隧道监控量测计划方案.docx
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隧道监控量测计划方案
宁波象山港公路大桥及接线工程
第二合同段
隧道监控量测和地质超前预报方案
湖南工大联智桥隧技术有限公司
驻宁波象山港公路大桥及接线工程第2合同段隧道监测组
二OO九年十一月十五日
目录
一、量测的任务和目的2
二、量测项目及方法2
三、量测仪器6
四、测点布设6
五、量测数据处理与应用13
六、量测的管理14
七、TSP203超前地质探测16
八、施工综合地质超前预报18
一、量测的任务和目的
四脚岙隧道、角洞岙隧道、栎斜隧道的设计与施工基于新奥法理念进行的，现场监控量测是隧道施工过程中的重要内容，通过现场量测信息分析围岩和支护结构的稳定性，为及时修正设计、施工支护参数提供重要依据。
通过现场监控量测工作以期达到以下目的：
（1）掌握围岩和支护系统的力学动态,便于日常施工管理；
（2）对量测数据分析处理，进行信息反馈，对已开挖、支护段的围岩力学状态进行评价，对有险情段采取必要的补救措施，对下步施工参数进行必要的调整，确保隧道采用信息化手段施工；
（3）根据量测动态曲线，合理安排施工进度，优化施工方案；
（4）为同类工程施工积累经验资料。
二、量测项目及方法
根据四脚岙隧道、角洞岙隧道、栎斜隧道设计特点、围岩条件（Ⅲ、IV、V级围岩）、支护类型（复合式衬砌）和采用的施工方法，按照设计要求和隧道施工技术规范，结合本单位自有的量测仪器，选定本隧道的现场监控量测项目及量测方法、频率见表2.1。
（1）必测项目：
工程地质和现状的观察、周边收敛位移、拱顶下沉、地表下沉、锚杆内力及抗拔力；
（2）选测项目:
钢支撑及喷层表面应力、二次衬砌及中墙衬砌内应力、表面应力和裂缝量测。
表2.1隧道现场监控量测项目及量测方法、频率
序
号
项目名称
方法及工具
布置
量测间隔时间
1
工程地质及现状的观察
及时观察岩性，结构面产状等，核对围岩分级，并绘制地质素描图。
经常检查喷层表面有无裂损，锚杆有无松动，并作好观察和描述记录。
按规定取样，并测试出围岩的物理力学性质。
采用钢卷尺、地质罗盘、数码相机。
开挖后及初期支护后立即进行
每次爆破后
2
周边收敛位移
拱顶下沉
收敛仪，精密水平仪及水准尺
每10～50m一个断面，测点距开挖面2米范围内尽快安设，并在下一次爆破前测读初次读数。
1～15天
1～2次／天
16天～1个月
1次/2天
1～3个月
1～2次/周
3个月以后
1～3次/月
3
地表下沉
精密水平仪及水准尺
每5～50m一个断面，每个洞口设1个断面,中线每5～20m一个测点。
开挖面距量测断面前后＜2B时，1～2次／天；开挖面距量测断面前后＜5B时，1次／2天；开挖面距量测断面前后＞5B时，1次／周。
4
锚杆内力及抗拔力
锚杆测力计及拉拔器
每10米一个断面，每断面至少3根锚杆
1～15天
1～2次／天
16天～1个月
1次/2天
1～3个月
1～2次/周
3个月以后
1～3次/月
5
钢支撑及喷层表面应力
钢筋应力计
每10榀钢支撑一对测力计，每代表性地段一个断面。
1～15天
1～2次／天
16天～1个月
1次/2天
1～3个月
1～2次/周
3个月以后
1～3次/月
6
二次衬砌及中墙衬砌内应力、表面应力及裂缝量测
混凝土内应变计、测缝计
每代表性地段一个断面，每断面为3个测点。
1～15天
1～2次／天
16天～1个月
1次/2天
1～3个月
1～2次/周
3个月以后
1～3次/月
图2.1监控量测工艺流程框图
工艺说明：
⑴根据设计要求，在各要求位置埋入量测标志，并对其原始状态进行量测，记录其各原始指标。
⑵由现场专职技术人员记录每一个掌子面的岩性，包括围岩类别、构造（层理、产状、走向），特别是岩性变化之处。
⑶初期支护施作后，按设计要求埋入相应数量和种类的量测标志，观察并记录初支状况的变化及量测标志的变化。
⑷绘出各标志点的位移.时间曲线。
⑸量测情况趋于稳定，可逐步减少观察频率，直至取消观测，安排相应工序施工。
⑹变化反常的，及时反馈设计，修正支护参数，加强支护，继续观测，直至变化进入正常程序。
各种量测方法叙述如下：
（1）工程地质及现状的观察
◆开挖后地质观察
①围岩种类，断面位置和状态，节理裂隙发育程度和方向性，节理裂隙填充物的性质和状态等。
核对围岩分级，并绘制地质素描图。
②开挖工作面的稳定状态，拱顶有无剥落现象。
③是否有涌水、涌水量的大小、位置和压力。
◆开挖后初期支护观察
①有无锚杆被拉断或垫板陷入围岩内部的现象。
②喷砼是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷砼是否发生剪切破坏。
