第三讲-地下洞室围岩和支护系统施工监测

PowerPointTemplate地下洞室围岩和支护系统施工监测第三讲一、地下洞室监测目的与项目一)监控量测目的(1)掌握围岩力学形态的变化和规律。(2)掌握支护结构的工作状态，评价围岩和支护系统的稳定性、安全性。(3)为理论解析、数据分析提供计算数据与对比指标。验证、修改设计参数。(4)为隧道工程设计与施工积累资料，为围岩稳定性理论研究提供基础数据。(5)及时预报围岩险情，以便采取措施，防止事故发生。(6)指导安全施工，修正施工参数或施工工序。(7)对隧道未来性态作出预测。依据各类观测曲线的形态特征，可掌握其变化规律，进而对未来性态作出有效的预测。(8)法律及公证的需要。经过计量认证的观测单位，其所提供的加盖有CMA章的观测结果，具有公证效力。对由于工程事故而引起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定其原因和责任。一、地下洞室监测目的与项目bR二)监控量测项目与内容1.地质和支护状态现场观察：开挖面附近的围岩稳定性，围岩构造情况，支护变形与稳定情况，准确掌握围岩情况。2.岩体(岩石)力学参数测试：抗压强度抗压强度，变形模量，粘聚力，内摩擦角，泊松比。，变形模量E，粘聚力C，内摩擦角，泊松比3.应力应变测试：岩体原岩应力，围岩应力、应变，支护结构的应力、应变。4.压力测试：支护上的围岩压力，渗水压力。5.位移测试：围岩位移(含地表沉降)，支护结构位移。6.温度测试：岩体(围岩)温度，洞内温度，洞外温度。7.物理探测：弹性波(声波)测试，即纵波速度vp、横波速度vs、.动弹性模量Ed、动泊松比μdp。以上监测项目，一般分为应测项目和选测项目。应测项目是现场量测的核心，它是设计、施工所必需进行的经常性量测。选测项目是由于不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测要取得的数据类型而选择的测试项目。由于条件的不同和要取得的信息不同，在不同的隧道工程中往往采用不同的测试项目。但对于一个具体隧道工程来说，对上述列举的项目不会全部应用，只是有目的地选用其中的几项。隧道工程的量测项目如表5-2-1所示。表中l~4项为应测项目，5~11项为选测项目。一、地下洞室监测目的与项目表5-2-1隧道现场监控量测项目及量测方法二、现场量测计划在初步调查的基础上，依据隧道所处的地质条件、工程概况、量测目的、施工方法、工期和经济效果编制现场量测计划。一)量测项目的确定及量测手段的选择量测项目分为必测项目A和选测项目B。必测项目(A类量测)指施工时必须进行的常规量测，用来判别围岩稳定及衬砌受力状态，指导设计施工的经常性量测。主要包括洞内观察、隧道净空变形和拱顶下沉量测等。浅埋隧道尚应作地表沉陷量测。这类量测方法简单、可靠，对修改设计和指导施工起重要作用。选测项目(B类量测)是指在重点和有特殊意义的隧道或区段进行补充的量测，用来判断隧道开挖过程中围岩的应力状态、支护衬砌效果。主要包括围岩内部变形、地表沉陷、锚杆轴力和拉拔力、衬砌内力、围岩压力和围岩物理力学指标等。这类量测技术较复杂，费用较高，通常根据实际需要，选取部分项目进行量测。量测项目及其要求见表5-3-1。量测手段的选用，应根据量测项目和国内仪器的现状来选用。一般应选择简单、可靠、耐久、成本低的量测手段，并要求被测的物理量概念明确，量值显著，量测范围大，测试数据便于分析，易于实现对设计、施工的反馈。在通常的情况下，选择机械式手段与电测式手段相结合使用。二、现场量测计划二)测试断面的确定与测点布置1测试断面的确定测试断面有两种，一是单一的测试断面，二是综合的测试断面。把单项或常用的几项量测内容组成一个测试断面，了解围岩和支护在这个断面上各部位的变化情况，这种测试断面即为单一的测试断面。把几项量测内容有机地组合在一个测试断面里，使各项量测内容、各种量测手段互相校验，综合分析测试断面的变化，这种测试断面称为综合测试断面。应测项目按一定间隔设置量测断面，常称为一般量测断面。