培训材料之监测数据分析与数据反馈

2010年7月内容目录一、隧道结构受力特点与监控量测；二、新奥法与监控量测；三、监控量测要解决的问题；四、监测分析与信息反馈重要性；五、目前监测分析与信息反馈存在的问题；六、监测类别划分；七、监测分析与信息反馈项目；八、各项目监测分析与信息反馈；九、隧道施工方法介绍；十、隧道辅助施工措施介绍；十一、涌水处理措施介绍；十二、调整初支与二衬措施介绍。一、隧道与地下工程结构受力特点与监控量测隧道与地下工程是一种特殊的工程结构体系。从岩体力学角度看，它是处于与围岩相互作用的体系之中的结构物；从地质力学角度看，它是处于千变万化的地质体之中的工程单元体。在这样的岩体和地质体中，隧道一经开挖，其中所包容的原状力学体系便被打破，四周原有的受力状态改变。随着开挖面增大或者深度的增加，这种改变也将不断地延续。在支护敷设后的一段时间内，虽然受力状态已经发生改变，但是支护与围岩体之间的力的作用还没有达到平衡。随着时间的推移，这种受力状态才会逐渐停止，达到最终平衡。隧道与地下工程的成形过程，自始自终都存在受力状态变化这一特性。目前隧道与地下工程的外荷体系的分布和量值还处于研究阶段，设计是建立在若干假定条件下的。这就决定了设计与实际施工必然存在一定的出入。试验性研究，特别是隧道现场监控量测，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题的一种重要手段和主要途径。新奥法就是将监控量测与理论计算相结合的反馈分析计算法。采用新奥法设计、施工的隧道及地下工程必须进行监控量测。二、新奥法与监控量测监控量测是新奥法的重要内容。它不仅是保证施工安全的需要，而且也是修正设计、指导施工的主要依据。在隧道施工图设计中，把监控量测纳入设计文件。所以，应通过各个试验段（监测断面）测试数据对各类围岩的支护效果进行检验，为隧道修改设计和指导施工提供信息及时反馈，最终确定和修正设计参数。新奥法设计与施工必须紧密配合，共同研究，综合分析各项施工过程中的监测信息，并要求及时反馈信息，修正设计参数与指导施工。1、在隧道开挖后，根据施工观察、现场地质调查、现场监控量测等获得的监测信息，对施工前预设计所确定的结构形式、支护参数、预留变形量、施工工艺、施工方法以及各工序施作时间等的检验和修正，是贯穿于整个施工过程的信息反馈修正设计阶段。2、监测信息是隧道开挖后围岩稳定性的动态反映，也是修正设计、指导施工的依据。对于各种信息进行综合分析，互相印证，对预设计支护参数的修正和施工方法的改进是不可缺少的过程。及时整理量测资料，分析研究各项施工信息，是保证施工安全的需要。当出现异常现象时，应立即采取加强喷锚支护、改变施工对策（方法、顺序、工艺）、及早形成闭合环等技术措施，使可能发生的塌方防患于未然，以保证隧道稳定及安全。三、监控量测要解决的问题在隧道施工阶段和运营阶段，使用各种量测仪表和工具，对围岩变化情况及支护的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据。在复合式衬砌中，依据量测结果确定二次衬砌施作的时间，以达到监控隧道围岩和支护结构的变位与应力不超过设计标准。简言之“确保安全、指导施工、修正设计、积累资料”。确保安全：在施工及运营中，掌握隧道工程安全状况，监视支护衬砌结构的险情，以便及早采取相应的补救措施等。指导施工：量测数据经过分析处理，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，提出施工方法变更建议或调整施工顺序和提供施作二次衬砌的时机。由于采用的施工方法与断面形式的不同，围岩与支护体系的应力状态也不一样，监测中发现某种施工方法不能满足该围岩的稳定性要求时，应及时变更施工方法及选择对隧道稳定有利的断面形式或辅助施工措施。当监测信息给出不稳定征兆时，应检查是否由于工序不当造成的。改变施工工序如暂停开挖、及时喷锚支护、二次喷射砼紧跟或提前施作仰拱等都可能促使围岩支护体系趋向稳定。修正设计：掌握围岩力学形态和变化规律；掌握支护的工作状态信息并及时反馈；为理论解析、数值分析与提供计算数据与对比指标；为工程类比提供参考指标。