③钢拱架有无被压屈现象。
④是否有鼓底现象。
⑤锚杆注浆和喷射砼量是否达到施工规定的要求。
观察中发现的异常现象，要详细记录发现时间、距开挖工作面距离以及附近各量测点的各项量测数据，并进行分析，利用分析结果，修改设计、指导施工。
（2）周边收敛量测
该项量测主要是用于围岩稳定性判别及位移反分析，贯穿隧道施工过程，为调整初支参数和二衬时间提供依据。
量测仪器利用国产数显JSS30A型收敛仪。
周边收敛量测仪器结构示意图见图2.2。
（3）拱顶下沉量测
拱顶下沉量测与周边收敛量测在同一断面内进行。
仪器采用精密水平仪、钢尺和测杆，测点布置见图4.2。
（4）地表下沉量测
围岩稳定性的判别以及位移反分析，应用于浅埋隧道整个的施工过程中，为二次衬砌的施设提供依据，并为预测围岩变形提供参数。
量测断面布置及观测频率详见表2.1。
（5）锚杆内力及抗拔力量测
根据锚杆所承受的拉力，判断锚杆布置是否合理，了解围岩内部应力的分布情况；检查锚杆抗拔能力，检查锚杆砂浆饱满程度。
量测断面布置及观测频率详见表2.1。
（6）钢支撑及喷层表面应力量测
围岩稳定性及初期支护的可靠性分析，用于整个隧道的施工过程中，为二次衬砌的施设提供依据，并为预测和反馈提供参数。
量测断面布置及观测频率详见表2.1。
（7）二次衬砌内应力、表面应力及裂缝量测
为了掌握二次衬砌的内力变化发展规律，根据设计、规范及施工单位相关要求，对二次衬砌的典型断面进行应力和表面应力量测。
量测断面布置及观测频率详见表2.1。
三、量测仪器
根据确定的量测项目和量测方法，所需的量测仪器见表3.1。
量测仪器使用前进行严格标定。
表3.1量测仪器一览表
序号
仪器名称
规格型号
备注
1
数显收敛仪
JSS30A
2
精密水平仪
DSZ2
3
水准尺
铟钢尺
4
锚杆测力计
MC.10
5
锚杆拉拔器
ML20
6
钢卷尺
50m
7
数码相机
三星
8
地质罗盘
普通
9
水银温度计
-10～100℃
10
钢筋应力计
YT-100A/YT-100B
11
混凝土应变计
TGCL-100A
12
裂缝显微镜
TGCX-2-300A
四、测点布设
⑴施工时，结合本隧道实际地质情况实施必要的现场监控，当地质情况较好，且位移量较少时可增加量测断面间距;在施工初期阶段，或地质较差时，或位移量及变形速度较大时，应适当增加量测断面及量测频率。
⑵测点设置应可靠，并应妥善保护，量测仪器使用前应严格标定。
⑶各量测项目应尽可能布置在同一断面，量测点应尽可能选择具有代表性的地方，以便量测数据的分析及为以后的工作提供经验。
i.地表下沉量测
布置在洞口浅埋地段。
在Ⅴ级围岩地段，当隧道埋置深度小于30米时，属于浅埋隧道；在Ⅳ级围岩地处，当隧道埋置深度小于15米时，属于浅埋隧道。
观测断面纵向间距约5～50米，每个洞口设一个断面，中线每5～20m一个测点。
在观测前，注意仪器的校正、观测点及基点的设置工作，在观测过程中作好数据的整理和分析工作。
图4.1测点布置断面示意图
表4.1地表下沉量测断面桩号
表4.1.1四脚岙隧道
ZK2+783
ZK2+800
ZK2+830
ZK4+037
ZK4+077
ZK4+107
YK2+813
YK2+833
YK2+863
YK4+037
YK4+077
YK4+107
表4.1.2栎斜隧道
ZK6+419
ZK6+424
ZK6+505
ZK6+510
表4.1.3角洞岙隧道
ZK7+672
ZK7+682
ZK9+765
ZK9+775
YK7+657
YK7+667
YK9+775
YK9+785
ii.拱顶下沉、周边位移量测
在进行洞室开挖施工过程中，必须进行洞室周边位移变形监控量测，洞室周边位移量测断面在Ⅴ级围岩地段纵向间距15～20米左右设置一处，在Ⅳ级围岩地段纵向间距20～40米左右设置一处，在Ⅲ级围岩地段纵向间距40～50米左右设置一处。
表4.2拱顶下沉、水平收敛量测断面里程桩号表
4.2.1四脚岙隧道
量测断面里程桩号
量测断面里程桩号
ZK2+783
YK2+813
ZK2+800
YK2+833
ZK2+830
YK2+863
ZK2+850
YK2+883
ZK2+870
YK2+923
ZK2+910
YK2+963
ZK2+950
YK3+003
ZK2+990
YK3+023
ZK3+030
YK3+043
ZK3+050
YK3+063
ZK3+070
YK3+083
ZK3+090
YK3+103
ZK3+120
YK3+123
ZK3+140
YK3+143
ZK3+160
YK3+163
ZK3+180
