北山隧道监控量测方案.docx
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北山隧道监控量测方案
1、工程概况
1.1工程简介
隧道区位于牟平区境内，北山村南约500m处，属低山丘陵区，地形起伏大，基岩大部裸露，山体植被不发育，本隧道海拔高度一般为40.39~228.40m，进出口均位于缓坡处，自然坡度为10º~20º，隧道进口里程为DK229+850；隧道出口里程为DK231+730，隧道全长1880m，最大埋深161.2米。
隧道进口至DK230+972.794010位于直线上，DK230+972.794010至隧道出口位于半径为7000m的左偏曲线上；隧道内线间距4.6m;隧道内纵坡为人字坡，进口只DK230+350为12‰的下坡。
其中隧道主要情况如表1-1所示：
表1-1北山隧道工程施工参考表
序号
段落
长度（m）
围岩等级
衬砌
起始里程
终止里程
类型
1
DK229+850
DK229+876
26
Ⅴ
喇叭口式洞门
2
DK229+876
DK229+915
39
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土2m）
3
DK229+915
DK229+925
10
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土4m）
4
DK229+925
DK229+935
10
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土6m）
5
DK229+935
DK230+160
225
Ⅴ
Ⅴ级围岩加强复合式衬砌
6
DK230+160
DK230+170
10
Ⅳ
Ⅳ级围岩加强复合式衬砌
7
DK230+170
DK230+250
80
Ⅳ
Ⅳ级围岩复合式衬砌
8
DK230+250
DK230+284
34
Ⅲ
Ⅲ级围岩复合式带底板衬砌
9
DK230+284
DK230+288
4
Ⅲ
Ⅲ级围岩下锚段复合式衬砌
10
DK230+288
DK230+430
142
Ⅲ
Ⅲ级围岩复合式带底板衬砌
11
DK230+430
DK230+499
69
Ⅱ
Ⅱ级围岩复合式衬砌
12
DK230+499
DK230+503
4
Ⅱ
Ⅱ级围岩下锚段复合式衬砌
13
DK230+503
DK230+730
227
Ⅱ
Ⅱ级围岩复合式衬砌
14
DK230+730
DK230+880
150
Ⅲ
Ⅲ级围岩复合式带底板衬砌
15
DK230+880
DK230+971
91
Ⅳ
Ⅳ级围岩复合式衬砌
16
DK230+971
DK230+975
4
Ⅳ
Ⅳ级围岩下锚段复合式衬砌
17
DK230+975
DK231+050
75
Ⅳ
Ⅳ级围岩复合式衬砌
18
DK231+050
DK231+155
105
Ⅴ
Ⅴ级围岩加强复合式衬砌
19
DK231+155
DK231+186
31
Ⅳ
Ⅳ级围岩加强复合式衬砌
20
DK231+186
DK231+190
4
Ⅳ
Ⅳ级围岩下锚段复合式衬砌
21
DK231+190
DK231+270
80
Ⅳ
Ⅳ级围岩复合式衬砌
22
DK231+270
DK231+470
200
Ⅲ
Ⅲ级围岩复合式衬砌
23
DK231+470
DK231+545
75
Ⅳ
Ⅳ级围岩复合式衬砌
24
DK231+545
DK231+555
10
Ⅳ
Ⅳ级围岩加强复合式衬砌
25
DK231+555
DK231+660
105
Ⅴ
Ⅴ级围岩加强复合式衬砌
26
DK231+660
DK231+670
10
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土6m）
27
DK231+670
DK231+680
10
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土4m）
28
DK231+680
DK231+704
24
Ⅴ
对称路堑式明洞（覆土2m）
29
