隧道监控量测实施方案.docx
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隧道监控量测实施方案
隧道监控量测实施方案
新建兰新铁路（甘青段）LXS-3标项目经理部一工区
隧道监控量测实施方案
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2010年3月26日
1.工程地质及水文地质特征
⑴地层岩性
新建兰新铁路第二双线兰州至西宁段站前工程LXS-3标段（DK104+066～DK122+625），线路正线总长18.559km。
沿线地层有有第四系（Q）、上第三系（N）、震旦系下统（Z）等。
沿线出露的侵入岩为元古代侵入岩。
各种地层出露范围、规模及特征各异。
⑵地质构造
本区位于祁连地槽褶皱系和松（松潘）甘（甘孜）地槽褶皱系两个构造单元间的结合地带，为祁连山“中间隆起带”、拉脊山加里东地向斜褶皱带单元的一部分。
地史上各期构造运动对本区均有影响，其中以加里东期和燕山期构造形迹为明显，褶皱和断裂发育。
晚第三纪以来，区内新构造运动极为活跃，表现为河谷阶地上升显著，现代河流侵蚀、下切明显，湟水河两岸六级阶地发育，高差达100-150m，构成颇为典型的河谷阶地地貌。
对工程而言本段线路范围内地质构造主要为震旦系的次级褶皱和节理裂隙发育，并伴随有元古代不规则的中酸性侵入体，地表未发现有明显的断裂构造。
⑶地震动参数
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），结合线路工程地质条件及水文地质条件和工程实际情况，该区地震动峰值加速度0.1g（相当于地震基本烈度七度），地震动反应谱特征周期0.45S。
（4）水文地质
通过地质调查综合分析认为，本区的基岩裂隙水应主要以局部脉状或窝水的形式存在，该段地下水补给不畅，径流缓慢，富水性总体较贫乏。
2.监控量测目的
监控量测作为隧道施工的重要环节，可为评价施工方法的可行性、设计参数的合理性以及了解围岩及支护结构的受力和变形特性等提供准确及时的依据，对隧道二次衬砌的施作时间具有决定性意义，因此，它是保障隧道建设成功的关键因素。
在隧道施工中，监控量测工作必不可少，必须按照《铁路隧道施工规范》TB10204-2002和《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）的有关规定进行地质素描、隧道周边位移收敛和拱顶下沉等必测项目以及其它一些选测项目的量测工作。
监控量测的主要任务是确保安全、指导施工、修正设计、积累资料，可以及时提供拱顶下沉、周边收敛信息，判断设计参数的合理性，提出更加恰当的施工方法和合理的支护措施，实现隧道信息化动态施工控制，达到既能安全快速施工，又能节省工程造价的目的。
通过隧道开挖目测围岩地质状况和实测的有关变位信息，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的依据；利用量测信息的反馈修改设计、指导施工；根据量测结果，提供围岩收敛趋势情况，判断围岩的稳定性与安全性，提供施工建议，以便采取措施防患于未然；根据变位速度判断隧道围岩稳定程度，并为二次衬砌提供合理的支护时机，确保施工安全并保证工程施工质量。
3.监控依据
施工时按照《铁路隧道施工规范》TB10204-2002和《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）等的有关规定必须进行隧道周边位移和拱顶下沉以及其它一些必要项目的量测工作。
监测执行的主要技术指标和依据是：
（1）《铁路隧道施工规范》TB10204-2002
（2）《铁路隧道设计规范》TB10003-2005/J449-2005、
（3）《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003
（4）《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）
（5）《工程测量规范》（GB50026-93）
4.监控量测组织机构及监控量测仪器的配置
4.1监控量测组织机构
