隧道地质超前预报及监控量测和无损检测secret.docx

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隧道地质超前预报及监控量测和无损检测secret

隧道地质超前预报及监控量测和无损检测

1.超前地质预报及监控量测的目的

地下洞室围岩监测及信息反馈，是“新奥法”要素之一，在施工中的作用主要有以下几个方面。

根据监测及时发现险情并进行预报，为立即制定和实施加固措施提供信息；

分析围岩变形规律，为正确指导施工提供服务；

掌握围岩动态和支护结构的工作状态，提示隧道围岩变形、破坏及稳定机理，利用量测结果修改设计，提高施工的安全可靠性及经济合理性；

用量测数据验证构筑物的稳定性，为工程运行、管理提供保障。

2.隧道施工超前地质预报

2.1.超前地质预报目的和方法

隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察，但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。

由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。

这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。

如何解决这一难题，备受世界各国隧道工程界的关注，隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。

隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。

目前常见的地质超前预报方法可归为两类，一类属破坏法，另一类属非破坏法。

破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法；非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射法。

波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。

受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的缺点。

地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判断周围的岩性。

地质法有可靠的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围很有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（如强烈褶皱地层）的隧道中预报的难度很大。

波反射法常见的有地质雷达法。

地质雷达是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术。

其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强，可对隧道一定范围内进行全方位探测，能预报掌子面前方30～50m处的工程地质、水文地质条件。

2.2.测试设备采用美国劳雷公司（GSSI）研制生产的SIR-20型地质雷达。

2.3.地质雷达检测超前预报工作原理

利用高频电磁波以宽频短脉冲的形式，在掌子面通过发射天线送入岩体，经不同的岩层界面反射回掌子面，被接收天线所接收；高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此将接收到的信号数字化，经过各种数字处理，形成直观的图像显示出来，将数据传输到计算机中，根据不同的情况，利用计算机对接收到的信号作进一步的分析和处理，便可以了解掌子面后面的岩土体的空间位置和结构状态。

2.4.超前地质预报目标

超前地质预报可以预测掌子面前的一些内容：

如断层构造及断层破碎带，煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件，采空区状况，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。

依据隧道工作面的特征，通过观测、鉴别和分析，推断工作面前方30～50米范围内可能出现的地层、岩性情况，推断掌子面的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；通过对掌子面涌水量的观测，结合岩性、构造特征，推断工作面前方30～50米范围内可能的地下水涌出的情况；并在上述推断基础上，预测工作面前方30～50米范围内的隧道围岩类别，提出准确的超前支护建议，并对施工支护提出初步建议。

超前地质预报总目标是为隧道施工提供较为准确的掌子面前方30～50米范围内的具体地质状况（如溶洞、积水、软弱破碎带、暗河等情况）。

2.5.在隧道施工中及时核实隧道围岩类别

这项工作是伴随隧道掘进中进行的，它的任务是通过隧道中围岩工程地质特征（包括软硬岩划分、受地质构造影响程度、节理发育状况、有无软弱夹层和夹层的地质状态）、围岩结构及完整状态、地下水和地应力情况，以及隧道初步开挖后的稳定状态等资料的观测整理综合分析，依据隧道围岩类别划分标准，准确厘定围岩类别。

3.隧道施工监测量测

3.1.监测内容及项目的确定

隧道监控量测是在隧道施工过程中对围岩、支护和衬砌受力、变形状态的量测，通过对量测结果的分析来判断围岩、支护、衬砌的稳定性和应力应变状态，据此校正和修改设计参数，以指导施工。

要求监测简单、结果可靠、成本低，便于施工采用，监测元件要能尽量靠近工作面安设。

此外所选择的被测物理量要概念明确，量值显著，数据易于分析，易于实现反馈。

隧道围岩监测方案设计，包括监测项目的确定、监测断面及测点的位置、仪器设备的选择及元件埋设方法等，主要考虑了以下因素：

隧道的形状、尺寸、工程结构和支护特点；

地应力的大小和方向；

工程地质条件；

施工工序和方法；

在尽量减少施工干扰的情况下，要能监控住整个工程的主要部位的位移，包括各种不同地质单元和隧道结构复杂部位。

基于以上考虑和原则，结合设计单位提供的隧道监控监测的建议资料和业主委托要求，监测项目有洞内观察、洞口地表变形、拱顶下沉、洞周收敛、锚杆内力及抗拨力（根据现场情况及甲方要求可进行监测,报价中不含此项费用）、钢支撑（根据现场情况及甲方要求可进行监测,报价中不含此项费用），对于洞口浅埋偏压段或软岩大变形地段及特殊结构洞身段，进行围岩内部位移量及围岩压力测量，监测布点情况见表1，监测项目的断面布置见各隧道的断面布置图。

