宜万铁路隧道施工测量与监控量测技术.docx
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宜万铁路隧道施工测量与监控量测技术
宜万铁路×××隧道施工测量与监控量测技术
隧道施工测量先行，必须先对设计提供的控制点进行施工复测，复测满足精度要求后，进行洞外控制点的布设。
根据隧道进洞的位置，控制点应覆盖整个洞口，这是隧道施工进洞的必备条件之一。
进洞后，监控量测对隧道围岩变形进行监测，实行信息化管理，及时反馈测量数据，并进行回归分析，为隧道开挖方法、支护参数的调整提供可靠的保证，确保隧道施工安全。
下面以×××隧道施工为例，对隧道施工测量与监控量测技术进行介绍。
第一章隧道施工测量技术
1、工程概况
×××隧道全长8770m，××标出口段长4912m，其中有1427m双线段、133m燕尾段、余为分离式复线。
隧道内设人字纵坡，隧道最大埋深495m，Ⅰ线与Ⅱ线之间每隔300m左右设置横通道，线间距30米。
隧道洞口接野××大桥，无法直接进洞，在正洞前进方向设置一220米的横洞，隧道内控制点需从横洞引入，再转入Ⅰ、Ⅱ线进行施工，前期以Ⅱ线（原平导）为主导线，Ⅰ线控制点通过横通道引入；后期正洞洞口开挖后，以Ⅰ线为主导线，Ⅱ线控制点通过横通道引入。
根据导线控制点进行隧道中线、高程进行控制。
2、洞外导线点布设
根据隧道进口地形情况，选择合适的控制点位置，控制点一般要求能覆盖整个洞口，无遮挡，通视条件要好。
由于隧道山林茂密，用全站仪观测通视条件不好，×××隧道控制点联测采用Gps进行。
Gps接收机为日产TOPCON（JAVAD）双频双星（GGD）4台套接收机，仪器天线为Legant-E；仪器标称精度3mm+1ppm。
高程测量用NikonDTM550（2mm+2ppm）全站仪施测。
与十六局联测后进行成果分析，统一成果，经设计、监理签字确认后进行使用。
×××隧道出口布设导线点4个，高程控制点2个，控制点位置覆盖了隧道口和××河大桥，能够满足施工的需要。
×××隧道相邻两开挖洞口间长度8770m，横向中误差洞外允许60mm，洞内允许偏差80mm，洞外、洞内总影响横向中误差100mm。
洞外控制点的布置图如下：
3、隧道洞内导线和高程测量控制
根据测量规范要求和综合考虑，制定×××平面、高程控制测量方案如下：
①洞内导线采用SOKKOTA（索佳）全站仪，高程采用DSZ2型水准仪测量。
施工测量期间对测量仪器和设备作到定期和经常性检校，使之一直处于良好状况。
②×××隧道以GW4～GW1、GW4～GW3、GW3～GW1为起算边，洞口投点与GPS控制网进行联测，向洞内传算方位的起算边选择长边完成。
③洞口和导线桩采用砼包金属标志埋设，桩点（含高程）选择稳固可靠不易碰撞到的位置，桩位要作好标记，在隧道砼铺底等施工时保护好桩位。
④洞内导线和高程控制测量，须报经测量监理工程师检测合格后方可使用。
3.1洞内导线测量
①隧道导线测量以洞口投点沿中线或侧移适当距离布设，布设成多边形闭合导线环，一个导线环6～8条边。
平行导坑采用单导线测量，延伸一定距离利用横通道与正洞导线联测闭合进行坐标检核。
②在隧道施工期间，隧道开挖延伸800～1200m时利用原导线点组成有长边的闭合导线环，进行导线延伸测量。
测角精度≤1.8″（三等），测边精度不低于1/20000。
③洞内导线测量由于受施工干扰，能见度低等影响，测量中可能会出现短边。
但控制导线测角边长应不小于400m，测角中误差1″（如有困难，可按≤1.8″控制）。
为减小测角精度影响，测量时仪器和目标多次对中，两次照准观测。
测角、测距分别按9和4个测回完成，点间视线离开洞内设施0.2m以上，以保证观测精度。
④由洞外向洞内的测角工作，在阴天进行为宜。
因为阴天洞内外温差小通视条件好，有利于洞内外观测。
⑤洞内导线计算采用近似平差法完成。
⑥测量采用三级复核制，隧道开挖在2000米以内，由处精测队半年对控制点进行联测一次，2000米以上由局精测队对隧道导线点进行布设并对隧道中线桩进行复核，确保隧道按规定精度贯通。
3.2洞内高程测量
①根据规范要求洞内高程应达到四等精度，满足每千米水准测量偶然中误差：
M△=√1/4n[△△/R]≤5.0mm和20√Lmm。
②洞内高程由洞外高程控制点（GW2）传算，每隔200～500m设立一对高程点，以满足施工放样需要。
对GW2高程控制点旁增设新点，按半年复核联测一次。
