地下工程监测与检测技术-第四章-隧洞工程监测

地下工程监测与检测技术第四章隧洞工程监测人民交通出版社隧洞工程监测的目的隧洞工程监测的内容及测试方法隧洞工程监测的相关规定监测数据的分析反馈及信息化施工盾构法和顶管施工监测工程实例内容提要隧洞是修建在存在地应力场、由岩石(土)和各种结构面组合的天然岩(土)体中的建筑物，是靠围岩和支护的共同作用保持其稳定性的。隧洞稳定性安全监测有：洞室、隧道、输水隧洞、城市地铁以及竖井、斜井等。第一节隧洞工程监测的目的一.简介北京某地铁暗挖区间坍塌事故（1）提供监控设计的依据和信息。（2）指导施工，预报险情。（3）作为工程运营时的监测手段。（4）用作理论研究及校核理论。（5）为地下工程设计与施工提供资料。二、监测的目的及意义监测的对象：围岩(地下结构赋存的场所，土或岩石)衬砌(初衬和二衬）锚杆(加固开挖面周围岩土体)钢拱架及其它支撑(维护开挖区域的稳定)监测的部位：地表(周围环境监测)围岩内(附存环境监测)洞壁(开挖面自身稳定性监测)衬砌内(支护结构监测)衬砌内壁(支护结构监测)第二节隧洞工程监测的目的监测的类型现场观测；岩土体力学参数测试；应力应变测试；压力测试；位移测试；温度测试；物探测试等。隧道内地质条件的变化情况；节理、裂隙的发育和扩展情况；渗漏水情况；隧道暴露面有无松动岩石；锚杆有无松动、喷层有无开裂；中墙衬砌上有无裂隙出现；……洞内观察监测类型监测项目监测仪器位移地表下沉水准仪，钢铟尺地表水平位移经纬仪拱顶下沉水准仪，电子水平尺，钢铟尺拱脚基础沉降水准仪，电子水平尺，钢铟尺围岩位移（径向）单点、多点位移计，三维位移计围岩位移（水平）测斜仪，三维位移计洞周收敛收敛计，巴塞特系统压力围岩内压力压力盒，压力枕衬砌混凝土内压力压力盒，压力枕衬砌钢筋应力钢筋应力计，应变计围岩与衬砌接触压力压力盒，压力枕锚杆轴力钢筋应力（应变计），应变片，环式测力计钢拱架压力钢筋应力计，应变片，应变计，轴力计地下水渗透压力渗压计其它物理量围岩松动圈弹性波，形变电阻法前方岩体性态弹性波，超前钻，探地雷达爆破震动测震仪声发射声发射检测仪隧道开挖破坏原始地应力场围岩应力重分布分布具有时空效应提供支护力作用接触应力围岩应力监测结构安全一.应力应变量测测试原理混凝土应力量测包括初期支护喷射混凝土应力和二次衬砌模筑混凝土应力量测，是将量测元件(装置)直接安装于喷层或二次衬砌中，测试围岩变形过程中由不受力状态逐渐过渡到受力状态过程中的应力变化。1、量测原理应力(应变)计量测法钢弦式应变计差动式电阻应变计频率~应变电阻~应变2、量测方法应变砖电阻应变片，外加银箔防护做成银箔应变计，再用砼材料制成(50~120)mmx40mmx25mm长方体应变砖埋入砼内，应变砖材料和砼基本上是同类材料，应变砖不会引起应力的异常变化可直接反映砼层的变形与受力大小(解决了土压力盒的刚度不同问题)应变砖量测法测试断面的布置混凝土应力量测在纵断面上应与其他选测项目的布置基本相同，一般布设在有代表性的围岩段，在横断面上除要与锚杆受力量测测孔相对应布设外，还要在有代表性的部位布设测点，在实际量测中通常有三测点、六测点、九测点等多种布置形式。在二次衬砌内布设时，一般应在衬砌的内外两侧进行布置，有时也可在仰拱上布设一些测点。二.压力量测地下隧洞工程的压力测试主要包含锚杆或锚索内力及抗拔力、围岩压力及两层支护间压力量测和钢支撑内力及外力测试。1、锚杆或锚索内力及抗拔力(1)量测原理锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱，一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆的工作状态好坏主要以其受力后的应力、应变来反映。因此，如果能采用某种手段测试锚杆在工作时的应力、应变值，就可以知道其工作状态的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。(2)锚杆内力量测方法锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱，一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆的工作状态好坏主要以其受力后的应力、应变来反映。