隧道施工监控方案.docx
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隧道施工监控方案
ХХ高速公路ХХ隧道
施工监控方案
ХХХХХ
二〇一四年十二月
1.工程概况
ХХХХ
2.编制依据
(1)《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004),人民交通出版社,2004.10;
(2)《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009),人民交通出版社,2009.;
(3)《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98),人民交通出版社,1999.05;
(4)《公路工程技术标准》(JTGB01-2003),人民交通出版社,2004.01;
(5)《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004),人民交通出版社,2004.10;
(6)ХХ隧道设计图纸。
3.监控量测的目的和意义
隧道监控量测与信息反馈是新奥法施工的一个重要环节,通过对实测数据的现场分析、处理,及时向施工方、监理方、设计方和业主提供分析资料,直接服务于隧道施工,尤其对保证路段涉及到的单洞双向大跨度隧道的施工安全具有重要现实意义。
公路隧道施工中,若施工工艺不当,易造成围岩失稳,甚至可能发生大的塌方,给工程带来不可弥补的经济和工期损失。
现场监控量测直接获取现场隧道围岩动态信息,以数据为据,及时发现问题,及时预警,预防塌方,为工程把关,对达到优化设计、安全施工、保证质量、保证工期等目标起着十分重要的作用。
(1)提供监控设计的依据
掌握围岩力学性态的变化和规律;
掌握支护的工作状态。
(2)指导施工、预报险情
做出工程预报,确立施工对策:
预测和确认围岩最终稳定时间,指导施工顺序和二衬施作时间;
监视险情,安全施工。
(3)校核计算理论、完善工程类比法
为正、反演分析提供计算数据和对比指标;
为工程类比提供参考指标;
为地下工程设计、施工积累经验资料。
高速公路上隧道穿越围岩类型较多,且存在褶皱、断层、节理裂隙发育等不良地质,对施工工艺有很高的要求,若施工工艺不当,易造成围岩恶化,产生塌方、大变形等工程事故。
具体来说,通过施工时的监控量测,可望达到以下目的:
(1)通过围岩地质状况描述和支护状况描述,对围岩进行合理分类,对稳定性进行合理评价,并对隧道支护方式和施工工艺提出建议。
(2)通过地质超前预报,及时掌握开挖面前方的地质状况,地下水的分布、地质构造的情况以及溶洞的分布情况,以便及时采取相应处治手段。
(3)通过对围岩及锚杆、拱架、衬砌等支护结构的受力和变形的监测,及时了解围岩及结构的工作状态,进而对隧道支护结构的稳定性做出评价,确保施工安全。
4.主要监测内容及断面布置
4.1监测内容
我国现行公路隧道施工规范将现场监控量测项目从总体上划分为两类:
必测项目和选测项目(见表1)。
必测项目是隧道监测中的主要项目,选测项目主要为进一步了解围岩内部松弛、位移、受力、围岩与衬砌间的相互作用、以及衬砌的内力及位移情况等而开展的量测项目。
表1公路隧道现场监控量测项目及量测方法
序号
项目名称
方法及工具
断面布置
量测时间间隔
1~15d
16d~一个月
1~3个月
大于3月
必测项目
1
洞内外观察
现场观测、地质罗盘等
开挖后及初期支护后进行
每次爆破后进行
2
周边位移
各种类型收敛计
每5~50m一个断面,每断面2~3条测线
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
3
拱顶下沉
水准测量的方法,水准仪、钢尺等
每5~50m一个断面
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
4
地表下沉
水准测量的方法,水准仪、铟钢尺等
洞口段、浅埋段(h=<2b)
开挖面距量测断面前后<2b时,1~2次/d;
开挖面距量测断面前后<5b时,1次/(2~3)d;
