范明坤隧道监控量测技术应用

新奥法隧道施工监控量测技术应用范明坤2009年5月隧道新奥法设计及施工监控量测1、隧道监控量测的定义隧道现场监控量测是指在隧道施工过程中，对围岩和支护、衬砌受力状态的量测。现场监控量测是监视围岩稳定，判断支护、衬砌结构设计是否合理，施工方法是否正确的一种手段；也是保证新奥法安全施工、提高经济效益的重要条件；为施工中可能有的工程变更提供科学依据；它贯穿隧道施工的全过程。为此《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）中第9.1.1条作出下列规定：采用复合式衬砌的隧道，必须将现场监控量测项目列入施工组织设计，制定监控量测计划，并在施工中认真实施。2、监控量测的目的与要求量测的目的为:⑴掌握围岩动态和支护结构的工作状态,利用量测结果修改设计,指导施工.⑵预见事故和险情,以便及时采取措施,防患于未然.⑶积累资料,为以后的新奥法设计提供类比依据.⑷为确定隧道安全提供可靠的信息.⑸量测数据经分析处理与必要的计算和判断后,进行预测和反馈,以保证施工安全和隧道稳定.量测的要求:快速埋设测点.(一般设置在距掌子面、工作面2m范围内，开挖后24小时、下次爆破前测取第一次读数。）测量读数在隧道内尽量要快；保证测量点不被破坏；读数准确可靠。3、监控量测的任务⑴确保安全。⑵指导施工。⑶修正设计。⑷积累资料。4现场工作程序准备工作确定埋设断面测点埋设数据整理分析资料归档数据采集隧道监控量测的内容应根据隧道工程地质条件，围岩类别（级别）、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、工程性质、开挖方法、支护类型等因素确定。通常分为必测项目和选测项目，如地表下沉对城市地铁项目应为必测项目；但对于山地交通隧道可把地表下沉做为选测项目。《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）对复合式衬砌的隧道现场监控量测要求内容见5.4下表：5、监控量测的项目与方法5.1监控量测的项目与方法必测项目：选测项目：必测项目：5.2必测量测项目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。这类量测是为了在设计、施工中确保围岩稳定的经常性量测工作。量测方法简单，量测密度大，量测信息直观可靠，费用较少，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。5.3必测量测项目所需设备5.3必测量测项目5.3.1测试仪器及设备：精密水准仪、塔尺、钢圈尺（测地表沉降、拱顶下沉）；周边收敛仪（测周边收敛）。5.4隧道现场监控量测要求内容表5.5地质、支护状态观察该项目包括对掌子面观察和支护结构的支护效果观察。掌子面工程地质和水文地质情况观察包括岩石的名称、岩层产状、断层、层理、节理等结构面的分布、走向、产状。每茬炮后需要观测一次。支护状态观察包括初期支护状态和已成峒支护效果观察。如喷射砼开裂部位、宽度长度及深度。二次衬砌的整体性、防水效果等，每天观察一次。洞内状态观察是可靠性很高且最直接的判断资料。对洞外边仰坡稳定和地表渗透观察按要求进行描述；做好相关的观察记录。观察使用地质罗盘、地质锤、钢卷尺、放大镜、秒表、手电、照相机或摄像机等。5.6周边收敛量测5.6.1必测量测项目围岩周边位移量测在预设点的断面,隧道开挖爆破以后,沿隧道周边的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设测桩。测桩埋设深度30cm，钻孔直径φ42，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩，测桩每断面6组共12根。采用钢尺式周边收敛仪量测周边收敛变形。所有测点布置在量测断面位置。①周边收敛量测是最基本的主要量测项目之一，布置在主测断面。先在测点处用凿岩机（或电钻）在待测部位成孔，然后将藕合剂（锚固剂）置入孔中，最后将收敛预埋件敲入，旋正收敛钩，尽量使两预埋件轴线在基线方向上，以利收敛计悬挂和观测。