道台阶法开挖周边收敛及拱顶下沉量测断面布置图
（4）地表沉降观测
地表沉降观测用精密水准仪进行。
在隧道洞口浅埋地段，沿隧道轴线方向布设量测断面，断面间距根据地形条件确定，一般为10m～20m左右。
在选定的量测断面区域，首先应设一个通视条件较好、测量方便、牢固的基准点（基准点位置应在地表沉降影响区以外）。
地面测点布置在隧道轴线及其两侧，每个断面测点一般为7个以上，横向间距3m左右，在隧道中线附近测点应适当加密。
当两
表3隧道掌子面地质状况素描记录卡
工程
名称
位置
里程
评定
距洞口距离（m）
岩
性
完
整
状
态
地质构造影响度
轻微
较重
严重
很严重
完整
地
质
结
构
面
间距（m）
1.5
0.6~1.5
0.2~0.6
0.06~0.2
0.06
延伸性
较差
差
中等
好
极好
较完整
粗糙度
明显台阶状
粗糙波纹状
平整光滑
平整光滑有擦痕
较碎
张开性
（mm）
密闭<
0.1
部分张开0.1~0.5
张开0.5~1.0
无充填张开>
1.0
黏土
充填
破碎
风化程度
未风化
微风化
弱风化
中等风化
强风化
松散
简要说明
施工情况
下
水
渗水量[L/（min.10m）]
干燥
25
偶有渗水
25~125
经常渗水
干燥或湿润
埋深H＝
围岩级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
备注
掌
子
素
描
观测人
日期
编录人
隧道之间间距较小，可能存在相互影响时，量测范围应适当加宽。
测点应埋水泥桩，测量放线定位，用精密水准仪量测。
隧道开挖距测点前30m处开始量测，隧道开挖超过测点20m、并待沉降稳定以后停止量测。
地表下沉测点布置见图2、3和4。
图2隧道地表下沉量测断面布置图
图3隧道小净距段地表下沉量测断面布置图
图4连拱隧道地表下沉量测断面布置图
4.2选测项目
选测项目包括围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与喷射混凝土间接触压力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次衬砌内应力量测、钢支撑内力量测、衬砌裂缝及表面应力量测。
这类量测是必测项目的拓展和补充，是对特殊地段、或有代表性的地段进行量测，以便更深入地掌握围岩稳定状态与支护效果。
对未开挖地段提供参考信息，指导未来设计和施工。
选择项目安装埋设比较麻烦，量测项目较多、时间长、费用较大，但工程竣工后还可以进行长期观测。
这类项目量测主要选择隧道地质和结构复杂、特殊的地段进行。
断面及测点的布置应优先考虑围岩具有代表性、施工方法和支护参数发生变化地段。
选测项目的量测手段和方法如下：
（1）围岩内部位移量测
沿隧道围岩周边分别在拱顶、拱腰和边墙位置共打7个深孔，孔深3.7m～5m、孔径Ф50，采用5点杆式多点位移计量测，一个断面共35个测点。
量测断面尽可能靠近掌子面，及时安装，测取读数。
图5隧道围岩内部位移量测布置图
（2）喷射混凝土应力量测
沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底喷射混凝土内布置7个测点，每测点测试环向和切向应力，共埋设14个应变计。
围岩初喷以后，在初喷面上将应力计固定，再复喷，将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央，方向为环向和切向。
喷射混凝土达到初凝时开始测取读数。
图6隧道喷射混凝土应力量测布置图
（3）二次衬砌应力量测
二次衬砌应力量测沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底混凝土内埋设7组应变计，应变计传感器埋设在二衬混凝土内、外两侧，在混凝土浇筑前，将应变计固定在待测位置，为隧道切线方向，每个断面14个应变计。
图7隧道二次衬砌应力量测布置图
（4）复合式衬砌围岩压力量测
沿隧道周边拱顶、拱腰、边墙顶、边墙底及仰拱底埋设压力传感器，将双膜钢弦式压力盒分别埋设在围岩与喷射混凝土之间和喷射混凝土与二次衬砌之间。
围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在喷混凝土施工以前埋设；
喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安装，分别测取围岩对喷射混凝土压力和喷射混凝土对二次模注混凝土衬砌的压力。
混凝土达到初凝强度以后开始测取读数。
埋设时，压力盒承压面（压力盒比较光的一面）紧贴围岩面（测围岩压力时）和喷射混凝土面（测层间接触压力时），压力盒与围岩或喷射混凝土接触面要平整，可用水泥砂浆或石膏将岩面或喷混凝土面抹平，再将压力盒贴上去。
每个断面围岩与喷射砼间压力盒共7个，喷射砼与二次衬砌间压力盒共7个。
图8隧道复合式衬砌围岩压力量测布置图
（5）钢支撑内力量测
钢支撑内力量测采用钢筋计量测，把钢筋计焊接在钢支撑内缘和外缘上，量测钢支撑内力。
钢支撑安装完以后即可测取读数。
量测断面的测点布置位置与喷射混凝土轴向应力测点布置位置相同，每个断面共20只钢筋计。
图9隧道钢支撑内力量测布置图
（6）锚杆拉拔试验
锚杆抗拔试验是为了掌握锚杆能承受的最大拉力，是锚杆材料、加工与施工安装质量优劣的综合反映。
锚杆抗拔力量测方法较多，有直接量测法、电阻量测法以及快速量测法等。
一般采用快速量测法，即采用锚杆拉力计进行量测，此设备简单主要有千斤顶和手压泵两部分组成。
具体量测时，先把锚杆测力计接头固定到锚杆上，然后用钢丝编织胶管接上手压泵，再上下均匀摇动手压泵，当压力表上的读数达到要求时，停止摇动手柄，回油、卸下设备即可。
监控量测方法
地表沉降监测；
建筑物的沉降监测；
建筑物的开裂监测；
隧道拱顶变形监测；
隧道收敛变形监测。
超前地质预报的内容
（1）不良地质预报及灾害地质预报：