开挖面距量测断面前后>5b时,1次/(3~7)d
选测项目
1
钢架内力及外力
支柱压力计及其他测力计
每代表性地段1~2个断面,每断面钢架内力3~7个测点,或外力1对测力计
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
2
围岩体内位移(洞内设点)
洞内钻孔中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计
每代表性地段1~2个断面,每断面3~7个钻孔
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
3
围岩体内位移(地表设点)
地面钻孔中安设各类位移计
每代表性地段1~2个断面,每断面3~5个钻孔
同地表下沉要求
4
围岩压力
各种类型岩土压力盒
每代表性地段1~2个断面,每个断面3~7个测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
5
两层支护间压力
压力盒
每代表性地段1~2个断面,每个断面3~7个测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
6
锚杆轴力
钢筋计、锚杆测力计
每代表性地段1~2个断面,每个断面3~7根锚杆(索),每根锚杆2~4测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
7
支护、衬砌应力
各类混凝土内应变计及表面应力接触法
每代表性地段1~2个断面,每个断面3~7个测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
8
围岩弹性波速度
各种声波仪及配套探头
在有代表性地段设置
—
9
爆破震动
测振及配套传感器
临近建(构)筑物
随爆破进行
10
渗水压力、水流量
渗压计、流量计
—
—
注:
b为隧道开挖宽度,h为隧道埋深。
具体到某个隧道工程中,其现场监控量测项目都是根据具体情况做出具体选择。
在确定断面及测点布置方案时,通常需考虑的主要因素见表2。
表2在确定量测断面时需考虑的主要因素
项目
考虑因素及实施方式
围岩类别
根据岩体结构的特征沿着轴线走向对围岩分类,并对各类典型围岩设置代表性观测断面,以期在总体上得到开挖过程中各类主要岩体结构的变形规律
地质条件
对工程地质条件较差的地段,在观测断面上增加观测点的数量,或在按地质资料分析所得的围岩有可能发生突破性破坏的位置上布置测点
断面形状
隧道形状尺寸发生较大变化时,按上述原则增加代表性观测面;在工程结构发生突然变化的部位,例如在岔洞接头所在的部位增加测点
受力性态
根据隧道形状以及荷载分布方向等工程特点,分析在可能出现较大变形的部位设立观测点
量测便捷
在比较容易现场布置测点和读取数据的地段布置测点
依据相关规范、规程,并根据总监办相关文件要求,确定隧道现场监控量测内容如表3所示。
表3ХХ高速公路ХХ隧道现场监测内容
序号
项目名称
方法及工具
断面布置
量测时间间隔
1~15d
16d~一个月
1~3个月
大于3月
必
测
项
目
1
洞内外观察
现场观测、地质罗盘等
开挖后及初期支护后进行
每次爆破后进行
2
周边位移
JSS30A数显收敛计
每5~50m一个断面,每断面2~3条测线
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
3
拱顶下沉
水准仪、钢尺、测杆或全站议
每5~50m一个断面
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
4
地表下沉
水准仪、钢尺、测杆或全站议
洞口段、浅埋段(h=<2b)
开挖面距量测断面前后<2b时,1~2次/d;
开挖面距量测断面前后<5b时,1次/(2~3)d;
开挖面距量测断面前后>5b时,1次/(3~7)d
地
质
超
前
预
报
地质雷达
LTD-2100
100MH天线
根据施工进度进行调整,每次探测深度30m
衬
砌
检
测
地质雷达
LTD-2100