DK231+704
DK231+730
26
Ⅴ
喇叭式洞门
1.2地质资料
线路位于胶东半岛，地貌主要为冲洪积平原、剥蚀平原、滨海平原、丘陵低山区等。
青岛至莱阳为冲洪积平原及剥蚀平原区，地形平坦开阔，局部存在剥蚀残丘。
莱阳至马山村为丘陵区间夹冲洪积平原，地形起伏不大，除部分基岩裸露的丘陵外，现已大部分为耕地，沟谷多呈“U”字型。
马山村至威海为滨海平原，地形平坦开阔，现大部分辟为耕地及海防林，威海至荣成为丘陵低山区，地形起伏较大，河流、沟谷发育，大部分地段基岩裸露，间有丘间宽谷、河谷阶地及小型滨海平原。
隧道范围内地层岩性单一，主要为古元古代吕梁期侵入岩片麻状黑云二长花岗岩（21）进口表覆粉质黏土。
隧道通过范围内地层简述如下：
片麻状黑云二长花岗岩（21）：
黄褐色，灰白色，浅灰色，中粒结构，片麻状构造，全风化，岩芯风化强烈呈土状；强风化，裂隙较发育，岩芯风化呈块状和少量短柱状；弱风化，裂隙稍发育，岩芯连续较完整，多呈短柱状和柱状，少量块状，一般节长10~20cm,最大70cm，锤击声清脆难击碎。
2、编制依据
1）青荣城际铁路建设指挥部编制的《指导性施工组织设计》及下发的有关文件。
2）《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）；《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）；《铁路工程施工组织设计指南》（铁建设[2009]226号）等国家、铁道部现行铁路工程建设施工规范、验收标准、安全规则。
3）北山隧道设计图，现场踏勘调查资料。
4）中交三航局青荣城际铁路工程施工指挥部下发的总体施工组织设计。
5）我单位的施工能力，设备、技术力量和经济实力。
3、监控量测的目的和意义
3.1监控量测的目的
为了确保该工程质量与施工安全，实施信息化动态施工，按照新奥法原理与环境保护原则，在隧道工程施工中对围岩、支护与地表实行监控量测，其目的在于掌握围岩和支护的动态信息；对观察现象与测试数据进行分析处理与必要的计算和判断，综合评价隧道在施工过程中的安全性、围岩及支护衬砌结构的稳定性；及时进行预测，以便指导施工作业，以达到合理安排施工工序、进行日常施工管理、为设计变更和业主决策提供依据；实现信息化施工，确保施工安全并积累经验，为类似工程提供借鉴指导。
3.2监控量测的意义
1）了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性。
2）用现场实测结果弥补理论分析与原勘察的不足，并将监测结果反馈设计、指导施工，为修改施工方法、调整及变更支护设计参数提供依据。
3）对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控。
4）进行隧道日常的信息化施工管理，确保施工安全和施工质量。
5）确定二次衬砌合理施作时间。
6）了解该工程条件下所表现、反映该类条件下地下工程规律和特点，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。
4、监控量测项目选择
具体量测项目的选择应该遵循“满足安全、经济适用、方便操作”的原则进行。
根据围岩条件、隧道工程规模、支护类型和施工方法等来选择量测项目。
现场监控量测项目分为必测项目和选测项目两大类。
必测项目是为了保证隧道周边环境和围岩的稳定以及施工安全，同时反映设计、施工状态而必须进行的日常监控量测项目。
根据现场观察，北山隧道围岩完整性较好，没有明显的裂隙发育以及裂隙水渗出现象，故本施组没有选测项目的监控量测，施工中根据实际情况，如有需要增加选测项目。
监控量测必须项目见：
表4.1。
表4.1监控量测必测项目
序号
监测项目
测量仪器
备注
1
洞内、外观察
现场观察、数码相机
2
拱顶下沉
水准仪、钢挂尺或全站仪
3
净空变化
收敛计、全站仪（非接触量测）
4
地表沉降
水准仪、铟钢尺或全站仪
隧道浅埋段
现场监控量测基点、测点埋设、观测频率按照本方案实施，并参考设计及监控量测技术规程。
5、监控量测内容及技术方法