针对本工程监测项目的特点，成立以工区总工为第一负责人、工区技术负责人、测量主管为主要负责人的施工监测机构,每个隧道施工工作面配置2-3人组成监控量测及信息反馈小组，成员由现场技术人员、工区测量人员组成，在监测主管的组织下负责地面和地下的日常监测工作及资料整理工作。
施工监测组织机构见下图1。
对监测方案及施工措施作出决策
工区总工
工区技术负责人、监测主管
制定监测方案，提供监测报告
监测人员
日常监控量测工作并处理反馈监控数据处理
图1施工监测机构图
4.2监控量测仪器的配置
根据本工程特点，每个隧道工作面配置相应数量量测仪器如表2，并通过质量检定中心检定，附有相关检定证书，符合高速铁路建设相关规范要求并能满足现场正常使用。
表2监控量测仪器配置表
序号
名称
单位
数量
1
收敛计
台
2
2
电子水准仪
台
1
4
全站仪
台
2
5.监测量测的内容及方法
表3监控量测项目内容、方法及仪器
序号
监测项目
测试方法和仪器
测试精度
备注
1
洞内、外观察
现场观察、数码相机、罗盘仪
2
地表下沉
电子水准仪、全站仪
1mm
浅埋隧道必测（H0≤2b）
3
拱顶下沉
全站仪测量
1mm
用反贴片进行量测
4
二次衬砌前净空变化
收敛计、全站仪
0.1mm
全站仪采用免棱镜观测法
5
二次衬砌后净空变化
收敛计、全站仪
0.1mm
5.1洞内外观测
5.1.1洞内观察
a.开挖工作面观察应在每次开挖后进行。
观察中发现围岩条件恶化时，采取相应处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表；
b.在节理、裂隙发育的镶嵌状、块状脆性硬岩地段应重视观察围岩的节理、裂隙走向及发育程度，对易引起坍塌的岩埠及时进行锚杆支护或喷射混凝土封闭；
c.对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射混凝土、锚杆、钢架和二次衬砌等的工作状态。
5.1.2洞外观察
重点在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容应包括地表
开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。
5.2隧道洞口段、浅埋和偏压段地表沉降监测
隧道洞口段覆盖层薄，开挖后围岩难以自稳成拱，地表易沉陷，为了确保洞口浅埋段的施工安全，按相关规定要求，进行地表沉降监测，量测频率与拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。
地表下沉的量测与洞内净空变化和拱顶下沉量测在同一断面内。
布点原则为：
横断面方向应在隧道中线两侧每隔2～5m布设地表下沉测点，每个断面7～11点，监测范围在隧道开挖影响范围以内，如图4所示。
地表下沉量测断面间距见表5。
监测仪器为：
全站仪、电子水准仪、水准尺等。
图4：
地表沉降观测点布设示意图
表5地表下沉量测断面间距
埋置深度H与开挖深度
量测断面间距（m）
2B＜H0＜2.5B
20～50
B＜H0≤2B
10～20
H0≤B
5～10
注：
地表无建筑物时取表中上限值，H0为隧道埋深，B表示隧道开挖宽度。
使用电子水准仪观测地表沉降应该注意以下事项：
（1）基准点不要选择隧道经过的山体上，要保证基准点的稳固。
（2）基准的高度要选择好，可以使用水准仪一镜可以测量全部的沉降观测点，不要频繁的转站。
（3）测量顺序应先读后视读数，然后依次观测各沉降点，每个点读一次数，再读后视读数（必要时应动一下水平仪的位置），如此往复3次，成果取平均值。
应该将高程数据引测到基准点上，可以对隧道埋深情况进行了解。
5.3拱顶下沉及收敛量测
拱顶下沉及净空变位收敛量测,根据围岩类别、隧道尺寸和埋深等，沿隧道纵向在拱顶和墙中布设测点，其间距见表6，拱顶下沉、收敛量测起始读数要在3～6h内完成，其他量测应在每次开挖后12小时内且在下一循环开挖前取得起始读数。
拱顶下沉及收敛量测断面间距见表6。
监测仪器：
全站仪，收敛计。
表6拱顶下沉及周边收敛量测断面间距表
围岩级别
量测断面间距（m）
Ⅴ
5～10
Ⅳ
10～30
Ⅲ
30～50
Ⅱ
50～100（视具体围岩情况确定）