由于各量测项目要求不同，其量测断面间隔亦不相同，在应测项目中，原则上净空位移与拱顶下沉量测应布置在同一断面上。量测断面间距视隧道长度、地质条件和施工方法等确定，具体可参考表5-3-2。二、现场量测计划对于土砂、软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉量测，沿隧道纵向布置测点的间距可视地质、覆盖层厚度、施工方法和周围建筑物的情况确定。其量测断面间距可按表5-3-2选用。二、现场量测计划2测点的布置在测试断面上测点的布置，主要是依据断面形状、围岩条件、开挖方式、支护类型等因素进行布置。在量测中，可根据具体情况决定布设数量，进行适当的调整。二、现场量测计划1）净空位移量测的测线布置由于观测断面形状、围岩条件、开挖方式的不同，测线位置、数量亦有所不同，没有统一的规定，具体实施中可参考表5-3-3、表5-3-4和图5-3-1。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。二、现场量测计划表5-3-3净空位移量测的测线数开挖方法地段一般地段特殊地段洞口附近埋深小于2B有膨胀压力或偏压地段实施B项量测位置全断面开挖一条水平测线三条或五条三条或五条、七条短台阶法两条水平测线三条或六条三条或六条三条或六条三条或五条、六条多台阶法每台阶一条水平测线每台阶三条每台阶三条每台阶三条每台阶三条注：B为隧道开挖宽度。二、现场量测计划(a)一条测线(b)两条测线(c)三条测线(e)六条测线(f)七条测线图5-3-1净空位移测线布置(d)五条测线二、现场量测计划2）围岩内部位移测孔的布置围岩内部位移测孔布置，除应考虑地质、隧道断面形状、开挖等因素外，一般应与净空位移测线相应布设，以便使两项测试结果能够相互印证，协同分析与应用。一般每100~500m设一个量测断面，测孔布置见图5-3-2。图5-3-2围岩内部位移测孔布置(a)三测孔(b)五测孔(c)七测孔二、现场量测计划3）锚杆轴力量测的布置量测锚杆要依据具体工程中支护锚杆的安设位置、方式而定，如局部加强锚杆，要在加强区域内有代表性的位置设量测锚杆。全断面系统锚杆(不包括仰拱)，量测锚杆在断面上布置可参见图5-3-2方式进行。若围岩比较均一时，无偏压时，测孔可布置在一侧；当洞室规模较大，且高宽比大于2.0时，则宜选用图5-3-2(C)布置形式(或拱顶1个测孔，两侧边墙对称各3个测孔的布置形式)。4）喷层(衬砌)应力量测布置喷层应力量测，除应与锚杆受力量测孔相对应布设外，还要在有代表性部位设测点，如拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚等部位，并应考虑与锚杆应力量测作对应布置。另外，在有偏压、底鼓等特殊情况下，则应视具体情形，调整测点位置和数量。以便了解喷层(衬砌)在整个断面上的受力状态和支护作用，见图5-3-3。二、现场量测计划图5-3-3喷层应力量测点布置(a)三测点(b)六测点(c)九测点二、现场量测计划5）地表、地中沉降测点布置地表、地中沉降测点的布置，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，一般至少布置11个测点，两测点的距离为2~5m。在隧道中线附近测点应布置密些，远离隧道中线应疏些，见图3-3-4。并在有可能下沉的范围外设置不会下沉的固定测点。图5-3-4地表下沉量测范围及地中沉降测点布置2~5m间隔地中沉陷计不动点倾斜计450二、现场量测计划纵向布置，由于浅埋隧道距地表较近，地质条件复杂，岩(土)性极差，施工时多用台阶分部开挖，因此，纵向断面布置测点的超前距离为隧道距地表深度h与上台阶高度h1之和(即h+h1)。于是整个纵向测定区间的长度为(h+h1)+(2~5)D+h’（h’为上台阶开挖超前下台阶的距离），如图5-3-5所示。如果采用全断面开挖，为了掌握地表下沉规律，应从工作面前方2D(隧道直径)处开始量测地表下沉。地表下沉测试断面间距一般按表5-3-4布置。