5.1、洞内、外观察
1）观测工具：
目测、相机、手电筒、卷尺、塞尺等辅助工具。
2）洞内观察
洞内观察分为开挖工作面观察和已施工地段观察。
（1）开挖工作面观察在每次开挖后进行，观察内容包括：
a围岩岩质种类和分部状态，结构面位置的状态；b岩石的颜色、成分、结构、构造；c节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性，结构面状态特征，充填物的类型和产状；d断层的性质、产状、破碎带宽度、特征等；e地下水类型、涌水量大小、涌水位置、涌水压力、湿度等；f开挖工作面的稳定状态、有无剥落现象。
观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施。
观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图，同时进行数码成像，填写开挖工作面地质状况记录表并与勘察资料进行对比。
（2）对已施工地段的观察每天至少进行一次，并做好记录。
主要观察：
喷射混凝土是否发生剪切破坏；
有无锚杆脱落或垫板陷入围岩内部的现象；
钢拱架有无被压屈、压弯现象；
是否有底鼓现象。
观察中发现围岩条件恶化时，立即采取相应处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、数码照相，填写开挖工作面地质状况记录表，并与设计地质资料进行对比。
3）洞外观察
洞外观察重点在洞口段和埋置深度较浅地段，记录地表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况，同时对地面建筑物进行观察。
5.2、地表沉降观测
1）量测方法
经实地踏勘，洞口附近高差较大，如采用接触量测工作量较大，拟采用球形棱镜非接触测量。
2）观测点断面布设
本隧最大埋深H0为161.2米.共三段埋深＜2.5B（2.5*14.38=35.95m）,需进行地表沉降观测。
根据施工图设计要求，Ⅴ级围岩量测断面间距为5m，Ⅳ级围岩量测断面间距为10m。
具体断面布置如：
表5.1。
表5.1观测点断面布设图
序号
起讫里程
围岩分级
长度
观测断面数
1
DK229+935
DK229+965
Ⅴ
30
6
2
DK229+965
DK230+160
Ⅴ
195
39
3
DK230+160
DK230+250
Ⅳ
90
9
4
DK230+880
DK231+050
Ⅳ
170
17
5
DK231+050
DK231+155
Ⅴ
105
21
6
DK231+155
DK231+270
Ⅳ
115
12
7
DK231+470
DK231+555
Ⅳ
85
9
8
DK231+555
DK231+630
Ⅴ
75
15
9
DK231+630
DK231+660
Ⅴ
30
6
3）测量仪器见：
表5.2。
表5.2测量仪器表
序号
设备名称
仪器型号
仪器精度
数量（台）
备注
1
全站仪
徕卡TCRA1201+
1mm+1.5ppm
1
已检定
2
球型棱镜
\
\
8
已检定
4）基点埋设方法
基点埋设在沉降影响范围以外的稳定区域，并且埋设在视野开阔、通视条件较好的地方；基点数量根据设计要求埋设，基点要牢固可靠。
5）沉降点埋设
地表沉降观测点预埋件采用φ20mm的镀锌钢管制成，长度50cm。
测点埋设要求：
在测点布置的位置挖长、宽、深均为50cm的坑，然后放入地表沉降观测点预埋件，测点四周用C20砼填实，砼凝固后即可。
隧道中心线两侧范围应不小于H0+B，应进行地表下沉观测。
观测断面和洞内一致，每个断面上测点间距为2～5m，在同一断面内应取7～11个点，如图5.1所示。
图5.1地表下沉观测点横向布设图
6）观测
用全站仪进行观测。
首先在开挖之前埋设基点、或采用高级二等水准点，埋设在隧道开挖纵横向各（3～5）倍洞径外的区域，埋设3个以上的基点，以便互相校核，基点埋设要求同地表下沉观测点；所有基点应和附近高级水准点联测取得原始高程数据。
然后在断面开挖前，架设水准仪或全站仪，采用接触量测或非接触量测方法，后视基点，测地表下沉观测点标高，既得地表下沉观测点初始值。