因此，如果能采用某种手段测试锚杆在工作时的应力、应变值，就可以知道其工作状态的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。四根细长杆，头部固定在锚杆内预计的位置上，量测读数。E机械式量测法12344电阻应变片式量测可消除弯曲应力的影响。应变片E锚杆钢筋计量测锚杆内力钢筋应力计只能用于由钢筋组成的锚杆。钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪；直接量测应力，乘以面积；钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪；直接量测应变，乘以模量；安装：钢筋应力计割断钢筋，与钢筋串联焊接；钢筋应变计焊在钢筋或钢管上（与锚杆并联连接）；(3)锚杆的抗拔力量测方法锚杆拉拔计将锚杆拉拔计的接口与待测锚杆的外露端连接紧固。拉拔计百分表归零，然后增压使油泵压力逐渐升高。油泵压力达到设计拉力，可停止继续加压。记录锚杆位置及油泵压力值，油泵卸压。如果油泵压力未达到设计拉力，锚杆破坏，则该锚杆可认为安装质量不合格。3、围岩压力及两层支护间压力(1)量测原理隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，就会产生围岩作用于支护结构上的围岩压力和两层支护间的压力。对围岩应力、应变进行观测，能够及时有效的掌握围岩内部的受力与变形状态，进而判断围岩的稳定性；对围岩与支护结构之间的压力即接触应力进行量测，可及时掌握围岩与支护间的共同工作情况、稳定状态及支护的力学性能等。(2)量测手段围岩应力应变测试Ⅰ、钢弦式应变计：单个应变计与被测围岩刚度相匹配的钢管(钢筋)连接起来，用水泥砂浆埋入岩孔，再用频率计进行激发、接受测试。Ⅱ、差动式电阻应变计：连接方法同钢弦应变计。Ⅲ、电测锚杆(电阻片测杆)：把电阻片按需要贴在一根剖为两半的金属或塑料管内壁上，再把两半合拢，并做好防水、防潮处理，用水泥砂浆固结在围岩测孔中。测杆的刚度要尽量与被测围岩的刚度相匹配。电阻片测杆电阻~应变钢弦式应变计算：理想测试内容，性能稳定，耐久性好；差动式电阻应变计：灵敏度高耐久性好，性能稳定；电阻片测杆简单经济，灵敏度高；但不能在潮湿环境中长期应用。Ⅰ、钢弦式压力盒围岩与支护或喷层与现浇混凝土之间的接触应力量测；能反映出支护对围岩的抗力；与二者的特性和之间的接触条件有关。220(-)Pkffp－总压力；k－压力计率定常数；f0－压力计零压是的频率；f－压力计受压后频率；接触应力量测Ⅱ、变磁阻调频式土压力传感器变磁阻传感器和L-C震荡电路pkf△p－被测压力的变化值；k－传感器率定值；△f－频率变化量；输出信号幅度大，抗干扰能力强，灵敏度高，适合遥测；在硬介质中应用，存在刚度匹配问题。Ⅲ、格鲁茨尔压力盒液压式压力计，传感原件为一扁平油腔，由油压表测油腔的压力。不但可以用于接触应力的测试，也可用于同种介质的内部量测。液压枕压力盒布设在围岩与初衬之间，即测得围岩与初衬之间的接触压力；压力盒布设在初衬与二衬之间，即测得两层支护间的接触压力。压力盒布设中，应把测点布设在具有代表性断面的关键部位上(如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等），并对各测点逐一进行编号。埋设压力盒时，要使压力盒的受压面向着围岩。注意事项测点布置在隧道壁面，当测围岩施加给喷射混凝土层的径向压力时，先用水泥砂浆或石膏把压力盒固定在岩面上，再谨慎施作喷射混凝土层，不要使喷射混凝土与压力盒之间有间隙，保证围岩与压力盒受压面贴紧；要注意保护压力盒的电缆线，否则前功尽弃。钢支撑内力及外力隧道围岩类别低于Ⅳ类，设置钢支撑；Ⅰ、Ⅱ类围岩型钢支撑；Ⅲ类格栅支撑.量测的目的了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型和设计提供依据；根据钢支撑的受力状态，判断围岩和支护结果的稳定性；了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。