二、现场量测计划图5-3-5地表沉降量测区间量测区间上半上半下半下半(2～5)DH+h1D450Hh2h1h‘二、现场量测计划表5-3-4地表下沉测试断面间距覆盖层厚度H测点间距(m)H＞2D20~502D＞H＞D10~20H＜D5~10注：①当施工初期、地质变化大、下沉量大、周围有建筑物时取最低值；②D为隧道开挖直径。二、现场量测计划6）围岩压力量测测点布置围岩压力量测的测点一般埋设在拱顶、拱脚和仰拱的中间，其量测断面一般和支护衬砌间压力以及支护、衬砌应力的测点布置在一个断面上，以便将量测结果相互印证。二、现场量测计划图5-3-6声波测试孔布置(a)五测孔(b)九测孔(c)十三测孔7）声波测孔布置声波测孔宜布置在有代表性的部位(图5-3-6)。另外，还要考虑到围岩层理、节理的方向与测孔方向的关系。可采用单孔、双孔两种测试方法；或在同一部位，呈直角相交布置三个测孔，以便充分掌握围岩结构对声波测试结果的影响。二、现场量测计划图隧道监测中传感器常用布置方法三、地下洞室监控量测方法一)地质素描与隧道施工进展同步进行的洞内围岩地质(和支护状况)的观察及描述，通常称为地质素描。它是隧道设计和施工过程中不可缺少的一项重要地质详勘工作，是围岩工程地质特性和支护措施的合理性的最直观、最简单、最经济的描述和评价。二)地表沉降1)地表沉降对于浅埋隧道地表沉降以及沉降的发展趋势是判断隧道围岩稳定性的一个重要标志。用水准仪在地面量测，简易可行，量测结果能反映浅埋隧道在开挖过程中围岩变形的全过程。如果需要了解地表下沉量的大小，可在地表钻孔埋设单点或多点位移计进行量测。浅埋隧道地表下沉量测的重要性，随埋深变浅而增大，如表5-4-2所示。三、地下洞室监控量测方法2）数据整理将每次的量测数据，经整理绘出以下曲线以便分析研究。(1)地表纵向下沉量-时间关系曲线。(2)地表横向下沉量-时间关系曲线。从两曲线图中可以看出地表下沉与时间的关系，以及最大下沉量产生的部位等。如果地面有建筑物最大下沉量的控制标准，应根据地面结构的类型和质量要求而定，大约1~2cm，在弯变点处的地表倾斜应小于结构要求，一般应小于1/300。地表下沉量其控制标准见表5-5-1或参阅有关标准和规范。根据回归分析，如果地表下沉量超过规定标准，应采取措施。1）量测频率地表沉降量测频率，在量测区间内，当开挖面距量测断面前后距离，每天1~2次；时，每两日量测一次；当时，每周量测一次，见图5-4-1。Dd2DdD52Dd5三、地下洞室监控量测方法三)坑道周边相对位移与拱顶下沉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、最直观、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、地表下沉及底鼓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，来反映围岩位移动态。2）收敛计种类及选择收敛计按传递位移媒介的不同，可分为三种：卷尺式收敛计、钢丝式收敛计和杆式收敛计。虽然类型不同，但组成基本相同，主要包括：(l)传递位移部份(钢卷尺、钢丝等)；(2)测力装置(保持卷尺或钢丝等在测量时恒力，如弹簧称)；(3)测读位移设备(如测微百分表、数显收敛计则直接显示测微读数)；(4)测点连接器(单向连接销式及球形铰接式等)。以球铰式收敛计为例，其结构构造如图5-4-2。三、地下洞室监控量测方法收敛计的选择，一般应根据洞室断面大小、围岩类型、变形量大小等选定，具体选择如下：(A)卷尺式收敛计使用操作方便，体积小，质量轻，故在大多数情况下，应优先选择使用；(B)当洞室断面尺寸很大(大于20m)，或温度变化较大，或对变形量测精度较高的地下洞室，则应选择钢丝式收敛计；(C)杆式收敛计适用于洞径小，变形大的隧洞。图6-9-1QJ—81型球铰连接弹簧式收敛计1-百分表；2-收敛计架；3-钢球；4-弹簧秤；5-内滑管；6-带孔钢尺；7-连接挂钩；8-羊眼螺栓；9-连接销；10-预埋件钢尺架丝杠拉绳微调螺杠触头水准气泡压尺螺钉定位销12394678三、地下洞室监控量