③高程采用水准测量并进行往返观测，对洞内高程点经常进行复测，发现点位有问题立即停止使用并及时重新恢复测量。
定期对隧道洞外、洞内高程点进行联测，保证高程控制点精度。
4、隧道施工测量点位要求
①施工中线桩分永久和临时中线，永久中线由导线点测设。
直线段点间距按150～250m，曲线地段按60～100m测设。
②施工中线一次测设不应少于3个点，并相互检测。
③供衬砌用临时中线加密点，直线上采用正倒镜压点或延伸，曲线采用偏角法测量。
④洞内施工用高程点根据已知高程控制点加密，用水准仪进行往返测或闭合已知高程点，使用前作好复核，使用后进行闭合。
高程点在施工完衬砌地段设置在避车洞内，埋设φ20钢筋桩，外露5mm；没施工衬砌地段，在边墙上埋钢筋桩，钢筋外露1cm，钢筋略向上翘，便于立尺。
⑤中线桩埋设如没有施工仰拱时采用砼包Φ20钢筋桩，在钢筋顶面刻直径1mm深3～5mm的点，并用红油漆标点，测设完成后在边墙上作好标记，以便于寻找。
5、隧道施工测量
5.1、隧道开挖放样
作业队根据指挥部测量组提供的中线点、高程点，利用J2经纬仪、水准仪或全站仪对隧道中线、轮廓线、高程进行施工放样；放样可用0.5m台阶法，即将隧道中线用经纬仪测设在掌子面，再用水准仪控制拱顶高程和内轨顶高程，利用0.5m一个台阶，测量隧道横向宽度的放样方法。
隧道开挖放样可采用圆心法放样。
将隧道中线测设到掌子面，利用水准仪控制圆心的高程，根据图纸将圆心标记在岩面上，再利用半径画圆的方法进行轮廓线放样。
边墙部分采用0.5m台阶法进行放样，放样应根据掌子面的平整度进行适当的放大。
以上两种方法对隧道开挖轮廓的控制不是很准确，特别是在岩面不平的情况下更是不准。
并且施工人员多，放样时间长。
隧道开挖放样还可采用坐标法放样。
利用隧道设计开挖断面，在计算器上编辑隧道断面轮廓程序，再利用全站仪测设掌子面轮廓坐标，根据坐标计算与理论坐标进行比较，将点位精确放样在掌子面的方法。
此方法需要的人员少，最少可2人，全断面放样只需30分钟。
每一个施工循环都应进行穿线、高程控制，保证隧道的断面尺寸和中线正确。
5.2、隧道断面的检测
隧道开挖断面每开挖循环测量一个，并及时绘制断面图，对超欠挖进行控制，及时进行处理。
初支断面双线每3米测量一个，单线每5米一个，对隧道初支断面进行检测，如有欠挖及时进行处理，保证衬砌混凝土厚度。
所检测的断面及时反馈现场，对超欠挖及时进行处理，同时检测断面及时报监理工程师签认。
5.3、隧道二次衬砌测量控制
衬砌施工采用整体台车进行施工，在仰拱上定出隧道中线和基准高程，用吊线锤和尺量的方法对台车中线、高程、净空进行调整，使台车净空尺寸满足规范要求。
第一次二次衬砌作业队放样后，台车调整好后，指挥部测量组必须对台车净空尺寸进行复核；以后二次衬砌台车每五次复核一次，确保隧道净空尺寸，检查台车是否变形。
二衬混凝土施工后，应对衬砌断面进行检测，检查净空是否满足规范要求，检测按10米一个断面进行，变化段加测一个断面。
6、主要测量仪器设备表
名称
规格
数量
备注
全站仪
SOKKOTA
2台
新购
经纬仪
J2
2台
新购
精密水准仪（测微器）
DSZ2（FS1）
1台
新购
普通水准仪
CST/berger
2台
新购
激光指向仪
DQJ05A
2台
新购
7、隧道开挖轮廓放样程序（casiofx-4800）
主程序
E“HYG”←
Lb10←
｛MGF｝：
M“LC”G“X”F“H”←
H=H1-i（M-LC1）：
M〉LC2
H=H+（M-LC2）2/2/R△
X=1000G：
Y=1000（F+E-H-3.33）←
Prog“2”←
Goto0
注：
LC—实测里程LC1—竖曲线顶点里程LC2—竖曲线终点里程
X—断面横向距离（mm）Y—断面垂直距离（mm）H—视线高（m）R—竖曲线半径（m）H1—隧道设计高程（m）i—隧道坡度
2—子程序
2子程序
I=1：
J=1：
K=1←
Y〉1560+Xtgα1
A=0：
B=1560：
R1=3380：
≠
Y〉1413.4+Xtgα2
A=-200：
B=1360：
R2=3660：
≠
Y〉-278.4+Xtgα3
A=-5290：
B=0：
R3=8930：
≠
A=3627.7：
B=-470：
C=α4：
K=2△△△←
Fix0：
Pol（（X-A），（Y-B））：
K=1
L=I-R▲
≠
D=J-C：
Rec（I，D）：