3.2.监测手段及仪器、仪表的确定

监测手段和仪表的确定主要取决于围岩工程地质条件和力学性质，以及测量的环境条件。

对于软弱围岩由于围岩变形量值大，可以采用精度稍低的仪器和装置，而在硬岩中则必须采用高精度监测元件和仪器。

在一些干燥无水的隧道中，电测仪表往往能工作的很好；在地下水发育的地层中进行电测就较为困难。

仪器仪表的选择需首先估算各物理量的变化范围，并根据测试重要性程度确定测试仪器精度和分辨率。

收敛位移监测一般采用收敛计，在大型洞室中，若围岩较软，收敛变形量较大，则可采用测试精度较低、价格便宜的卷尺式收敛计。

在硬岩中的洞室或洞径较小的洞室，收敛位移较小，则测试精度和分辨率要求较高，需选择钢丝式收敛计。

当洞室断面较小而围岩变形较大时，则可采用杆式收敛计。

本工程由于同时存在软硬围岩，因此采用钢丝式收敛计进行收敛的量测。

选择位移计时，在人工测读方便的部位可选用机械式位移计，在顶拱、高边墙的中、上部，宜选用电测式位移计，可引出导线或遥测。

对于特别深的孔，要求精度较高时，应选择使用串联式多点位移计。

用于长期监测的测点，尽管在施工时变化较大，精度可低些，但在长期监测时变化较小，因而，要选择精度较高的位移计。

本工程采用多点杆式位移计。

对于内部压力采用埋设压力盒，用振弦式应力计进行监测。

拱顶下沉采用水准仪及水准尺进行监测；洞口地表变形采用全站仪进行三维坐标的变形测量。

3.3.监测部位的确定和测点的布设

4.3.1测点的布置形式

收敛位移监测，断面布设间距根据围岩类别分别定为：

类5-20m，每个断面布设5个测点；

类20-40m，每个断面布设3个测点；

类40-100m，每个断面布设1-2个测点；共布设约214个断面。

具体监测方案视隧道跨度和施工情况而定，监测方向可按十字形、三角形和交叉形等布置。

拱顶沉降监测布设在每个断面上。

位移计布置在地下洞室的拱顶、边墙和拱脚部位。

监测围岩内位移的位移计测孔在隧洞内孔口处布设收敛位移点，浅埋隧道在拱顶布设拱顶沉降点，在地表对应部位布设地表沉降和水平位移监测点，在这两者间再布设多点位移计测孔，在隧洞壁上对应部位布设收敛位移测点，从而分析从拱顶到地表各测点围岩向隧道内位移变化规律，同时可验证沉降、多点位移、拱顶沉降和收敛位移各监测项目的正确性及其相互关系。

压力盒布设，在典型区段选择应力变化最大或地质最不利的部位，并根据位移变化梯度和围岩应力状态，在不同的围岩深度内布测点。

按《规范》要求每代表性地段布设一个断面，每个断面三个钻孔，每个孔布设6个测点，每个断面布设18个测点。

此项目根据甲方要求可增加监测，报价中不含此项。

洞口地表变形观测，在洞口周边岩层及土体上布设一定数量的三维位移观测点每个洞口21个点，以观测洞口的位移变化情况。

4.3.2观测及其频率的确定

整个观测期间，设立值班记录本，详细记载值班期间的一切情况，包括施工进展情况，施工部位，施工工艺流程情况，气候环境，及人工对隧洞的观察情况，喷射混凝土和衬砌上裂缝开展情况等。

各监测项目的观测频度为：

在洞室开挖或支护后的半个月内，每天观测1-2次；半个月后到一个月内，或掌子面推进到距观测断面大于2倍洞径的距离后，每2天观测一次；一到三个月每周观测1-2次；三个月后，每月观测1-3次。

若设计有特殊要求，按设计要求进行，遇突发事件则加强观测。

各监测项目原则上应根据其变化的大小来确定观测的频度。

如洞周收敛位移和拱顶沉降的监测频度可根据位移及离开挖面的距离而定，如下表2。

不同的基线和测点，位移速度也不同，应以产生最大位移者来决定监测频度，整个断面内的各基线或测点应采用相同的监测频度。

表2位移速度与监测频度

位移速度（mm/d）

15

1-15

0.5-1

0.2-0.5

<0.2

频度

1-2次/d

1次/d

1次/2d

1次/7d

1次/15d

4.监测项目的实施

4.1.洞内观察：

洞内观测是不借助于任何量测仪器，而用肉眼凭经验判断围岩、锚杆、衬砌和隧道安全性的最直观方法，对于个别现象和特殊情况的发现尤其重要。

其目的是核对地质资料，判别围岩和支护系统的稳定性，为施工管理和工序安排提供依据，并检验支护参数。

因此，监测人员在用仪器监测前，首先是细致地观察隧道内地质条件的变化情况，裂隙的发育和发展情况，渗漏水情况，观察隧道两边及顶部有无松动岩石，锚杆有无松动，喷层有无开裂。

每循环爆破后进行岩性、结构面产状、节理裂隙、断层和地下水状况的描绘和记录。

隧道内观察应与施工单位的工程技术人员配合进行，并及时交流信息和资料。

此项工作贯穿于隧道施工的全过程，以为施工提供直观的信息。

4.2.洞口地表变形观测

每座隧道均应进行，测点布置和观测频率按照水平和纵向位移，监测发现位移量过大、边仰坡开裂或者变形速度无稳定趋势时要加密观测频率并及时反馈处理。

4.3.地表沉降监测

当隧洞的埋深小于3倍洞径时，地表沉降动态是判断周围地层稳定性的一个重要标志，其监测结果能反映隧洞开挖过程中围岩介质变形的全过程。

因此，在距两洞口约60m范围内，隧洞的埋深小于40m，每个洞口布置三个地表沉降测试断面，分别距洞口约为10m、30m、60m，每个测线布置6个测点，具体间距根据断面所在埋深而定。

地表沉降监测采用高精度的水准仪，精度为0.05mm。

4.4.拱顶沉降监测

拱顶沉降监测的作用是判断围岩稳定性及进行位移反分析，为二次衬砌的施设提供依据。

还可以作为用收敛监测结果计算各点位移绝对量的验证之用。

共在101个断面布置拱顶沉降测试点，每个断面布置1个测点。

拱顶沉降监测采用高精度水准仪，精度为0.05mm

4.5.洞周收敛

其作用是监控围岩的稳定性，保证施工安全并为二次衬砌的构造、施设时间等提供依据，进行位移反分析为修改设计参数、优化结构和施工工艺提供依据，这项测试是最直观最有效的监测项目，因而是每个隧洞监测中必须而且是最重要的监测项目，共布设214个断面，每个断面布置两个三角形闭合测线。

收敛监测采用G