由于我工区管段正洞隧道断面大，拱顶的高度较高，如果使用水准仪进行测量，悬挂钢尺时非常不方便，所以为有效地提高监控两侧的效率，现场实测中使用全站仪免棱镜方式测量，拱顶沉降点的布设应预埋Φ22钢筋外露支护面2cm，外露的钢筋头应打磨平整并贴上反光贴片。
观测时可以自由建站，后视至少有2个高程点，采用不量取仪器高的方法。
如下图所示：
图7：
拱顶下沉测点（反贴片）
图8：
使用全站仪进行拱顶下沉观测
图9：
使用全站仪进行拱顶下沉观测
在预埋设点的断面位置，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φ22，用速凝水泥或锚固剂固定，如果采用螺丝状测桩头则需设保护罩，采用挂钩式测桩则需避免隧道施工人员悬挂风管、电线或杂物等造成破坏或移动。
采用收敛仪量测周边收敛，初始读数应在开挖后12h内读取，最迟不得超过24h而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的读取。
图10：
收敛点的埋设形式示意图
图11：
收敛点埋设示意图
图12：
收敛仪结构示意图
图13：
量测人员使用收敛仪进行周边收敛量测
使用收敛仪应注意如下事项：
（1）仪器螺旋旋到最紧处为归零位置，由于测量人员的手劲不同，每个人使用时归零的位置都是不同的，所以经过初次归零后，不要频繁的归零，如果产生偏差后需要归零，则需要同一人来进行。
（2）仪器在测量时，钢尺是处于悬空的状态，为了降低钢尺自重产生的误差，要给予钢尺足够的拉力，要特别注意的是，每次测量时钢尺使用的拉力必须是固定值，千万不可变换钢尺的拉力。
（3）读数时，不要用手扶着钢尺，要使尺处于自然悬空的状态。
（4）如果收敛仪在使用过程中损坏，换了新的收敛仪，不能用两台收敛仪的读数相减求收敛值，但是收敛值可以叠加。
6.量测频率及控制基准
6.1量测频率
量测频率根据测点距开挖面的距离及位移速度分别按表14和表15确定。
由位移速度决定的监控量测频率和由开挖面的距离决定的监控量测频率之中，原则上采用较高的频率值，出现异常情况或不良地质时，应增大量测频率。
表14按距开挖面距离确定的监控量测频率
量测断面距开挖面距离（m）
量测频率
（0～1）B
2次/d
（1～2）B
1次/d
（2～5）B
1次/2-3d
＞5B
1次/7d
注：
B为隧道开挖跨度。
表15按位移速度确定的监控量测频率
量测断面距开挖面距离（mm/d）
量测频率
≥5mm
2次/d
1～5
1次/d
0.5～1
1次/2-3d
0.2～0.5
1次/3d
＜0.2
1次/7d
6.2监控量测控制基准
6.2.1量测极限相对位移值
隧道初期支护极限相对位移参照表16及表17选用：
表16跨度B≤7m隧道初期支护极限相对位移
埋深h（m）
围岩级别
h≤50
50＜h≤300
300＜h≤500m
拱脚水平相对净空变化（%）
Ⅱ
—
—
0.20～0.60
Ⅲ
0.10～0.50
0.40～0.70
0.60～1.50
Ⅳ
0.20～0.70
0.50～2.60
2.40～3.50
Ⅴ
0.30～1.00
0.80～3.50
3.00～5.00
拱顶相对下沉（%）
Ⅱ
—
0.01～0.05
0.04～0.08
Ⅲ
0.01～0.04
0.03～0.11
0.10～0.25
Ⅳ
0.03～0.07
0.06～0.15
0.10～0.60
Ⅴ
0.06～0.12
0.10～0.60
0.50～1.20
注：
1.本表适用于复合式衬砌的初期支护，硬岩围岩隧道取表中较小值，软质围岩隧道取表中较大值。
表列数据可在施工中通过实测资料积累作适当修正。
2.拱脚水平相对净空变化指两拱脚测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。
3.墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.2～1.3后采用。
表17跨度7m≤B≤12m隧道初期支护极限相对位移
埋深h（m）
围岩级别
h≤50
50＜h≤300
300＜h≤500m
拱脚水平相对净空变化（%）
Ⅱ
—
0.01～0.03
0.01～0.08
Ⅲ
0.03～0.10
0.08～0.40
0.30～0.60
Ⅳ
