隧道监控量测.docx
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隧道监控量测
隧道监控量测
QB/ZTYJGYGF-SD-0404-2011
第五工程有限公司谯生有
1前言
1.1工艺工法概况
隧道监控量测是对围岩动态监控的重要手段，是新奥法的重要组成部分，新奥法主要创始人腊布希维兹于1944年开始研究隧道开挖后岩体随时间变化的特性，1962年在第十三届国际岩石力学会议上正式提出了新奥法，采用新奥法设计与施工的隧道，监控量测是施工过程中必不可少的施工程序。
通过监控隧道施工中发生的变形情况，对围岩的稳定情况和支护结构的可靠性做出预测，为围岩稳定性和支护、衬砌提供可靠性的信息，为二次衬砌确定合理的施作时间，为施工调整围岩级别、修改支护系统设计和变更方法提供依据，确保施工安全。
1.2工艺原理
监控量测项目由必测项目和选测项目组成，必测项目主要监测隧道洞内外基本地质情况、净空变化、沉降缝两侧底板及路隧过渡段不均匀沉降、地表下沉等内容；选测项目主要包括监测隧底隆起、围岩内部位移、围岩压力、钢筋及喷射混凝土受力、锚杆内应力、二衬应力等内容；通过对必测项目及根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他特殊要求而开展的选测项目进行监测，对观测数据进行统计分析和相互印证，从而科学有效地指导隧道施工，为隧道安全施工提供保障。
2工艺工法特点
2.1采用必测项目和选测项目相结合的监测模式，为指导隧道安全施工提供了丰富的量测数据。
2.2各监测项目的监测点设于同一断面，不同监测方法的监测数据可以相互印证。
2.3将全站仪无接触目标测量方法引入隧道净空收敛及拱顶下沉监测，提高了量测效率，并保障了测量人员和设备的安全。
3适用范围
本工艺工法适用于采用新奥法施工的铁路、公路、水利等隧道工程。
4主要引用标准
《铁路隧道监控量测技术规程》TB10121
《公路隧道施工技术规范》JTGF60
《铁路工程测量规范》TB10101
《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204
《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设[2010]241号
5监控量测施测方法
根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护类型等确定确定量测项目，并确定量测断面间距和每个断面上的测点、类型、位置、个数。
按照量测项目和量测方法配置量测设备，按观测频次要求对各测点及时进行观测，对观测数据进行统计分析，指导隧道安全施工，当量测数据超过预警值时，为隧道支护参数进行调整提供分析依据。
6工艺流程及操作要点
6.1量测工艺流程
量测工艺流程如图1：
图1量测工艺流程图
6.2操作要点
6.2.1监控量测的项目与方法
隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模大小和设计要求综合选定。
量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。
1必测项目及量测方法
必测项目主要有隧道洞内外基本地质情况、净空变化、沉降缝两侧底板及路隧过渡段不均匀沉降、地表下沉等内容，量测项目及量测方法见表1：
表1必测项目及方法表
序号
监测项目
测试方法
和仪器
测试
精度
备注
1
洞内、外
观察
人工观察
地质罗盘
2
净空变化
收敛计
0.1mm
一般进行水平收敛量测
全站仪
1mm
一般进行三维多点量测
3
拱顶下沉
水准测量水准仪、钢尺、全站仪
0.1mm
1mm
4
沉降缝两侧底板不均匀沉降
水准测量
水准仪、铟钢尺
0.5mm
沉降缝两侧底板（或仰拱填充层面）沉降
5
洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测
水准测量，水准仪、铟钢尺
0.5mm
洞口底板（或仰拱填充层面）与洞口过渡段的沉降
6
地表下沉
水准测量
水准仪、塔尺
0.5mm
浅埋隧道必测（H0≤2B）
注：
H0—隧道埋深；B—隧道最大开挖宽度。
必测项目为日常施工管理中所必须进行的量测项目，主要为位移测试项目。
净空收敛量测一般只进行水平收敛基线的量测，拱顶下沉可根据量测断面大小及开挖方法，布置1～3个测点。
地表下沉量测可以反映隧道开挖对地表土体的影响，在浅埋地段应将地表下沉量测也作为必测项目。
2选测项目及方法
选测项目主要包括监测隧底隆起、围岩内部位移、围岩压力、钢筋及喷射混凝土受力、锚杆内应力、二衬应力等内容，量测项目及量测方法见表2：
表2选测项目及方法表
序号
监测施工
测试方法和仪器
测试精度
备注
1
地表下沉
水准测量
水准仪、塔尺
0.5mm
H0＞2B时
2
隧底隆起
水准测量
水准仪、铟钢尺
0.5mm
3
渗水压力
渗压计、频率接收仪
0.01MPa
4
围岩内部位移
多点位移计、频率接收仪
0.1mm