待凝固后，周边收敛量测采用收敛计进行数据采集。BCa)测线布置图DEb)B、C、D、E测点示意图c)A测点(拱顶）示意图围岩围岩测头测头拱顶下沉和周边收敛测线布置图测头连拱必测项目测点断面布置图连拱必测项目测点断面布置图测桩测桩测线1测线1测线2测线2路面路面连拱必测项目测点断面布置图不要焊接在钢拱架上我们用测线布置图中的BC和DE边的值变化来实现对净空水平收敛的量测。周边收敛数据处理：回归分析时，一般同时采用下面的三种函数，通过对比，推算最终位移时采用三个函数中回归精度（拟合程度）较高的一个函数，不同测点的回归函数可能不同。5.7拱顶下沉量测拱顶下沉量测数据，主要用于确认围岩的稳定性。测点布设方法是在拱顶中心位置，常与周边量测点布设在一起，即布在主量测断面。用凿岩机钻孔，然后将藕合剂（锚固剂）置入孔中，最后将收敛预埋件敲入，旋正收敛钩，以利收敛计悬挂和观测。待凝固后，拱顶下沉量测采用收敛计进行数据采集。拱顶下沉量测的方法常有三种：（1）用收敛计量测该方法投入较少，用收敛计量测来获取数据，操作简单，且仪器设备投入少；但后期的数据处理较多，可用计算机编程来实现电算，提高工作效率。在实际隧道中主要是挂勾子太困难（首推方法）（2）用水准仪量测(差值法计算)该方法用一测量钢尺和高精度的水准仪配合测量来实现对拱顶下沉的量测。测量时把钢尺挂在预埋的测点上，下挂一1Kg的垂球保持钢尺牵直，有水准仪读取钢尺上的读数，来实现数据的采集。最后采用差值法来计算，如果隧道较长，里面的BM点不好控制，视线不是很明显。（3）用全站仪量测该方法用一全站仪来来实现对拱顶下沉的量测。测量时在拱顶测点位置贴一个反光膜，用全站仪测量测点处的标高，来实现数据的采集。但该方法的设备投入较大（主要为全站仪的投入）。综合评定后，本文重点介绍采用收敛计来量测的方法。其数据采集及数据处理方法如下：连拱必测项目测点断面布置图连拱必测项目测点断面布置图不要焊接在钢拱架上根据测线布置图，由于ABC在同一垂直面内，其计算方法如下：令BC=L、AB=m、AC=n、BH=Xb、CH=Xc、AH=h。由勾股定理：Xa2+h2=m2、Xb2+h2=n2、Xc+Xb=L解方程得：Xb=（L2+m2-n2）/2L、Xc=（L2+n2-m2）/2L、h2=m2-Xb2=n2-Xc2我们用h值的变化来实现对拱顶下沉的量测。拱顶下沉数据处理：回归分析时，与周边收敛的数据方法相同。BC5.8地表下沉量测监测断面布设原则①地表下沉量测，在浅埋隧道和隧道的洞口段通常位于软弱、破碎、自然时间较短的围岩中；每个隧道至少2个断面，若出现不良地质情况时，加设监测断面；②当现场地形陡峭及有树木遮挡时，作适当的调整；③每个断面上测线与隧道中心线垂直，埋设测点时中心监测点设在隧道轴线的地表位置，其它监测点沿中心线对称布置，测点间距由中心监测点开始至距离地表隧道轴线最远一点由密至疏布置，具体距离按2～5m布置，宽度范围为：W=B（开挖宽度）+H/2（两侧埋深的一半）；④参照标准水准点埋设方法，埋设2个临时水准基点．临时水准基点应埋设在通视条件良好的隧道两侧稍远区域、不受隧道开挖下沉的影响稳固地点，所有测点应和基点联测以取得原始高程。测点埋设与监测①基点埋设在隧道开挖纵、横向（3～5）倍洞径外的区域，参照标准水准点埋设方法，埋设2个基点，以便互相校核，所有基点应和附近水准点联测取得原始高程。②在测点位置，开挖成长、宽、深均为200mm的坑，然后，放入地表测点预埋件（自制），测点四周用混凝土填实，待混凝土固结后即可量测。③地表下沉用高精度水准仪进行观测。观测时坚持四固定原则，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。从地表设点观测，根据下沉位移量判定开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构双洞隧道地表量测测点布置断面图连拱隧道地表量测测点布置断面图5.8.1地表下沉量测数据计算地表下沉采用闭合测量法，这样有利益我们检查是否有误，当闭合差超过3mm时，我们必须重新测。在地形较陡、视线不通时我们有时候一站不能测完，此时我们可以设置转点。当地表下沉到2~4CM时我们要加强观测，必要是给业主出预警报告。