0.10～0.30
0.20～0.80
0.70～1.20
Ⅴ
0.20～0.50
0.40～2.00
1.80～3.00
拱顶相对下沉（%）
Ⅱ
—
0.03～0.06
0.05～0.12
Ⅲ
0.03～0.06
0.04～0.15
0.12～0.30
Ⅳ
0.06～0.10
0.08～0.40
0.30～0.80
Ⅴ
0.08～0.16
0.14～1.10
0.80～1.40
注：
1本表适用于复合式衬砌的初期支护，硬岩围岩隧道取表中较小值，软质围岩隧道取表中较大值。
表列数据可在施工中通过实测资料积累作适当修正。
2拱脚水平相对净空变化指两拱脚测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。
3墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.1～1.2后采用。
6.2.2位移控制基准
位移控制基准根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移按表18要求确定。
表18位移控制基准
类别
距开挖面1B（U1B）
距开挖面2B（U2B）
距开挖面较远
允许值
65%U0
90%U0
100%U0
注：
B为隧道开挖宽度，U0为极限相对位移值。
6.2.3管理等级
根据位移控制基准，位移管理按下表19分为三个等级：
表19位移管理等级
管理等级
距开挖面1B
距开挖面2B
Ⅲ
U＜U1B/3
U＜U1B/3
Ⅱ
U1B≤U≤2U1B/3
U2B/3≤U≤2U2B/3
Ⅰ
U＞2U1B/3
U＞2U2B/3
注：
U为实测位移值
6.2.4监控量测结束标准
根据收敛速度判别：
一般地段：
收敛速度＞5mm/d时，围岩处于急剧变化状态，加强初期支护系统；收敛速度＜0.2mm/d时，拱部下沉速度小于0.15/d，围岩基本达到稳定。
特殊地质地段：
加强初期支护强度和刚度，严格控制过大变形。
各量测项目持续到变形基本稳定后2周结束，断层破碎带地段位移长时间不能稳定时，延长量测时间并采取加强措施。
7.监控量测数据的统计分析与信息反馈
7.1量测数据的整理、分析
7.1.1量测数据的观测、整理
掌子面地质状况表、周边收敛拱顶下沉测试数据按《铁路隧道监控量测技术规程》附表A、B、C格式记录。
每次观测后应立即对观测数据进行校核，如有异常应及时补测；每次观测后应及时对观测数据进行整理，包括观测数据计算、填表制图、误差分析等。
7.1.2量测数据分析
根据量测值绘制时态曲线
图20时态散点图
数据整理：
把原始数据通过一定的方法，如大小顺序，用频率分布的形
式把一组数据分布情况显示出来，进行数据的数字特征计算以及离群数据的取舍。
回归分析和曲线拟合：
取得监测数据后，及时整理分析监测数据，绘制位移—时间曲线，当位移—时间曲线趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，推算最终位移值，掌握位移变化规律。
结合施工步骤对围岩、支护等变形进行分析判断，将实测数据与允许值进行比较，及时绘制各种变形-时间关系曲线，预测结构变形发展趋势，预测结构的安全性，评价施工方法，确定工程技术措施，并向总工程师及监理工程师汇报，工区技术负责人根据监测结果并及时调整施工工序及采取相应的技术措施，以实现信息化施工。
为确保监测结果质量，加快信息反馈速度，全部所得监测数据均由计算机分析，并绘制测点位移变化曲线图。
回归分析采用以下三种回归函数：
①对数函数U=A+B×ln（t+1），U=A×ln（（B+T）/（B+t0））；②指数函数U=A×e-B/t，U=A×（e-Bt0-e-BT）；③双曲函数U=t/（A+Bt），U=A[（1/（1+Bt0）2-（1/（1+BT）2）。
试用每个函数进行电算，并且选用回归精度和拟合程度最高的函数作最终回归计算。
根据回归结果计算位移极值和提前确定二衬日期。
绘制量测数据的时态变化曲线图（图19时态散点图）和距开挖面关系图。
在取得足够的数据后，根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数，