地表下沉观测频率见表5.3。
表5.3监控量测频率表
变形速度（mm/d）
量测断面距离开挖面距离（m）
量测频率
≥5
（0～1）B
2次/d
1～5
（1～2）B
1次/d
0.5～1
（2～5）B
1次/2～3d
＜0.5
＞5B
1次/7d
注：
B表示隧道开挖宽度。
地表下沉观测要求：
（1）观测在仪器检验合格后方可进行，避免在测站和标尺振动时进行；
（2）选择在每一天同一时间内进行观测；
（3）观测坚持四固定原则，即：
实测仪器固定、施测人员固定、测站位置固定、施测顺序固定。
（4）地表下沉量测应该在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直至衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。
（5）地表沉降监控量测要在开挖前取得观测点的初始值。
7）数据简要分析
可绘制时间（横轴）——位移（纵轴）图，曲线正常则说明位移随施工的进行渐趋稳定。
如果出现反常，出现反弯点，说明地表下沉出现点骤增加现象，表明围岩和支护已呈不稳状况，应立即上报主管领导或者施工负责人。
5.3、拱顶下沉观测
1）测量方法
拱顶下沉观测有两种方法观测，接触测量观测和非接触测量观测，接触测量观测因隧道断面面积较大，高度较高，不易操作，非接触测量观测不受高度限制、操作简单、方便、快速、灵活，故本隧拱顶下沉观测采用非接触测量观测。
2）测量仪器见表5.4。
表5.4测量仪器表
序号
设备名称
仪器型号
仪器精度
数量（台）
备注
1
全站仪
徕卡TCRA1201+
1mm+1.5ppm
1
已检定
3）观测点断面布设
拱顶下沉、净空收敛变化观测点断面布设应在同一断面里程上，设根据施工图设计要求，Ⅴ级围岩量测断面间距为5m，Ⅳ级围岩量测断面间距为10m，Ⅲ级围岩量测断面间距为30～50m,Ⅱ级围岩量测断面视具体情况确定间距，本隧道暂按50m。
具体布设断面同“地表下沉量测”。
4）沉降点埋设
拱顶下沉观测点在隧道拱顶轴线处设1个带反射片的测标，为了保证精度在左右各增加一个测点，即每个断面埋设3个测点。
测点用冲击钻钻孔，孔深以能保证所埋设的测标能够深入稳定为宜。
测标用5cm×5cm角钢焊接到Φ16螺纹钢上埋设到钻孔里，周围用湿毛巾搽干净，在周围用大量锚固剂或强力胶加固牢靠。
测点采用膜片式回复反器作为测点标靶，标靶附在预埋件上。
拱顶下沉观测点、净空收敛变化观测点布置如：
图5.2、图5.3。
图5.2三台阶临时仰拱法测点布置示意图图5.3台阶法测点布置示意图
5）测量方法
拱顶下沉非接触测量观测具体步骤：
（1）用全站仪自由设站和固定设站两种方法，后视基准点，采用三角高程的测量方法把高程引到要观测的沉降观测点跟前；
（2）根据断面设置里程位置、编号，用全站仪十字丝照准拱顶观测点上贴好的反射片中心进行观测该点的三角高程、取连续三次测量数据的平均值作为该次的测量成果；
（3）拱顶下沉观测点测量完毕后、观测第二个基准点，进行高程闭合，计算闭合高程是否超限、合格，如超限查找原因进行补测；
（4）合格后进行数据整理、分析，计算得出本次测量成果；
（5）本次测量成果与上次测量成果之差就得出本次拱顶下沉沉降量；
6）拱顶下沉监控观测点要在开挖后2小时内按设计断面要求埋设好，并读取初始数据。
5.4、净空收敛观测
净空收敛观测基本与拱顶下沉观测相同，测点布置如上图所示。
观测要在开挖后2小时内按设计断面要求埋设好，并读取初始数据。
6、监测数据处理、信息反馈与安全稳定性控制
1）数据处理及信息反馈
（1）监测资料的整编与报告
在监测过程中监测小组按照监测成果的时效（特殊情况下应缩短资料的处理时间）通过对各量测项目现场测试数据的归纳和整理，动态地掌握围岩和支护结构的变化信息并及时地将其反馈到施工现场，一方面用于指导施工，另一方面根据围岩和支护结构的变位、应力发展情况，用于对支护系统和支护参数的修改，确保隧道施工安全。
观测资料的整编，首先对各类检测资料进行检验和审查：
一要审核资料的完整性；二要审核资料的正确性和可靠性。