5
围岩压力
压力盒、频率接收仪
0.01MPa
6
二次衬砌接触应力
压力盒、频率接收仪
0.01MPa
7
钢筋受力
钢筋计、频率接收仪
0.01MPa
8
喷射混凝土受力
混凝土应变计频率接收仪
9
锚杆杆体应力
钢筋计、频率接收仪
0.01MPa
10
二次衬砌内应力
混凝土应变计、频率接收仪
11
爆破振动观测
爆破振动记录仪振动器
临近建筑物
12
围岩弹性波速度
弹性波测试仪
注：
H0—隧道埋深；B—隧道最大开挖宽度。
选测项目应根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他特殊要求，有选择地进行。
6.2.2量测断面布置
量测断面间距和每个断面上的测点、类型、位置、个数应根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护类型等确定。
围岩差的地段，量测断面应布置多些，围岩好的量测断面应相对少一些，在不良地质体中，应考虑布置一定数量的选测项目。
地表下沉量测布置的测点数应适当多一些，应能测到完整的纵、横向沉降曲线，从而分析隧道施工的纵、横向影响范围和程度。
1必测项目量测断面布置
1）净空变化、拱顶下沉和地表下沉（浅埋地段）等必测项目应设置在同一断面，地表有建筑物时，应在建筑物周围增设地表下沉观测点。
一般，量测断面间距应根据围岩级别、隧道埋深、开挖方法按下表3规定：
表3量测断面间距和每断面测点数量
围岩规则
断面间距（m）
每断面测点数量
净空变化
拱顶下沉
Ⅴ-Ⅳ
5-10
1～2条基线
1-3点
Ⅳ
10-30
1～2条基线
1点
Ⅲ
30-50
1条基线
1点
注：
洞口及浅埋地段断面间距取小值，软岩隧道监测断面应适当加密。
地表下沉（浅埋地段）观测点布设应沿线路中线布点，间距5～30米，必要时设1～2个横断面，每断面7～11点，监测范围应在隧道开挖影响范围以内。
2）沉降缝两侧底版不均匀沉降，洞内沉降缝每侧宜布置4个以上的观测点。
3）洞口段与路基过渡段不均匀沉降，结合路基沉降观测，在洞口、距洞口5～10m、15～20m、50m处各设一个观测断面。
2选测项目量测断面的布置
各选测项目量测断面的数量，宜根据设计要求进行布置，或在每级围岩内选有代表性的断面1～2个，断面上的测试元器件、类型、位置及个数根据需要确定。
6.2.3量测频率
1净空变化、拱顶下沉、地表下沉（浅埋地段）各量测项目的量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定。
1）按位移速度确定量测频率
表4按位移速度确定量测频率表
位移速度（mm/d）
量测频率
≥5
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
2）按距开挖面距离确定量测频率
表5按距开挖面距离确定量测频率
量测断面距开挖面距离（m）
量测频率
（0～1）b
2次/d
（1～2）b
1次/d
（2～5）b
1次/2～3d
＞5b
1次/7d
注：
b—隧道开挖宽度。
当按位移速度和量测断面距开挖面距离选择的测频率出现较大差异时，取量测频率较高的作为实施的量测频率。
各项量测作业均应持续到变形基本稳定后2～3周结束。
对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。
地表下沉量测应在开挖工作面前方，隧道埋深与隧道开挖高度之和处开始量测点距，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。
2洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅段；洞内工作面观察应在每次开挖后进行，已施工地段观察每天至少进行一次。
3沉降缝两侧底版不均匀沉降，一般应每15天进行一次。
4洞口段与路基过渡段不均匀沉降，应和路基沉降观测频次一致，当环境条件发生变化或数据异常时应及时增加观测次数。
6.2.4隧道监控量测的实施
1编制量测计划
隧道开工前，应根据隧道规模、地形、地质条件、支护类型和参数、水果方法等，编制量测计划。
2监控量测计划的内容
1）确定各个隧道的具体量测项目和方法。
2）根据量测项目和量测方法，选择实施各个量测项目的量测仪器，选配的仪器设备应经济实用并能满足量测精度的要求。
3）量测点的布置方案和埋设方法。
4）量测频率
5）量测数据的处理方法
6）量测人员的组织机构和管理体系。
建立健全的管理体系，安排认真负责经验丰富的技术人员负责担任量测任务。
编制量测计划时，一定要切合工程实际，并注意与施工的进程相适应，量测方法要有可操作性，做到技术上可行，经济上合理。
量测计划应经监理工程师批准后，才能实施。
3量测点的埋设
必测项目各量测点应距开挖面2m的范围内尽快埋设，量测点的埋设形式应结合具体的量测方法而定，净空变化如果采用全站仪进行观测，应在打入围岩的锚杆上固定反射片作为观测点，如果采用收敛仪和水准仪器观测法进行净空变化观测，则应在打入围岩的锚杆上固定钢勾作为观测点。