对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最大位移值或应力值，预测结构和建筑物的安全状况，防患于未然。
还可通过插值法，在实测数据的基础上，采用函数近似的方法，求得符合测量规律而又未实测到的数据。
当围岩位移速度不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；
当围岩位移速度不断下降时（du2/d2t=0），围岩不稳定状态，加强支护；
当围岩位移速度不断下降时（du2/d2t＞0），围岩进入危险状态，立即停止掘进，加强支护；
7.2建立监测管理等级基准
建立监测变形管理等级标准，管理等级分三等，其等级划分及相应基准值见表21“变形管理等级标准表”。
通过对监测结果的比较和分析来判定支护结构的稳定性和安全性，并指导施工。
表21变形管理等级标准表
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅰ
U0＜Un／3
正常施工
Ⅱ
Un／3≤U0≤2Un／3
加强支护
Ⅲ
U0＞2Un／3
采取特殊措施
注：
U0为实测变形值，Un允许变形值
7.3建立快速信息反馈渠道
为确保监测结果的质量，加快信息反馈速度，建立快速信息反馈平台。
监测小组的监测数据均由计算机管理。
如有变形超过管理标准，则由工区总工根据相关要求制定对策，通过调度命令直接传达到架子队执行，并同时通过电话及其它方式通知监理及设计单位。
周报、月报则通过书面形式上报工区总工，由工区按期向局指、施工监理、设计单位和业主单位提交监测报告，并附上相对应的测点位移或应力时态曲线图，和对施工情况进行评价并提出施工建议。
7.4监测信息反馈程序
监控量测与信息反馈程序见图22
7.5信息反馈设计的主要内容
围岩及支护的稳定性应根据开挖工作面的状态、净空水平收敛值及拱顶下沉量的大小和速率综合判断，并及时反馈于设计和施工中，根据水平相对净空变化值进行判断时，应符合现行《铁路隧道监控量测技术规程》的有关规定，并结合隧道跨度袖中考虑。
信息反馈的主要内容为施工方法变更的建议；施工工序的更改；预留变形量的修改或确认；设计参数的修改或确认；辅助施工措施的选择与变更；周边环境的影响评估及辅助施工措施建议。
图22监控量测与信息反馈程序图
8.监控量测管理
⑴工区工程部根据设计文件编制《隧道监控量测实施方案》，由工区总工审查后，由工区工程部上报监理，在监理工程师批准后实施。
⑵监控量测必须按TB10121-2007《铁路隧道监控量测技术规程》要求进行，布点要合理，数据要真实。
监测周报和监测月报，由总工程师签阅后存档（发放范围同上）。
⑶工区主管工程师或总工程师根据工程进展情况认为有必要时，应增加监测频率或监测项目。
⑷监测周报和月报需在周交班会和生产会上进行通报。
并对进行数据分析。
当监测数据发生异常时，必须在第一时间将监测日报和此前3~4天的施工日志交主管领导进行分析，必要时以碰头会的形式进行通报，碰头会参加人员工区经理、副经理、总工、工程部长、监测人员、技术负责人，分析原因，制定对策。
同时要求增加监测项目或加大监测频率。
9.安全保证措施
监控量测人员必须按下列要求工作:
（1）监控量测人员上岗要戴安全帽，持上岗证作业。
（2）监控量测人员在测量作业时要集中精力工作，不得接打电话，不得和无关人员闲聊，不得嬉戏打闹。
（3）监控量测人员在危险作业区要佩戴安全带、绝缘鞋等安全设备，确保人身安全。
（4）监控量测人员不得在大型机械旁边及其它没有防护的区域测量作业。
（5）监控量测人员在测量作业时测量仪器不能离人，不得违规操作造成仪器损伤。
10.考核、奖罚措施
为确保监控量测资料的及时性、严肃性，工区将按以下规定进行考核：
（1）无特殊原因未按规定上报者；
（2）未按规定布设量测点的；
（3）量测点未挂牌标识的；
（4）未按规定频率量测的；
（5）初支表面裂缝、变形，地表开裂、沉陷等现象，未在监控量测报表中如实反应的；
（7）工区量测资料未存档或值班领导签认、处理意见、反馈结果不全者；
（8）发现弄虚作假、上报假资料的；
工区将每月对监控量测进行考核，并视其情况对其进行奖罚。
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