900MHZ、400MHZ天线
包括初期支护检测和二衬质量检测
4.2断面布置
地质描述在每次爆破后进行。
地质超前预报以能全线预报对施工有影响的不良地质现象为准,一般在20~40m。
拱顶下沉和水平收敛量测断面的间距为:
级及以上围岩不大于40m;
级围岩不大于25m;V类围岩应小于20m。
围岩变化处应适当加密,在各类围岩的起始地段增设拱顶下沉测点1~2个,水平收敛1~2对。
当发生较大涌水时,
、V类围岩量测断面的间距应缩小至5~10m。
地表下沉监测范围横向应延伸至隧道中线两侧(1~2)(b/2+h+h0)(b为隧道开挖宽度,h为隧道开挖高度,h0为隧道埋深),纵向应在掌子面前后(1~2)(h+h0)。
测点间距宜为2~5m,并根据地质条件和环境条件进行调整。
5.监测方法
5.1必测项目
5.1.1洞内外观察
观察并描述隧道围岩地质、地下水情况,衬砌支护情况。
掌子面开挖后立即观察岩性、岩层产状、结构面、溶洞、断层等,并用专门的表格进行记录和素描。
并随时观察描述支护结构的状态和裂缝等。
使用仪器、材料、工具:
地质罗盘、地质锤、钢卷尺、放大镜、秒表、手电、照相机或摄像机。
配合量测工作对代表性断面的地质描述,应详细准确,如实反映情况。
一般应包括对以下内容的描述:
(1)代表性测试断面的位置、形状、尺寸及编号;
(2)岩石名称、结构、颜色;
(3)层理、片理、节理裂隙、断层等各种软弱面的产状、宽度、延伸情况、连续性、间距等;
(4)各结构面的成因类型、力学属性、粗糙程度、充填的物质成分和泥化、软化情况;
(5)岩脉穿插情况及其与围岩接触关系,软硬程度及破碎程度;
(6)岩体风化程度、特点、抗风化能力;
(7)地下水的类型、出露位置、水量大小及喷锚支护施工的影响等;
(8)施工开挖方式方法、锚喷支护参数及循环时间;
(9)围岩内鼓、弯折、变形、岩爆、掉块,坍塌的位置、规模、数量和分布情况,围岩的自稳时间等;
(11)溶洞等特殊地质条件描述;
(12)喷层开裂起鼓、剥落情况描述;
(13)地表面变异:
开裂的分布等;
(14)植被状况:
树木的破损及移动等;
(15)水系状况:
涌水等的变化(量、污染等)。
5.1.2周边位移
(1)量测原理
隧道开挖后,围岩向坑道方向的位移是围岩动态的最显著表现,最能反映出围岩(或围岩加支护)的稳定性。
因此对坑道周边位移的量测是最直接、最有意义、最经济和最常用的量测项目。
为量测方便起见,除对拱顶、地表下沉可以量测绝对位移值外,坑道周边其它各点,一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值,来反应围岩位移动态。
(2)测线布置
测点布设:
埋设测点时,先在测点处用人工挖孔或电锤开挖孔径为12~15mm,深约25mm的孔。
在孔中插入收敛预埋件,采用收敛计或高精度全站仪进行数据采集。
两测点的连线称为测线。
由于观测断面形状、围岩条件、开挖方式的不同,测线位置、数量亦有所不同。
(3)量测过程
及时计算出各测线的相对位移值,相对位移速率,及其与时间和开挖断面距离之间的关系,并列表或绘图,直观表示。
(4)量测方法及注意事项
开挖后尽快埋设测点,并测取初读数,要求12h内完成;
测点(测试断面)应尽可能靠近开挖面,一般要求在2m以内;
读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定指示规定的张力值时读取;
当相对位移值较大时,要注意消除换孔误差;
测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况而定;
整个量测过程中,应作好详细记录,并随时检查有无错误;
记录内容应包括断面位置、测点(测线)编号、初始读数、各次测试读数、当时温度以及开挖面距量测断面的距离等。
5.1.3拱顶下沉
由己知高程的临时或永久水准点(通常借用隧道高程控制点),使用较高精度的水准仪,就可观测出隧道拱顶或隧道上方地表各点的下沉量及其随时间的变化情况。
通常这个值是绝对位移值。
另外也可以用收敛计测拱顶相对于隧道底的相对位移。