观测点应结合其它观测项目埋设在能够反映围岩变化特征的地方，测点应埋设及时、牢固可靠、易于识别，并注意保护，严防爆破损坏。
4量测项目的观测
1）洞内、外观察
洞内观察可分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分，开挖工作面观察应在每次开挖后进行。
观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定卡；对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射混凝土、锚杆、钢架和二次衬砌等的工作状态。
洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。
2）拱顶下沉、收敛量测初始读数宜在3～6h内完成，其它量测应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成，初始读数对监控量测数据分析非常重要，必须在规定的时间内对观测点进行初始观测。
拱顶下沉可采用水准仪配合悬挂的钢尺进行观测，也可采用无接触目标全站仪对边测量进行观测；尽空收敛可采用收敛仪或者无接触目标全站仪对边测量进行观测。
3）拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内、外水准基点建立联系。
4）其它量测项目的初始读数也应及时进行观测。
5）根据各个量测项目的观测频率，及时采集量测数据，需要增加观测次数的应及时增加观测次数。
6）观测过程中必须认真仔细，确保采集的量测数据真实、可靠。
6.2.5量测数据的整理、分析与反馈
1量测数据的整理
1）现场量测所取得的原始数据，应进行数学处理，将各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性，去掉测试错误的数据。
每次量测后应及时进行数据整理，并绘制量测数据时态曲线和距开挖面关系图。
2）选择合理的回归曲线，对初期的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度。
3）周边收敛量测后，必要时，可以对每条测线分别进行回归分析，求出各自回归精度最高的收敛——时间回归方程和收敛——距开挖面距离回归方程，以推算可能出现的最终位移和得出位移变化规律。
2量测数据分析
1）按实测最大位移值或回归预测最大位移值进行判别
实测最大位移值或回归预测最大位移值不应大于表所列指标，并按变形管理等级指导施工。
Ⅰ位移控制基准根据测点距开挖面的距离可参考下表6要求确定。
表6位移控制基准
类别
距开挖面1B（U1B）
距开挖面2B（U2B）
距开挖面较远
允许值
65%U0
90%U0
100%U0
注：
B——隧道最大开挖宽度；极限相对位移。
Ⅱ变形管理等级
变形管理等级按三级管理，见表7：
表7变形管理等级
管理等级
管理位移（mm）
施工状态
Ⅲ
U＜U0/3
可正常施工
Ⅱ
U0/3≤U≤2U0/3
应加强支护
Ⅰ
U＞（2U0/3）
应采取特殊措施
注：
U—实测位移值；U0—最大允许位移值。
2）根据位移变化速度判别：
净空变化速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统。
净空变化速度小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。
在浅埋地段以及膨胀性和挤压性围岩等情况下，应采用其它指标判别。
3）根据位移时态曲线的形态来判别：
当围岩位移速率不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；
当围岩位移速率保持不变时（du2/d2t＝0），围岩不稳定，应加强支护；
当围岩位移速率不断上升时（du2/d2t＞0），围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。
内业数据分析时，应结合现场施工工况，对回归曲线进行分析，并及时预警。
3信息反馈
监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业，并按设计要求布设监测点，并根据具体情况及时调整或增加量测的内容。
量测数据应及时分析处理，并将结果反馈给设计、监理，实现动态设计、动态施工。
根据观察、量测结果，判断原设计不合适时，应及时修正设计，特别是量测结果与初期预测有较大差异，而确认必须进行设计变更时，根据围岩的变化修正设计。
对锚杆数量、形状尺寸、喷混凝土厚度、材质、一次掘进长度、钢支撑的等进行局部修正或进行围岩分级、支护模式、变形富裕量、开挖断面形状、施工方法、衬砌厚度等进行修改。
7劳动力组织
每个开挖面应组织一个量测小组负责该开挖面监控量测工作，一个开挖面监控量测人员组织见下表8：
表8劳动力组织
序号
工作项目
主要作业内容
人数
测量技术员
测量工
1
仪器操作
操作全站仪、水准仪、收敛仪等量测仪器
2
2