L=J▲
△Norm
R—各曲线半径（mm）α1—R1与水平线的夹角
α2—R2与水平线的夹角α3—R3与水平线的夹角
α4—R3与边墙的夹角A—原点到圆心的水平距离
B—圆心到坐标水平线的距离
第二章隧道监控量测技术
1、监控量测的目的
监控量测是“新奥法原理”施工的三大要素之一，是复合式衬砌设计、施工的核心技术，施工中加强监控量测对准确判定围岩的安全状态、合理确定二次衬砌的施作时间非常重要。
监控量测工作紧接开挖支护作业，按设计要求进行布点和监测。
量测数据及时分析处理，通过监测数据的反馈分析，可验证施工设计的科学性和合理性，以及施工方法、支护方案的可行性，以便及时、准确地调整支护参数，修正施工方法及施工程序，确保施工安全。
2、监控项目和主要内容
隧道现场监控项目及内容见表2-01。
表2-01隧道现场监控项目及内容表
序号
项目
名称
方法及工具
布置
量测间隔时间
1～15d
16d～1个月
1～3个月
大于3个月
1
地质和支护状况观察
岩性、结构面产状及支护裂隙观察或描述，地质罗盘等
开挖后及初期支护后进行
每次爆破后及初期支护后进行
2
周边位移
各种类型收敛
每10～50m一个断面，每断面2～3对测点
1～2次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
3
拱顶下沉
水平仪、水准尺、钢尺或测杆、全站仪
每10～50m一个断面
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
4
围岩体内位移（洞内设点）
洞内钻杆中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计
每5～100m一个断面，每断面2～11对测点
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
5
钢支撑内力及外力
支柱压力计或其他测力计
每10榀钢拱支撑一对测力计
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
3、量测断面间距和每断面测点数量
量测断面间距和每断面测点数量见表3-01。
表3-01量测断面间距和每断面测点数量表
围岩级别
断面间距（m）
每断面测点数据
净空变化
拱顶下沉
全断面开挖
台阶法开挖
Ⅱ级
50
1条基线
2条基线
1个测点
Ⅲ级
30
1条基线
2条基线
1个测点
Ⅳ级
20
1条基线
2条基线
1个测点
Ⅴ级
10
1条基线
2条基线
1个测点
4、测点布置和量测方法
4.1、测点布置
监控量测净空变化、拱顶下沉量测，在埋设里程每次开挖后尽早埋好监测点并且取得初读数，最迟不得大于24小时，并且在下一循环开挖前完成。
全断面开挖时，拱顶一个测点，拱腰一条测线，且在同一里程；台阶法施工时，拱顶一个测点，上台阶一条收敛测线，下台阶一条收敛测线，且在同一里程，如图4-1-01。
地表下沉量测一般布置在4～6B（B为洞室宽）范围，中线附近密些，外侧渐些。
在埋设点挖长、宽、高均为200mm的坑，然后放入沉陷测点，测点一般采用φ20～30mm，长200～300mm半圆头钢筋制成。
测点四周用混凝土填实。
在开挖线影响范围以外设置水平基点2～3个。
测点应牢固可靠，易于识别，支护结构施工时要注意保护观测点，严防爆破损坏，一旦发现测点被埋或损毁，要尽快重新设置，保证量测数据不中断。
施工监测流程图见图4-1-02。
图4-1-01测点埋设示意图
图4-1-02施工监测流程图
4.2、量测方法
（1）周边水平位移、净空量测
采用WRM-3型数显收敛计进行监测，量测精度为0.01mm。
将收敛仪的一端挂在预埋钢筋钩上，另一端挂在另一侧的钢筋钩上，利用钢尺上的间距为2cm尺孔，先用力拉紧钢尺，拉倒最接近的钢尺孔位，读数显示器归零，用调节器将钢尺收紧，当听到“腾”的响声后，可进行读数，同一位置测量不少于3次，三次读数取平均值。
（2）拱顶下沉量测
采用索佳SET2130R全站仪测量拱顶下沉，精度可达0.1mm，即将全站仪设置为免棱镜状态，将红外线对准测量点进行测量，观测次数为3次。
也可采用精密水准仪、挂钩式钢尺配合测量拱顶下沉，精度可达1～2mm，量测时用一把2～4m长的挂钩式钢尺挂上，水准仪读数来进行测量。
（3）地表下沉量测
采用精密水准仪监测，精度可达0.1mm。
5、围岩监控量测频率
