第九章地下隧洞工程信息化施工监测

第九章地下隧洞工程信息化施工监测9－1岩石隧道工程信息化施工新奥法施工的要素：光面爆破：保护围岩自承能力；锚喷支护：提高围岩自承能力；监控量测：发挥围岩自承能力（图4－1）。图4－1监控量测，发挥围岩自承能力监测的目的：确保隧道的安全施工；信息反馈，指导施工（适时支护，发挥围岩自承能力）；信息反馈，指导设计（修改支护参数和计算参数）；验证和研究设计新方法、施工新工艺采集数据；环境保护（相互影响）。9－2岩石隧道监测的内容和方法监测的对象：围岩；衬砌（初衬和二衬）；锚杆；钢拱架及其它支撑监测的部位：地表；围岩内；洞壁；衬砌内；衬砌内壁等。监测的类型：位移；压力（应力）；其它物理量（围岩松动圈和声发射）。监测类型监测项目监测仪器位移地表沉降地表水平位移拱顶沉降拱脚基础沉降围岩内位移（径向）围岩内位移（水平）洞周收敛水准仪或全站仪经纬仪或全站仪水准仪或全站仪水准仪或全站仪单点、多点位移计，三维位移计测斜仪，三维位移计收敛计，巴塞特系统压力围岩内压力衬砌混凝土内压力衬砌钢筋应力围岩与衬砌接触压力锚杆轴力钢拱架压力地下水渗透压力压力盒，压力枕压力盒，压力枕钢筋应力计，应变计压力盒，压力枕钢筋应力（应变计），应变片，环式测力计钢筋应力计，应变片，应变计，轴力计渗压计其它物理量围岩松动圈前方岩体性态爆破震动声发射弹性波，形变电阻法弹性波，超前钻，探地雷达,TSP测震仪声发射检测仪一、洞内观察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。二、拱顶沉降仪器：水准仪监测方法：在拱顶用短锚杆设置挂钩，用铟钢丝悬挂标尺（或收敛计）；可借助于渔杆将标尺（或收敛计）挂到挂钩上。三、洞周收敛监测洞周收敛是隧道周边或结构物内部净空尺寸的变化。穿孔钢卷尺式收敛计（图4－7a、图4－8a）；四、围岩内位移1、单点位移计（图4－2）说明：单点位移计结构简单，制作容易，测试精度高；受外界因素影响小，容易保护；若钻孔足够深时孔底可视为不动点，测得的是位移绝对值；单点位移计通常与多点位移计配合使用。2、多点位移计按位移监测仪器的不同分为：机械式：深度测微计、千分表或百分表。电测式：位移传感器；钢弦式电阻式；差动变压器式；电阻应变式。按安装方式分为：a.并联式多点位移计：注浆式锚固头；机械式锚固头。b.串联式多点位移计：孔口固定；孔底固定。c.滑动式位移计（地表埋设）埋设方式：当隧道埋较浅时可地表埋设，测得全位移洞内埋设，可向多个方向埋设。五、锚杆拉力监测1、仪器和原理：a.锚杆拉力计、频率仪或电阻应变仪，直接测得锚杆拉力；b.钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪；c.钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪；d.应变片、电阻应变仪。2、埋设a.锚杆拉力计安装在承压板与锚头之间，如图3-15；b.钢筋应力计：割断钢筋，与钢筋串联焊接；c.钢筋应变计：焊在钢筋或钢管上（与锚杆并联连接）；d.应变片：对锚杆表面作特殊加工后粘贴，并防潮、密封。说明：钢筋应力计只能用于由钢筋组成的锚杆。六、衬砌内力1、仪器：a.钢筋应力计和频率仪或电阻应变仪；b.钢筋应变计和频率仪或电阻应变仪。注：钢筋应力计的量程根据钢筋的直径和等级。2、埋设：a.钢筋应力计：割断主筋，与结构主筋串联焊接；b.钢筋应变计：并在结构主筋附近（与主筋并联）。注：钢筋计在混凝土结构内相对的钢筋层上对称布置。七、压力监测监测仪器：压力盒和频率计，或液压枕；用途：围岩内部的压力；压力盒或液压枕；支衬结构内部的压力；围岩与初衬间的接触压力；初衬与二衬间的接触压力；1、液压枕组成：枕壳、注油三通、紫铜管和压力表(图4－11)，为了安设时排净系统内空特点：稳定可靠、结构简单、防潮防震；读数方便、成本低、不要电源。