积累资料：已有的量测结果可以间接地应用到其它类似工程中，作为设计和施工的参考资料。四、监测分析与信息反馈重要性监测分析与信息反馈是监测成果提交一环，是监测最重要的一环。量测是监控的手段，监控是量测的目的。监控的过程可分为：现场测量—数据处理—信息反馈。监测信息包括施工观察，现场地质调查和现场监控量测信息等内容。监测信息是隧道开挖后围岩稳定性的动态反映，也是确保安全、指导施工、修正设计的重要依据，必须对监测反馈的信息作全面分析并及时反馈到施工、设计等相关部门。五、目前监测分析与信息反馈存在的问题1、数据分析不深入，结合监测数据进行分析比较少，得出的结论也少；2、对于监测在“确保安全”方面作用，往往体现在简报的出具上，也就是发现质量或安全隐患现象，而后进行了预警。未能有效按照监测控制及预警标准进行及时发布（应用监测数据的滞后性）；3、对于监测在“指导施工”方面作用，在周报、月报上往往千篇一律，内容较空洞；4、对于监测在“修正设计”方面作用，报告中基本未反映；5、重要监测信息未能做到及时捕捉、发布，很多原始有效监测成果未能形成的书面结果，也未保留，最终影响到总报告分析质量上。六、监测类别划分必测项目是以判断围岩的变化情况，测定支护结构工作状态，经常进行的测量项目，也是为设计施工中确保围岩稳定，并通过判断围岩的稳定性来指导设计，施工的经常性测量。这类测量方法比较简单，费用较少，可靠性较高，但对监视围岩稳定性、指导设计与施工却有直接意义。在隧道工程和地下工程中，各类围岩的坑道开挖之后，均应进行围岩和支护的位移量测，同时进行锚杆抗拔力试验。它们是各项动态变化的综合的、直接的反映，是现场监测中的主要内容。它具有稳定可靠、简便经济等特点，测试结果可直接指导施工、验证设计、评价围岩和初期支护的稳定性。故将地质和支护状况观察、周边收敛、拱顶下沉、锚杆内力及抗拔力监测项目划为必测项目。选择项目是用以判断隧道围岩松动状态，喷锚支护效果和积累技术资料为目的的量测。选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地掌握围岩的稳定状态与喷锚支护效果，对未开挖区段的设计与施工具有指导意义。这类项目测试比较麻烦，量测项目较多，一般只需选择其中的部分项目进行测试。七、监测分析与信息反馈项目序号监测项目监测类别信息反馈内容反馈应用1地质和支护状况观察必测地质条件、围岩级别、围岩及支护稳定性★▲●2周边位移必测围岩及支护稳定性、二衬及仰拱施作时机★▲3拱顶下沉必测围岩稳定性、二衬及仰拱施作时机★▲4锚杆轴力必测锚杆加固围岩效果与锚杆强度检验●▲5锚杆抗拔力必测锚杆施工质量检查▲6锚索张力必测锚索加固围岩效果与锚索强度检验●▲7地表下沉选测沉陷值控制、安全预警★▲8围岩体内位移（洞内设点）选测围岩松动区、优化锚杆参数▲●9围岩体内位移（地表设点）选测稳定性判定参数★▲●10深层土体水平位移选测稳定性判定参数、隧道偏压检验★▲●11围岩压力及两层支护间压力选测围岩压力大小及分布、隧道偏压检验●▲★12地下水位选测降水水位控制、降水效果检验▲★★—确保安全；▲—指导施工；●—修正设计。续上表序号监测项目监测类别信息反馈内容反馈应用13钢筋应力选测应力大小及分布，计算轴力、弯矩●★14钢支撑（内）外力选测维护支架承载能力、检验隧道偏压、保证施工安全、优化支护参数▲★●15喷砼应力选测支护稳定性、工序调整▲★16二衬混凝土应力选测应力大小及分布，计算轴力、弯矩●▲★17二衬裂缝选测安全质量评价、裂缝修补▲18建筑物沉降、倾斜必测沉降、倾斜控制★▲19隧底隆起选测工序调整、安全预警▲★20爆破振动选测安全预警、优化爆破参数★▲21隧道开挖轮廓选测修正围岩下沉值、工中欠挖检查●▲22锚杆长度及砂浆注满度选测锚杆施工质量检查▲23管片背侧注浆选测注浆效果测试▲★—确保安全；▲—指导施工；●—修正设计。八、各主要监测项目监测分析与信息反馈根据一个断面的施工信息综合分析结果，进行设计参数修正，只适用于该断面前后不大于5m的同类围岩段。