预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议；
（2）水文地质预报：
预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响；
（3）断层及其破碎带的预报：
预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策；
（4）围岩类别及其稳定性预报：
预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；
（5）预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化；
超前预报的方法
1.直接预报法
1.1水平钻孔
在隧洞内安放水平钻机进行水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。
钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。
由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。
此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。
水平钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探，用以获得准确可靠的地质资料，确保施工组织。
该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。
该法是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处：
①对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；
②需占用较长的施工作业时间，费用较高。
1.2超前导坑
按导坑与正洞的相互位置分为平行导坑和正洞导坑。
其中，平行导坑与正洞平行，断面小且和正洞之间有一定距离，通过对导坑开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。
该法的优点是：
预报成果比较直观、精度高、预报的距离长、便于施工人员安排施工计划和调整施工方案，还可以起到减压放水、改善通风条件和探明地质构造条件的作用，同时，还可用作排除地下水、断层注浆处理、扩建成第二条隧洞之用。
正洞导坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用与平行导坑相比，效果更好。
超前导坑的缺陷为：
一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；
二是施工工期较长。
2地质分析法
2.1断层参数预测法
利用断层影响带的特殊节理或集中带的分布规律，通过对断层影响带的系统编录所得经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。
由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带推断其它不良地质体的位置和规模。
2.2地质体投射法
在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行预报。
2.3正洞地质编录与预报
隧洞施工中，及时对其开挖面（掌子面、边墙面和拱顶面）上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。
它分为①岩层岩性和层位预测法：
在开挖面揭露岩层与地表某段岩层为同层和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预测掌子面前方将要出现的岩层；
②地质体延伸预测法：
在长期预报得出不良地质体厚度的基础上，依据开挖面不良地质体的产状和单壁始见位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方消失的距离。
该法是对开挖面地质情况如实而准确的反映。
其主要内容包括地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护采用方法等。
其优点是占用施工时间很短，设备简单，不干扰施工，成果快速，预报效果较好，而且为整个隧洞提供了完整的地质资料；
缺点是与隧洞夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。
3物探法
3.1弹性波法
3.1.1TSP超前预报技术
TSP（TunnelSeismicPrediction）超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。
该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。
它可以在钻爆法或TBM开挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。
数据采集时在隧洞一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，使检波器置入套管中，依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1小时。
然后利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，其分析过程为：
数据调整→带通滤波→首波拾取→拾取处理→炮能量平衡→直达波损耗系数Q估算→反射波提取→P波、S波分离→速度分析→纵向深度位置搜索→反射界面提取等，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。