值得注意的是,拱顶点是坑道周边上的一个特殊点,其位移情况具有较强的代表性。
拱顶下沉量测的测点,一般可与净空位移测点共用,这样既节省了安设工作量,更重要的是使测点统一,测试结果能够互相校验。
拱顶下沉可用多种方法量测,常见的方法有:
收敛计量测、水准仪量测、全站仪量测等。
单洞每个断面拟布设1个点,布设在拱顶壁点上。
在被测断面的拱顶位置布设1个反光贴片,并在距离该断面数十米位置(可选择已施做二衬,或可认为该处衬砌变形已经稳定的位置),贴1个反光片作为后视点,使用全站仪的“对边量测”功能,可以量测出被测点与后视点间的相对位移,该位移即拱顶下沉量,此外,还可用水准仪配合塔尺或钢尺的方法量测拱顶下沉,即将塔尺或钢尺由拱顶位置竖直垂下,选一合适后视点,用水准仪量测。
5.1.4地表下沉
(1)量测目的
通过地表下沉量的多少和下沉的快慢,判断分析隧道洞口围岩是否稳定,为设计优化支护参数提供可靠的数据,保证施工安全。
(2)量测方法
基点布设:
地表、地中沉降测点,原则上主要测点应布置在隧道中心线上,并在与隧道轴线正交平面的一定范围内布设必要数量的测点。
并在有可能下沉的范围外设置不会下沉的固定测点。
在隧道开挖纵横向各(3~4)倍洞径外的区域,埋设2个基点,以便互相校核,参照标准水准点埋设,所有基点应和附近水准点联测取得原始高程。
测点布设:
在测点位置挖长、宽、深均为200mm的坑,然后放入地表测点预埋件(可自制),测点一般采用直径20~30mm、长度200~300mm的平圆头钢筋并在上部焊接钢板,在钢板上粘贴反光贴片制成,测点四周用混凝土填实,待混凝土固结后即可量测。
量测:
用高精度全站仪(或用水准仪观测)进行观测。
(3)注意事项
观测坚持四固定原则,即:
施测人员固定,测站位置固定,测量延续时间固定,施测顺序固定,且应每隔30天用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测。
5.2地质超前预报
在隧道的超前地质预报过程中,针对可以有效的预报隧道地质变化情况及对施工的影响情况,可以对潜在的地质隐患等进行技术的预测,避免施工时可能会导致坍塌、突泥涌水等地质灾害的发生。
5.2.1地质雷达预测法原理
GPR(GroundPenetraingRadar)方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。
其方法原理类似反射地震勘探技术,是一种高分辨率探测方法。
GPR方法是利用高频电磁波(1MHz-1GHz),以脉冲形式通过发射天线被定向地向地下发射。
电磁波在地下介质中传播,当遇到存在电性差异介质的界面时,电磁波便发生反射,返回地面后由接收天线接收(见图1),并由采集系统(主机)以数字形式记录下来。
图1地质雷达原理示意图
采集的数据通过处理,可以获得时间或深度剖面。
分析接收的地下界面反射回来的电磁波时间、频率和振幅等特征,就可以推断地下介质的空间位置、结构性质及几何形态,从而达到对地层或地下目标体的探测。
探测结果可以反映工作面前方围岩的工程地质和水文地质情况,如岩层的均一性、节理裂隙发育情况、岩层破碎和含水性等等。
5.2.2地质雷达预测方法
现场采集数据采用地质雷达,所用天线为地面耦合式一体化天线。
雷达采集数据时,发射和接收天线与隧道掌子面表面密贴,沿掌子面滑动,由雷达主机高速发射雷达脉冲,进行快速连续采集。
雷达每秒发射64个脉冲,每米测线约有测点40~60个。
现场测试的具体步骤如下:
(1)天线选型
针对隧道的施工情况,主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合衡量,一般选择了100MHz的天线来完成。
100MHz的天线穿透深度较大,可以检测出前方围岩是否存在裂隙及富水情况。
(2)记录参数的确定
在选定测量天线后,进行了记录参数选取试验。
根据现场调试分析结果,确定主要参数如下:
a)每道(即每个地面采样点)包括512个时间采样点;
b)100M天线的时间窗(记录长度)为240ns
c)采用9点分段增益,由浅至深线性增益;
5.3衬砌质量检测
隧道采用复合式衬砌结构。