量测频率：
洞内观测分为开挖工作面观测和初期支护状态观测两部分。
开挖观测应在每次开挖后进行，地质情况基本稳定无变化时，可每天进行一次。
对初期支护的观测也应每天至少进行一次。
净空水平收敛和拱顶下沉量测频率根据围岩位移速度确定。
量测频率见表5-01。
表5-01拱顶下沉与净空变化量测量测频率
位移速度（mm/d）
量测频率
≥5
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、极限相对位移和变形管理等级
单线隧道初期支护极限相对位移见表6-01。
监测人员根据工程的实际情况，制定出变形等级管理标准指导施工，变形等级可参考表6-02。
表6-01单线隧道初期支护极限相对位移（%）
围岩级别
埋深（m）
≤50
50～300
300～500
拱脚水平相对净空变化
Ⅱ
—
—
0.20～0.60
Ⅲ
0.10～0.50
0.40～0.70
0.60～1.5
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本表适应于单线复合式衬砌的初期支护。
硬岩取表中较小值，软岩取较大值。
表中数值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水平净空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极限值乘以1.2～1.3后采用。
表6-02变形管理等级表
管理等级
管理位移
施工动态
Ⅲ
u0＜un/3
可正常施工
Ⅱ
un/3＜u0＜2un/3
应加强支护
Ⅰ
u0＞2un/3
应采取特殊措施
表中：
un-允许变位值；u0-实测变位值
un的确定：
un的确定考虑围岩类别、隧道埋置深度等因素并结合现场条件选择。
选择好管理等级标准和允许变位值后，可根据监控信息进行动态管理。
监控信息动态管理见图6-03。
图6-03监控信息动态管理图
7、量测数量的处理与反馈
量测后及时对现场量测数据绘制时态曲线和空间关系曲线。
根据位移变化速度，当拱脚水平相对净空变化速率大于10～20mm/d时，表明围岩处于急剧变形状态，应调整支护参数，加强初期支护；当拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d时，可认为围岩达到基本稳定。
当位移-时间曲线趋于平缓时，进行数据处理、回归分析，推算最终位移和掌握位移变化规律。
当位移-时间曲线出现反弯点时，表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时增加量测频率、密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。
隧道周边任意点的相对位移值或回归分析推算的总相对位移值均小于允许相对位移表所列数值。
当位移率无明显下降，而此时实测位移值已接近表列数值，或喷层表面出现明显裂缝时，立即采取补强措施。
并调整原支护设计参数或开挖方法。
监控量测资料及时编写，签认及时；监控量测信息及时反馈，当天将量测信息反馈至总工程师处；若变形异常，由总工程师向相关单位反应，以便采取相应工程措施。
8、主要仪器设备
序号
仪器名称
规格型号
数量
1
全站仪
索佳SET2130R
1台
2
精密水准仪
DSZ2
1台
3
数显收敛计
WRM-3
1台
4
钢尺
50m
1把
9、测试工作中的注意事项
（1）施工监测采用的机械式仪表和电子仪器，必须确保量测仪表具有良好的使用状态。
（2）测试前应做到：
①检查仪表设备是否完好，如发现问题及时修理或更换；
②检查测点是否松动或人为损坏，确认测点状态良好时方可进行测试工作。
（3）测试工作中：
①按各项量测的操作规程安装好仪器仪表，每测点一般测读三次，三次读数相差不大时，取算术平均值作为观测值，若读数相差过大时应检查仪器、仪表安装是否正确，测点是否松动，当确认无误时再进行测试。
②每次测试时都要做好记录，并记录环境温度、掘进里程以及施工情况等，并保持原始记录的准确性。
③在现场进行粗略计算，若发现变形较大时，应及时通知现场负责人。
（4）测试完毕后应做到：
①检查仪器、仪表，做好养护、保管工作；
②及时进行资料整理。
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