2、压力盒9－3岩石隧道监测方案设计监测方案制定步骤：(1)收集和阅读有关资料a.综合地形图b.工程地质勘察报告c.隧道工程的设计图纸d.隧道工程施工组织设计e.地表建（构）筑物基础和结构的设计图纸；(2)现场踏勘(3)拟定监测方案初稿，提交协调会议讨论，形成会议纪要(4)根据会议纪对监测方案初稿进行修改，形成正式监测方案。岩石隧道工程监测方案设计的内容：(1)监测内容——测什么?(2)监测方法和仪器——怎么测?(3)施测部位和测点布置——测哪里?(4)监测期限和频度——何时测?(5)预警值及报警制度等实施计划——怎么办?一、监测内容的确定监测内容确定的原则：①工程的规模、重要性程度；②隧道的形状、尺寸、工程结构和支护特点；③工程地形、地质条件；④施工工序和方法；⑤能及时安设，但少干扰施工；⑥方法简单、结果可靠、成本低；⑦被测物理量要概念明确，量值显著。能尽量靠近工作面安设；确定监测内容时可参考的规范：公路隧道施工技术规范（TJT042-94）（表4－2）日本《新奥法设计技术指南(草案)》（表4－3）；地表沉降监测的重要性可参见表4－4表8－3围岩条件而定的各测项目的重要性项目围岩条件A类监测B类监测洞内观察洞周收敛拱顶下沉地表下沉围岩内位移锚杆轴力衬砌应力锚杆拉拔试验围岩试件洞内弹性波硬岩地层(断层等破碎带除外)△△*△*△△△△软岩地层(塑性地压不太大)△△*△*△*△△△软岩地层(塑性地压很大)△△△土砂地层△*△*△必须进行的项目；应该进行的项目；△必要时进行的项目；△*这类项目的监测结果对判断设计是否保守是很有用的。表8－4地表沉降监测的重要性埋深重要性监测与否3Dh小不必量2Dh3D一般最好量一下Dh2D重要必须进行hD非常重要必须列为主要监测项目注：D为隧道直径，h为埋深说明：监测项目能全面反映围岩和支护的变化动态；能反映各种不同地质单元和隧道结构复杂部位的变化动态；地质条件变化大的工程，宜进行地质超前预报；高地应力的脆性岩体，可以进行声发射监测；二、监测手段和仪表的确定在隧道监测项目中，可以选择的仪器和方法的余地较少；各种隧道监测项目所能选择的仪器和方法已如§3-2和§4-2所述。不同用途的位移计的精度等级和量程范围可参见表4－5。说明：仪器的量程和绝对精度要与被测物理量的变化范围相匹配；如：软岩隧道的围岩变形较大，可选用精度稍低的变形监测仪器；浅埋隧道或有条件时，可从地表钻孔预埋；长期监测点因后期变化较小，要求精度较高表8－5位移计的量程与精度选择范围表精度范围0.0025mm0.025mm0.25mm2.5mm灵敏度0.00250.01mm0.0250.1mm0.251.0mm2.510mm典型用途现场岩石试验；变形较小工程硬岩隧道；浅基础岩石大洞室；边坡位移大的洞室；位移大的边坡量程525mm2550mm5080mm250mm重调范围20mm150mm300mm1000mm三、监测部位的确定和测点的布置1、监测断面位置的确定公路隧道施工技术规范（TJT042-94）（表4－2）洞周收敛和拱顶下沉降监测断面的间距：Ⅱ类：5～20米；Ⅲ类：20～40米；Ⅳ类：40米以上。地表沉降监测断面的间距：埋深大于两倍洞径：20～50米；埋深在一倍洞径与两倍洞径之间：10～20米；埋深小于洞径：5～10米。表4－2中B类监测项目的监测断面的间距：200～500米。说明：代表性：不同围岩类别、衬砌型式至少设一个断面；特殊性：断层、破碎带、洞口等隧道特殊部位应设监测断面；各种位移监测项目应尽量布置在同一监测断面上；各种力的监测项目应尽量布置在同一监测断面上；施工初期阶段，监测断面间距取小值，随后适当增大．测点埋设不超过掌子面2米，并不超过开挖后24小时。２、洞周收敛测点的布置形式十字形：底部施工已基本完成的隧道；三角形：常用，易于校核监测数据；多个三角形或交叉形：较宽或较高的隧道；说明：断面较小时，可采用较简洁的布置形式；数据作为反分析使用，采用多个三角形的布置形式；边墙很高时，可沿墙高设置多个水平测量基线。