由于隧道地质情况复杂,加之隧道本身施工难度大的原因,隧道的初衬和岩石层之间、初衬和二衬之间,如果施工控制不当,容易出现孔洞、空隙等问题,这将直接影响到隧道施工质量和运营过程中的安全性,因此对隧道衬砌施工质量进行检测很有必要。
隧道衬砌质量检测包括以下几方面内容:
(1)喷射混凝土厚度
(2)钢支撑位置及数量
(3)衬砌混凝土厚度
(4)空洞检测
5.3.1混凝土喷射厚度
5.3.1.1检测原理
检测仪器采用探地雷达和GC900M、GC400M天线进行,探地雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。
雷达工作时,向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲(几十兆赫兹至上千兆赫兹),电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射,探地雷达接收并记录这些信号,再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。
(见图2)
图2探地雷达探测隧道衬砌质量的工作原理
相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言,通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。
在这类介质中,反射系数和波速主要取决于介电常数
式中:
“Υ”为反射系数,“ν”为速度,“ε”为相对介电常数,“с”为光速,下角标“1、2”分别表示上、下介质。
电磁波由空气进入二衬的混凝土层,会出现强反射(对应地面,并且由于空气中电磁波传播速度较快,这时的地面对应的是负相位);同样,当电磁波由二衬传播至初衬,继而由初衬传播到岩层时,如果交界处贴合不好,或存在空隙,亦会导致雷达剖面相位和幅度发生变化,由此可确定衬砌厚度和发现施工缺陷。
电磁波遇到以传导电流为主的介质,比如衬砌中存在的钢筋,会出现全反射,接收到的能量非常强,在雷达剖面上显示强异常,以此可确定钢筋分布情况。
5.3.1.2现场检测方法
现场检测采用探地雷达,所用天线为地面耦合式一体化天线。
雷达检测时,发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴,沿测线滑动,由雷达主机高速发射雷达脉冲,进行快速连续采集。
雷达每秒发射64个脉冲,每米测线约有测点40~60个。
雷达时间剖面上各测点的位置和隧道里程相联系,为保证点位的准确,在隧道壁上每5m作一标志,标上里程。
当天线对齐某一标记时,由仪器操作员向仪器输入信号,在雷达记录中每5m作一小标记,10米的整数桩号打一个大标。
内业整理资料时,根据标记和记录的首、末标及工作中间核查的里程,在雷达的时间剖面图上标明里程桩号。
现场测试的具体步骤如下:
(1)天线选型
针对本次隧道衬砌检测的具体情况,主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合衡量,一般选择了400MHz和900MHz天线。
900MHz天线分辨率较高,能够发现衬砌间存在的缺陷,确定钢筋分布,估计衬砌厚度;400MHz天线虽然分辨率较900MHz天线低一些,但穿透深度较大;可选用900MHz天线作为初期支护的检测,选用400MHz天线作为二次衬砌的检测。
(2)记录参数的确定
在选定测量天线后,进行了记录参数选取试验。
根据现场调试分析结果,确定主要参数如下:
a)检测速度控制在5km/h左右;
b)每道(即每个地面采样点)包括512个时间采样点;
c)900M天线的时间窗(记录长度)为20ns,400M天线的时间窗为60ns;
d)采用9点分段增益,由浅至深线性增益;
e)采用连续检测方式,每隔5米打一个标记。
(3)检测测线布置
本次隧道初期支护质量检测时,在隧道的左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙共布置五条纵向连续的雷达测线。