配合协调
扶尺、记录、埋点、照明，配合采集量测数据
2
3
数据处理分析
整理量测数据，并对量测数据进行报表分析
1
4
小计
2
2
8主要机具设备
监控量测主要机具应根据量测项目确定，部分选测项目使用的测量设备可根据实际需要另外增加，一个量测小组一般情况下应配置的测量设备见表9：
表9主要量测机具配置表
序号
机具设备名称
规格型号
单位
数量
用途
1
地质罗盘
台
1
观察洞内外地质情况
2
全站仪
2″级，免棱镜测距
台
1
拱顶下沉、净空收敛
3
水准仪
DS1
台
1
地表下沉、不均匀沉降、拱顶下沉
4
水准尺
3m因瓦水准尺
把
2
水准测量
5
钢尺
30m钢尺
把
1
拱顶下沉
6
收敛仪
JSS30A
台
1
水平收敛
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1监测点埋设不及时，造成量测初始值失真。
9.1.2监测断面间距不符合要求。
9.1.3观测点被碰撞造成观测数据出现异常或观测点被破坏使观测数据不连续。
9.1.4观测不及时。
9.1.5观测精度低。
9.2保证措施
9.2.1隧道开挖后，应及时埋设监测点，最迟应在开挖后12小时内进行埋设。
9.2.2监测断面间距应根据围岩变化及时调整，必要时应加密监测断面。
9.2.3在施工过程中应对监测点作好防护工作，监测点旁应设置醒目的警示标志，提醒施工人员在施工时不对监测点进行破坏。
9.2.4当监测标志上有混凝土或其它污染物时，每次观测时应进行清理，防止混凝土等污染物造成观测读数有误。
9.2.5监测点遭到破坏时，应及时对破坏的监测点进行恢复，并保持连续观测。
9.2.6应按照规范规定的观测频率及时观测，不得随意减少观测频次。
9.2.7当监测数据发生异常时，应仔细分析原因，如因监测点被碰撞造成数据异常时，应剔除异常变形值，如因围岩变化产生异常，则应加密观测频率，并启动监测预警机制，及时采取施工措施。
9.2.8量测使用的测量设备除应按计量检定规定进行年检外，还应在日常使用过程中进行日常检校，确保测量设备处于良好的工作状态，提高量测精度。
9.2.9采用的量测方法及测量设备应满足量测精度要求，对不满足要求的测量设备应进行更换。
10安全措施
10.1主要安全风险分析
量测作业过程中，对测量人员和测量设备可能造成伤害的风险因素主要有高空坠物、围岩坍塌及隧道内的施工车辆碰撞，地表沉降监测时，应防止地表滑坡。
10.2保证措施
10.2.1应加强测量人员的安全教育。
10.2.2量测人员进洞作业必须戴安全帽。
10.2.3量测作业时，测量人员或设备上空的其他高空施工作业应停止。
10.2.4量测过程中应随时保持警惕，注意观察作业面附近的围岩稳定情况，一旦有塌方迹象，应立即将人员和设备撤离至安全地带。
10.2.5量测作业时，应设置灯光警戒，防止测量施工车辆对测量人员和测量设备造成伤害。
10.2.6加强洞内电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。
10.2.7地表沉降监测时，应注意观察监测范围周遍边坡稳定情况，发现边坡有失稳迹象时应及时撤离滑坡危险区。
11环保措施
隧道内进行测量作业时，不乱丢弃杂物，不得对施工通风、排水等设施造成影响和破坏。
12应用实例
12.1工程简介
乌鞘岭隧道位于既有兰新铁路兰州至武威段打柴沟车站与龙沟车站间，是兰武复线建设的控制工程，隧道全长20050m，隧道右线通过F7断层的下盘，断层起始里程为YDK177+025～YDK177+852，全长827m。
围岩以断层泥砾断层角砾岩为主，局部为碎裂岩层，围岩破碎，稳定性极差。
当施工至断层核心地段时，日变形速率很大，平均日变形速率5～9mm，累计变形超过0.5m，并长时间不收敛。
受变形影响，断层带初期支护变形严重，危险地段随时都有坍方的可能，因此，需要及时地对变形进行监控，通过分析监控量测数据，采取科学的治理措施，及时补强或者加固变形危险地段，调整二次衬砌时间，修改二次衬砌的支护参数。
12.2施测情况
该隧道于2003年2月1日开工，主体工程于2005年4月30日完工。
施工期间，由于工期紧迫，洞内作业循环复杂，又受断层带的影响，Ⅴ～Ⅵ级围岩量测断面间距为5～10m，施工循环时间非常紧凑，针对F7断层量测特点，采用全站仪对边测量功能进行隧道净空收敛和拱顶下沉进行观测，使用的全站仪为徕卡TCR702，标称测角精度±2″，激光测距±3mm+2ppm×D，以40mm×40mm的反射膜片作为测量标志，反射膜片用锚固剂锚固在打入围岩的锚杆上。
12.3工程结果评价
利用全站仪无接触目标观测方法对乌鞘岭隧道F7断层初期支护进行水平收敛和拱顶下沉量测，量测一个断面的时间约为5分钟，作业效率是传统收敛仪、水准仪量测模式的4倍以上，为F7断层初期支护的科学治理和顺利通过及时提供了量测数据，为快速通过特长隧道断层带节约了宝贵的时间，取得了显著的经济效益。
12.4测量效果及施测图片
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