隧道较长地段同类围岩设计参数的修正，特别是降低设计参数，必须一不少于3个断面的施工信息综合信息为依据。同一座隧道不同地段的同类围岩地质条件不完全一致，物理力学性质也有差别，因此规定同一地段必须有三个断面施工信息的综合分析，才能修正本段围岩的设计参数。按修正后的设计参数进行开挖的地段，其设计参数的正确性和合理性仍应根据施工信息综合分析予以验证，以确保隧道施工质量。隧道工程所遇到许多变量都有相互关系，一个量的变化，另一个也随之变化，但却无法从一个变量去精确地计算另一个变量。如围岩变形与围岩压力的关系。应及时对现场量测数据绘制时态曲线（或散点图）和空间关系曲线。如当位移－时间曲线趋于平缓时，应进行量测数据处理或回归分析，以推求最终位移和掌握位移变化规律。8.1地质和支护状况观察分析与反馈应用实践证明，隧道开挖工作面的工程地质与水文地质观察和描述，对于判断围岩稳定性和预测开挖面前方的地质条件是十分重要的；开挖工作面附近初期支护状况的观察和裂缝描述，对于直接判断围岩的稳定性和支护参数的检验也是不可缺少的。因此，该项定为各类围岩都采用的第一项必测项目。反馈信息主要包括：地质素描、围岩级别鉴定、围岩稳定状态观察与评价、初期支护表观状态描述、围岩破坏形态及分析。反馈信息配合量测成果等分析成果应用于确保安全、指导施工、修正设计中。围岩破坏形态及分析：1、危险性不大，不会发生急剧破坏，如加临时支护之后即可稳定的情况；2、应当引起注意的破坏，如拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩影响而出现裂隙；3、危险征兆的破坏，如拱顶混凝土喷层出现对称性局部崩塌、侧墙位移等。8.2周边位移监测分析与反馈应用隧道围岩周边位移是围岩动态的显著表现，所以现场量测主要以围岩周边位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的标准。一般而言，坑道开挖后，以围岩位移作为判断其稳定状态标准，有赖于对隧道工程设计与施工经验的积累和总结及对位移量测数据的处理分析。数据分析的方法，可应用一元线形和非线形回归分析法，用以推算围岩最终位移和掌握位移变化的规律。采用对数函数、指数函数、双曲函数等进行回归分析。隧道周边任意一点实测位移值或用回归分析推算的最终位移值，均应小于公路隧道施工规范允许值。当位移速度无明显下降，而此时实测相对位移值已接近隧道施工规范规定数值，或则支护表面出现明显裂缝时，必须立即采用补强措施，并改变施工方法或设计参数。周边收敛监测主要用途是：一是评定隧道围岩及初期支护稳定性，据此确定二次支护时机；二是洞周总收敛值判断，在规定允许值之内，且不大于预留变形量，据此保证结构不侵入限界，必要时调整开挖预留变形量。对于某一个量测断面而言，取拱脚附近的水平测线和另一条最大测线的两条回归方程，作为判断用方程。前者从收敛速度进行判断，后者从总的收敛量进行判断（不含弹性变形量）。一方面预报变形情况和判断施作二次支护的时间，另一方需注意最终位移时，结构是否侵入限界。续上节（围岩稳定性判别）隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是位移动态的显著表现，最能反映出围岩或围岩与支护的稳定性。位移量测结果作为围岩稳定性判据。工程实践表明：各项变位达到基本稳定的时间一般是一个月以内，且回归值和实测值很接近。从其变位速度（位移加速度）时间关系曲线显示出，变位的发展具有明显的阶段性。因此可在实测资料的基础上依据变位速度将变位划分为三个阶段，即急剧变位、缓慢变位、基本稳定三个阶段。围岩稳定性特征出现异常状态。稳定性特征一般正常状态为：开挖工作面通过预埋测点时，位移可能出现加速度，此后位移速度减缓，并不再出现加速度；地表下沉速度小于相应位置的隧道拱顶下沉速度；20～30d内可以达到围岩和初期支护基本稳定及施作二次衬砌的条件。变位速度变位阶段急剧变位缓慢变位基本稳定收敛变位＞1.0mm/d1.0～0.2mm/d＜0.2mm/d单点变位＞0.5mm/d0.5～0.1mm/d＜0.1mm/d拱顶变位＞1.0mm/d1