由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。
实践表明该法有效预报距离100～200m。
通过分析反射波速度，即可进行时深转换，由隧洞轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面的空间位置和规模，再结合P波和S波的动力学特征，遵循以下原则来推断地质体的性质：
①正反射振幅表明进入硬岩层，负反射振幅表明进入软岩层；
②若S波反射较P波强，则表明岩层饱水；
③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；
④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
TSP超前预报技术作为一种比较先进的探测手段已在我国水利、水电、铁路、公路、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用，如正在建设中的宜万铁路野三关隧洞、辽宁大伙房水库引水隧洞、云南元磨高速公路的大风垭口和布垅箐隧洞等工程。
它具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点，尤其与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面等效果较好。
而对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况探测有一定的局限性。
3.1.2地震负视速度法
它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。
在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。
反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。
该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100ｍ以上。
观测时在已开挖洞段的侧壁或底部布设，距掌子面一定距离布设一激震点和一系列接收点，采用多炮共道或多道共炮。
当偏重于运动学特征参数的应用时共炮与共道两种记录方式可任意选用；
当要求测试设备简化与强调接收条件一致性时，宜采用多炮共道式；
当强调动力学参数的对比利用时，则宜选用多道共炮方式。
为获取“负视速度”，震源应在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收。
根据需要与设备条件，可采用单分量、三分量或组合检波器。
负视速度法的原理与TSP法基本相同，只是数据处理软件的开发尚难赶上TSP法。
此法在实施预报时不占用开挖工作面，对施工干扰相对较小，在铁路隧洞工程中是常用的预报方法之一，如在渝怀铁路圆梁山隧道正洞、平导和迂回导坑以及朔黄铁路长梁山隧洞施工中，均采用了负视速度法，取得了较好的预报效果。
3.1.3TST超前预报技术
TST（TunnelSeismicTomography）超前预报系统是通过可视化地震反射成像技术预报隧洞掌子面前方150m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。
该法数据采集用多道数字地震仪，处理软件为三维地震分析成像系统。
它充分运用地震反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。
测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。
洞内观测时检波器埋入岩体1～1.5m，以避免声波和面波干扰。
可采用爆炸或锤击激发地震波。
TST软件包括地震数据预处理和偏移成像等功能。
预处理功能包括：
①噪声和干扰切除；
②滤波和面波清除；
③小波分析与信号加强；
④地震波能量吸收谱分析；
⑤地震波走时拾取。
偏移成像功能包括：
①速度扫描分析与岩体工程类别判别；
②方向扫描与构造产状分析；
③地质界面速度偏移成像；
④岩体完整性吸收偏移成像；
⑤地震波走时地质界面反演成像；
⑥断裂与破碎带智能识别；
该技术在云南明珠隧洞应用取得了良好的效果，所得成果为：
①地质界面波速偏移成像；
②岩体吸收特性偏移成像；
③地震波走时反演成像；
3.1.4水平声波剖面法（HSP）
它利用孔间地震剖面法（ABSP）的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。
其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号（接收频率为声波频段的地震波），求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。
震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。
观测时在隧洞的两个侧壁分别布设震源和检波器，按其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点（或接收点）和激发与接收点相错斜交方式。
震源在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收，构成“水平声波剖面”。
利用时差和频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的空间位置及性质。
其特点是各检测点
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