３、位移计的布设钻孔：通常布置拱顶、边墙和拱脚部位（图4－13）；若条件允许，可从地表或其它隧洞钻孔预埋。孔深：超出围岩变形影响范围，约1.5~3倍洞径，软岩取大植；测点位置：距孔口按1、4、9、16…的比例布设；孔口和孔底都应布设测点；在软弱结构面、接触面和滑动面等两侧。说明：隧道内，位移计孔口处需布设洞周收敛测点；拱顶位移计：洞内孔口处需布设拱顶沉降测点；对应地表需布设地表沉降和位移测点。５、其他监测项目的布设力的监测项目的布设位置与多点位移计的类似；（锚杆拉力、围岩压力和衬砌内力、钢拱架内力）监测锚杆上一般均匀布设3~4个测点；监测锚杆的规格应与工程锚杆的相同。四、观测及其频度的确定隧道内监测项目：在隧道开挖后：15天内，1～2次/天；15天～1个月内，1次/2天；1～3个月内，1～2次/周；3个月上，1～3次/月。洞内观察和地质描述，每次爆破开挖后进行。可从地表监测的项目：开挖面距量测断面前后2B时，1～2次/天；开挖面距量测断面前后5B时，1次/2天；开挖面距量测断面前后5B时，1次/周。说明：监测频度应根据监测变化的大小调整；应以变化最大者来决定监测频度；整个断面内的监测频度应该相同；若设计有特殊要求，按设计要求频度；遇突发事件则加强观测；不同位移速度时的监测频度可参见（表4－5）。表4－5位移速度与监测频度位移速度（毫米/天）151150.510.20.50.2频度1～2天/次1次/天1次/2天1次/7天1次/15天五、监测数据警戒值及围岩稳定性判断准则1、容许位移量容许位移量：在保证隧道不产生有害松动和地表不产生有害下沉的条件下，自隧道开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的隧道壁面间水平位移总量的最大容许值，或拱顶的最大容许下沉量。确定依据：a.国内外有关规范：公路隧道施工技术规范（TJT042-94）（表4－6）；法国制订的拱顶沉降量控制标准（表4－7）。表8－6洞周允许相对收敛量和开挖轮廓预留变形量围岩类别洞周允许相对收敛量（％）轮廓预留变形量(cm)隧道埋深(m)跨度(m)5050～300301～5009～117～9ⅣⅢⅡⅠ1.10.32.150.50.20.81.20.50.41.20.61.61.41.22.82.01.03.057712121735577101015埋深（米）拱顶容许最大下沉量（厘米）硬质围岩软质围岩10～501～22～550～1002～610～205006～1220～40注：①洞周相对收敛量系指实测收敛量与两测点间距离之比；②脆性岩体中的隧道取表中较小值，塑性岩体则取较大值；③本表所列数据，可在施工中通过实测和资料积累作适当调整；④拱顶下沉允许值一般按表4－6的0.51.0倍采用⑤跨度超过11m时可取用最大值。表8－7法国制订的拱顶沉降量控制标准b.参考国内外有关隧道经验弗朗克林隧道警戒标准，表8－8；表8－8弗朗克林隧道警戒标准等级标准措施三级警戒任一测点的位移大于10毫米报告管理人员二级警戒二个相邻测点的位移均大于15毫米，或任一测点的位移速率超过15毫米/月口头报告，召开会议，写出书面报告和建议一级警戒位移大于15毫米，并且各处测点的位移均在加速主管工程师立即到现场调查，召开现场会议，研究应急措施日本新宇佐美隧道的容许变形量，表8－9；表8－9日本新宇佐美隧道容许变形量地层性质覆盖层厚度(m)容许变形量(cm)开挖半径(m)变质安山岩等0～100100～200200以上55101.453.503.60温泉余土0～100100～200200以上1015203.53.63.7我国某些隧道的容许变形量经验，表8－10。表8－10我国几个隧道的容许位移量和容许位移速率值隧道名称地质条件拱顶沉降（mm）拱脚收敛位移（mm）位移速率（mm/天）古楼铺隧道含水膨胀性粘土30.080.03腰岘河隧道#黄土10.513.2－下坑隧道#软弱千枚岩－45.