本次隧道二次衬砌质量检测时,在隧道的左拱腰、拱顶、右拱腰共布置三条纵向连续的雷达测线。
5.3.3钢支撑位置及数量
根据地质雷达的特点,由于其发射的为电磁波信号,对于钢铁等材质具有较好的信号反射性,因此,在进行喷射混凝土厚度雷达检测时,钢支撑位置及数量在雷达图谱上具有很好的反射,可根据图谱判定钢支撑位置及数量。
衬砌内部钢架、钢筋位置分布的主要判定特征:
(1)钢拱架:
分散的月牙形强反射信号;
(2)钢筋:
连续的小双曲线形强反射信号。
5.3.4衬砌混凝土厚度
衬砌混凝土厚度的检测同喷射混凝土厚度检测方法,均采用地质雷达进行,衬砌混凝土厚度直接可由测试数据经专用软件分析后给出结果报表,具体检测过程中可适当凿开初衬以进行比对提高仪器检测精确度。
5.3.5空洞检测
衬砌空洞的检测同喷射混凝土厚度检测方法,均采用地质雷达进行。
6.信息反馈与预测预报
在复杂多变的隧道施工条件如何进行准确的信息反馈与可靠的预测预报是本监控量测试验的主要内容之一。
迄今为止,信息反馈与预测预报通过两个途径来实现。
6.1力学计算法
支护系统是确保隧道施工安全与进度的关键。
可以通过力学计算来调整和确定支护系统。
力学计算所需的输入数据则采用反分析技术根据现场量测数据推算而得如塑性区半径、初始地应力、岩体变形模量、岩体流变参数、二次支护荷载分布。
这些数据是对支护系统进行计算所需要的。
关于应力计算,已有专门的计算机分析软件供使用。
6.2经验法
此法也是建立在现场量测的基础之上的;其核心是根据经验建立一些判断标准来直接根据量测结果或回归分析数据来判断围岩的稳定性和支护系统的工作状态。
在施工监测过程中,数据“异常”现象的出现可以作为调整支护参数和采取相应的施工技术措施的依据。
何为“异常”,这就需针对不同的工程条件(围岩地层,埋深,隧道断面,支护,施工方法等)建立一些根据量测数据对围岩稳定性和支护系统的工作条件进行判断的准则。
(1)根据围岩(或净空变化)量值或预计最终位移值与位移临界值对比来判断。
位移临界值的确定需根据具体工程具体确定。
(2)根据位移速率来判断。
根据位移速率判断:
速率大于1mm/d时,围岩处于急剧变形状态,应加强初期支护;速率变化在0.2mm~1.0mm/d时,应加强观测,做好加固的准备;速率小于
0.2mm/d时,围岩达到基本稳定。
在高地应力、岩溶地层和挤压地层等不良地质中,应根据具体情况制定判断标准。
(3)位移-时间曲线
根据现场量测的位移-时间曲线进行如下判断:
(1)
,说明变形速率不断下降,位移趋于稳定;
(2)
,变形速率保持不变,经发出警告,及时加强支护系统;
(3)
,则表示已进入危险状态,须立即停工,采取有效的工程措施进行加固。
7.组织与管理
7.1人员组织
针对本工程监测项目的特点,专门成立隧道监测项目部如下图所示,监测项目部由项目负责人、司机、现场监测人员、技术分析人员组成。
现场监测人员、技术分析人员在项目负责人指导下完成日常监测及资料整理、技术分析及施工预测。
针对本隧道工程的特点,专门成立现场监测组,监测组主要由5人组成,在组长指导下负责日常监测及资料整理工作。
7.2质量保证措施
为保证量测数据的真实可靠及连续性,特采取以下措施:
(1)量测人员相对固定;
(2)仪器的管理采用专人使用专人保养,专人检验的方法;
(3)量测设备在使用前均经检查校准合格后方投入使用;
(4)各量测项目在监测过程中必须严格遵守相应的监测项目实施细则;
(5)量测数据均经现场检查,室内复核两次检查后方可上报;
(6)量测数据的存储计算管理均采用计算机系统进行;
(7)各量测项目从设备的管理,使用及量测资料的整理均设专人负责。
8.施工监控流程及保证措施
8.1监控流程
为了保质保量的完成施工监控工作,在桥隧施工过程中,各项信息的传递如下:
(1)每一阶段施工前,首先由监控单位分析并提出隧道监控量测结果、地质超前预报后,将及时上传到管理平台,并发送到业主、总监办、驻地办、施工单位公文交换箱。
(2)在施工监控过程中,发现一般技术问题时,应立即通知有关单位进行讨论分析,提出处理意见。
根据量测情况,做好相关原始记录及各种报告。
隧道监控量测工作要布点及时,保证信息传达