根据知识、经验或理论审核资料的内容是否合理，是否符合实际情况等。
将各项仪器的有关参数、仪器安装埋设后的初始读数和全部仪器设备档案卡等整编成册形成电子文档。
定期检查监测设施和二次仪表是否正确，保证观测成果的准确性。
建立安全监测数据库，及时整理分析资料，绘制测值变化过程线。
每次量测后及时对量测数据进行整理分析，若发现异常情况（如位移突然加大、地质情况发生突变等），首先向主管领导或者施工负责人汇报，由主管领导以口头形式向监理及业主及时报告，第二天以正式资料的形式提交；并提出处理措施的建议，如建议调整爆破参数、支护方式等。
正常情况下每周以报表形式将监测结果提交给监理、业主。
一般情况下每月向监理、业主等部门提交一期监测月报，做到监测信息的及时反馈，以达到安全预报反馈设计、指导施工的目的。
现场监测工作结束后15日内，提交最终监测报告。
（2）监测数据的分析及预测
在每次测量后根据量测记录数据绘制时态曲线以及被测量位置的测点参数与开挖面距离等空间关系之曲线。
在取得足够数据后，选择合适的函数，对监测结果进行回归，以预测该测点可能出现的最终位移值及结构的安全性，评价施工方法，确定工程措施。
当位移-时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理和回归分析，对最终位移进行推算并掌握位移变化规律。
当位移-时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护结构已处于不稳定状态，此时就密切监视围岩动态，并采取措施加强支护，必要时应暂停施工进行处理。
隧道任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于规范规定。
当位移变化率无明显改变，而实测位移值已接近规定数值，或喷射混凝土表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并调整原支护设计参数或开挖方法。
（3）监测数据的信息反馈
为确保监测结果质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均有计算机管理，并绘制测点位移变化曲线图。
监测反馈程序见图6.1。
①信息反馈修正设计的基本要求
积极与设计沟通，及时反馈信息，综合分析各项施工信息，最终确定和修改设计。
根据施工信息，对施工前预设计所确定的结构形式、支护方式及参数、预留变形量、施工工艺、施工方法以及各工序施作的时间等的检验和修正，是贯穿于整个施工过程的设计阶段。
施工信息是指施工观察及记录、现场地质调查、现场监控量测等得到的数据和信息。
施工信息是隧道开挖后围岩稳定性的动态反映，也是修正设计的依据。
对各种信息进行综合分析、互相印证，对预设计参数修正和施工方法的改进是不可缺少的部分。
②施工信息的应用
a.根据一个量测断面的施工信息综合分析处理结果，进行设计参数修正，只实用于该断面前后不大于5m的同类围岩地段。
b.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，必须以不少于三个断面的施工信息综合分析为依据。
按修正后的参数进行开挖的地段，其设计参数的正确性和合理性根据施工信息综合分析予以验证。
③信息反馈修正设计的内容
a.施工方法变更的建议；
b.施工工序的更改；
c.预留变形量的修改或确认；
d.设计参数的修改或确认；
图6.1监控量测与信息反馈程序图
e.采用辅助施工措施的建议。
当监测信息给出不稳定征兆时，立即检查是否是由于工序不当所造成的，及时改变施工工序，如暂停开挖、及时喷锚、二次衬砌紧跟、仰拱及早封闭等，都可能促使支护结构趋于稳定。
④增强初期支护设计参数的确定
遇下列情况之一，应立即停止掘进，采取补强措施，改变施工方法或设计参数，增强初期支护：
a.隧道开挖后，工程地质和水文地质、围岩类别比预计的要差；
b.喷射混凝土层裂缝多、裂缝大或不断发展；
c.实测位移值超过规定的允许值或类似条件下的隧道位移值；
d.位移速率无明显下降，实测位移值已接近规定的允许值，位移量可能超过预留变形量；