数据处理（仪高法计算）见下表。水准测量记录表及计算应用5.9隧道选测项目量测传感器：钢筋计（测钢支撑内力、锚杆轴力）压力盒（测接触压力）混凝土应变计（测混凝土内部应力）多点位移计（围岩内部位移）选择项目是必测项目的拓展和补充。对特殊地段、危险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、费用较高，但可为设计变更提供依据，工程竣工后还可以进行长期观测。5.9.1选测量测项目的选取仪器设备：频率测定仪（测钢弦式传感器）百分表（多点位移计）5.9.2选测项目量测设备5.9.3选测项目量测作用及照片选测项目量测方法传感器：钢筋计（测钢支撑内力、锚杆轴力）压力盒（测接触压力）混凝土应变计（测混凝土内部应力）多点位移计（围岩内部位移）压力盒钢筋计钢筋计砼应力计钢筋计5.10围岩内部位移量测围岩体内位移监测用于监测隧道围岩的径向位移分布和松弛区域范围，通过监测及分析，用来验证隧道施工时设计锚杆长度是否能够确保施工及结构安全。采用4点式多点位移计来监测，隧道每一量测断面布设3组测点，考虑现场的测量条件，拱顶测点采用钢弦式四点位移计（1.5米、2.0米、2.5米、3.0米），边墙测点采用机械式四点位移计分别为（0.9米、1.8米、2.7米、3.5米）。测点安装程序如下：①在预定量测部位，用直径40mm钻头，钻孔深由设计锚杆长度确定（等于锚杆长度），钻孔要求平直，并用水冲洗干净。②然后给钻孔中装入锚固剂，装入深度约为孔深的1/2，然后装入多点位移计，多点位移计外露基岩面约40cm(应大于喷射砼的厚度约10cm),在喷射砼时注意对测头的保护，拱顶钢弦式多点位移计的电缆注意采取保护措施，喷射砼完工后，及时清理测头的砼，以便测量。③当测点离开挖面很近时，必须采取防护措施，以防止爆破飞石损坏电缆及测筒。④开始初读数（如果用百分表测读，应每次打开盖板）。为保证读数的稳定性，第一次读数的建立应不小于24小时。⑤开始阶段，每天应至少进行一次测读，随着开挖面的远离，测读间隔时间可以酌情延长。机械式多点位移计双洞选测项目测点断面布置图多点式钢弦式多点式连拱选测项目测点断面布置图孔内砂浆或锚固剂一定要饱满量测与计算：钢弦式的多点位移计采用频率计读数，机式的多点位移计采用百分表测读。然后根实际位移与读数的标定数字回归方程，即可算出钻孔伸缩计四个测点的实际位移,量测断面的测点布置图。5.11围岩压力量测测点布设：压力盒布设在围岩与初衬之间，即测得围岩压力。应把测点布设在具有代表性的断面的关键部位上，如拱顶、拱腰、拱脚等，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。在隧道壁面，当所测围岩施加给喷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，再谨慎施作喷混凝土层，不要使喷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。记下压力盒编号，并将压力盒编号用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避免在洞内被施工所破坏。量测：采用频率计采集压力盒频率，根据压力盒的频率－压力标定曲线，将量测数据直接换算成相应的接触压力。围岩围岩与初期支护接触压力压力盒埋设围岩初期支护与二次衬砌接触压力5.12钢支撑应力量测测点布设：钢筋计分别沿钢架的内外边缘对应布设。安装前，在钢拱架待测部位并联焊接钢弦式钢筋计，在焊接过程中注意对钢筋计淋水降温，然后将钢格栅或钢拱架由工人搬至洞内安装或立好，记下钢筋计型号，并将钢筋计编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避免在洞内被施工所破坏。对于型钢拱架，用钢表面应变计或钢筋应力计量测，其他与格栅钢拱架的钢筋计量测法相同。量测：根据钢筋计的频率－轴力标定曲线可将量测数据来直接换算出相应的轴力值，然后根据钢筋混凝土结构有关计算方法可算出钢筋轴力计所在的拱架断面的弯矩，并在隧道横断面上按一定的比例把轴力、弯矩值点画各钢筋