量测的仪器液压式和电测式两种；液压式结构简单，可靠，现场直接读数，使用方便；电测式测量精度高，可远距离和长期观测。PE电测方法型钢支撑----钢弦式表面应变计焊接在型钢上面，与型钢并联连接PA电测方法格栅支撑----钢弦式钢筋应力计切断格栅钢筋，与格栅钢筋串联连接液压式量测方法----液压式测力计压力作用使油缸内油压发生变化，直接通过压力表读出油压变化。三.位移测试1.净空相对位移测试测量原理隧道开挖后，改变了围岩的初始应力状态，围岩应力重分布引起洞壁应力释放，使围岩产生变形，洞壁有不同程度的向内净空位移。在开挖后的洞壁(含顶、底)及时安设测点，内壁面两点连线方向的位移之和量测称为收敛量测，两次量测的距离之差为收敛值。收敛量测是地下隧洞监控量测的重要内容，根据测试的变形速率可判断围岩稳定程度和二次衬砌的合理施做时机；收敛值是最基本的量测数据，必须准确测量，计算无误壁面测点：埋入围岩壁面30-50mm的埋杆或测头；测尺(测杆)：打孔的钢卷尺或金属管，壁面相对位移的粗读数；测试仪器：由测表、张拉力设备与支架组成；测表，百分表或游标卡尺，精度数；张拉力设备,重锤/弹簧/应力环，对测尺施加定量张拉力，测尺初始状态一致;支架,安装组合仪器组件的装置；连接部分：连接测点和仪器的构件；收敛量测测量装置的基本构成测试简单，纯人工操作，精度较低。Ⅰ、位移测杆由数节可伸缩的异径金属管组成，管上装有游标卡尺或百分表，用以测定两端测点之间的相对位移；适用于小断面洞室观测；常用量测方法单向重锤式收敛计测试方向单一测试精度一般重锤施加张拉力Ⅱ、净空变化测定计1-测度表；3-钢卷尺；4、5-连接球铰；6-张拉表；7-张拉弹簧万向弹簧式收敛计能量测任意方向测试精度一般弹簧施加张拉力万向应力环式能量测任意方向测试精度高性能稳定量力环精确控制张拉力仪器安装监测实例全断面监测；高精度电测Ⅲ、巴塞特收敛系统弹簧钢卷尺光电测距仪器全过程监控；高精度电测；简单方便Ⅳ、光电测距仪0nnURRUn－第n次量测时净空相对位移值；Rn－第n次量测时的观测值；R0－初始观测值；净空相对位移的计算开挖后尽快埋设测点，并测取初值，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；量测频率视围岩条件、工程结构条件、位移速率及施工情况而定。量测注意事项2、拱顶下沉量测测量原理由已知高程的临时或永久水准点，使用较高精度的全站仪，就可观测出隧道拱顶各点的下沉量及随时间的变化情况。隧道底部也可用此方法观测，通常这个值是绝对位移值。还可以用收敛位移计测拱顶相对于隧道底面的相对位移。值得注意的是拱顶是隧道周边的一个特殊点，其位移情况具有较强代表性。拱顶下沉量测的测点，一般可与周边位移测点共用。量测方法Ⅰ、水准仪监测或直接量测12hSSaSbSca22hSSaSbSca12Sabc12Sabc拱顶下沉计算布置示意图Ⅱ、全站仪量测在被测断而的拱顶位置布设1~3个反光贴片，并在跄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l个反光片作为后视点，使用全站仪的“对边缺测”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。量测的内容及目的隧道开挖影响范围内的地表土体，浅埋隧道和隧道的洞口；地表下沉范围和量值；地表及地中下沉随工作面推进的规律；地表及地中下沉稳定的时间；量测方法水准仪监测法地表影响范围内埋设测点，与影响范围外埋设基准点，两者高程之差。3、地表下沉量测量测的内容及目的0iiniDSS隧道周边某点及围岩内不同深度各点的位移状态；反映围岩受力的稳定状态、岩体挠动与松动范围，优化锚杆设计参数；判别隧道围岩稳定性和支护效果，确保施工安全和工程质量；4.围岩内部位移量测量测原理埋设在钻孔内的测点与钻孔壁紧密连接，岩层移动带动测点移动测点i相对与测点1的位移量为1iniSDD测点i相对与孔口的总位移量为锚固部分：把测试原件与围岩锚固成一体，测试原