e.稳定性特征出现异常状态。
⑤降低初期支护设计参数的确定
遇到下列情况之一，应立即与设计沟通，取得设计同意后，改变设计参数，适当降低初期支护：
a．确认围岩类别、工程地质及水文地质条件比预计有明显好转或有具体工程类比；
b.初期支护未全部完成，位移已收敛，达到施作二次衬砌的指标；
c.初期支护全部施作完毕，位移量远小于规定允许位移值。
2）依据监测数据及施工中遇到问题进行安全稳定性控制
（1）依据允许位移值判断初期支护基本稳定
位移一般采用绝对位移和相对位移两种形式描述，最大允许位移的范围值，目前国内外无统一标准。
我国现行《铁路隧道施工规范》和《铁路隧道锚喷构筑法技术规范》提出了单、双线隧道初期支护拱脚水平相对净空变化和拱顶相对下沉的极限相对位移值，如实测最大位移值或预测最大位移值不大于后一规范中表6.3.3-1～2所列相对位移值的2／3，可认为初期支护达到基本稳定。
本工程也可结合上述规定，参考以下表6.2所反映的经验试行。
表6.2初支结构允许相对位移（%）
埋深
围岩级别
＜50m
50～300m
＞300m
Ⅲ
0.1～0.30
0.20～0.50
0.40～1.20
Ⅳ
0.15～0.50
0.40～1.20
0.80～2.00
Ⅴ
0.20～0.80
0.60～1.60
1.00～3.00
注：
①相对位移指实测位移值与两点距离之比或拱顶下沉实测值与隧道宽度之比。
②脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。
（2）依据位移变化速率判断围岩的稳定程度与后期支护施作时机
位移变化速率也是判别围岩稳定性的标志，根据位移速率来判断围岩的稳定程度是目前国内外广泛采用的信息反馈方法。
我国《铁路隧道监控量测技术规程》和《铁路隧道锚喷构筑法技术规范》规定，当净空变化速度大于10～20mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统；净空变化速度小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。
因此，根据量测资料整理所得位移-时间曲线，位移-距开挖面距离曲线，并对量测资料进行回归分析，得出回归位移-时间曲线，当水平收敛位移速度为0.1～0.2mm/d时，拱顶位移速度为0.1mm/d以下时，一般可认为围岩已基本稳定。
我国《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定，采用二次支护的地下工程，后期支护施作，应同时达到下列三项标准时进行:
①隧洞周边水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d；
②隧洞周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；
③隧洞位移相对值己达到总相对位移量的90%以上。
（3）监测项目的管理基准
变形管理等级标准见“位移管理等级”、“位移速率控制基准”。
现场监测时，可根据监测结果所处的管理阶段来选择监测频率：
一般Ⅲ级管理阶段监测频率可放宽些；Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；Ⅰ级管理阶段则应加强监测，通常监测频率为1～2次/天或更多。
工程安全性评价及工程对策见表6.3。
表6.3工程安全性评价及工程对策
管理
等级
距开挖面1B
距开挖面2B
工程对策
Ⅲ
U＜1/3U1B
U＜1/3U2B
量测小组负责人应向现场技术负责人汇报，并通知现场继续施工。
监控量测数据分析完成后应反馈有关各方
Ⅱ
1/3U1B≤U≤2/3U1B
1/3U2B≤U≤2/3U2B
量测小组负责人应向现场技术负责人汇报，现场技术负责人应对分析结果进行复核，并将复核结果立即反馈到有关各方。
配合监理单位进行综合评价。
现场在上报分析结果的同时，应加
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