YK3+183
ZK3+200
YK3+203
ZK3+220
YK3+223
ZK3+240
YK3+243
ZK3+260
YK3+263
ZK3+290
YK3+290
ZK3+340
YK3+340
ZK3+390
YK3+390
ZK3+440
YK3+440
ZK3+490
YK3+480
ZK3+530
YK3+520
ZK3+570
YK3+560
ZK3+610
YK3+600
ZK3+650
YK3+640
ZK3+690
YK3+680
ZK3+730
YK3+720
ZK3+770
YK3+760
ZK3+810
YK3+800
ZK3+850
YK3+840
ZK3+890
YK3+880
ZK3+930
YK3+920
ZK3+970
YK3+960
ZK4+010
YK4+000
ZK4+037
YK4+037
ZK4+057
YK4+057
ZK4+077
YK4+077
ZK4+107
YK4+107
4.2.2栎斜隧道
量测断面里程桩号
量测断面里程桩号
ZK6+419
YK6+417
ZK6+434
YK6+432
ZK6+454
YK6+452
ZK6+474
YK6+472
ZK6+494
YK6+492
ZK6+510
YK6+508
4.2.3角洞岙隧道
量测断面里程桩号
量测断面里程桩号
ZK7+672
YK7+657
ZK7+700
YK7+680
ZK7+720
YK7+700
ZK7+760
YK7+740
ZK7+800
YK7+780
ZK7+850
YK7+820
ZK7+900
YK7+860
ZK7+950
YK7+910
ZK8+000
YK7+960
ZK8+050
YK8+010
ZK8+100
YK8+060
ZK8+150
YK8+110
ZK8+200
YK8+160
ZK8+250
YK8+210
ZK8+300
YK8+260
ZK8+350
YK8+310
ZK8+400
YK8+360
ZK8+500
YK8+410
ZK8+550
YK8+460
ZK8+600
YK8+510
ZK8+650
YK8+560
ZK8+700
YK8+610
ZK8+750
YK8+660
ZK8+800
YK8+710
ZK8+850
YK8+760
ZK8+900
YK8+810
ZK8+950
YK8+860
ZK8+980
YK8+910
ZK9+000
YK8+960
ZK9+025
YK9+010
ZK9+075
YK9+060
ZK9+125
YK9+085
ZK9+175
YK9+105
ZK9+225
YK9+135
ZK9+275
YK9+185
ZK9+325
YK9+235
ZK9+365
YK9+285
ZK9+405
YK9+335
ZK9+455
YK9+385
ZK9+505
YK9+425
ZK9+555
YK9+465
ZK9+605
YK9+515
ZK9+645
YK9+565
ZK9+675
YK9+615
ZK9+695
YK9+655
ZK9+715
YK9+695
ZK9+737
YK9+715
ZK9+757
YK9+735
YK9+746
YK9+766
图4.2拱顶下沉、水平收敛量测测点、测线布置示意图
iii.测点布置要点
1.洞内量测测点的安设应能保证初读数在爆破后24小时内或下次爆破前完成，并测读初次读数。
2.洞内量测测点均安设在距开挖工作面2m范围内，并精心保护，不受下次爆破破坏。
3.各项位移量测的测点，一般布置在同一断面内，测点统一在一起，测设结果能相互印证，协同分析与应用。
4.水平收敛和拱顶下沉的量测频率除按表2.1执行外，还应参照下表4.3的频率。
表4.3水平收敛和拱顶下沉的量测频率
位移速度
距工作面距离
量测频率
10mm/日以上
0～18m
1～2次/日
10～5mm/日
18～36m
1次/日
5～1mm/日
36～90m
1次/2日
1mm/日以下
90m以上
1次/周
五、量测数据处理与应用
将量测数据及时输入计算机系统，并进行：
1、根据现场量测数据及时绘制位移－时间曲线，曲线的时间坐标轴下应注明施工工序以及开挖面离量测断面的距离；
2、当位移.时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和位移变化规律。
采用回归分析时，可在下列函数中选择：
（1）对数函数。
U=alg（1+t）、U=a+b/lg（1+t）；
（2）指数函数。
U=ae-b/t、U=a（1-e-b/t）
（3）双曲线函数。
U=t/（a+bt）、U=a[1-1/（1+bt）2]
其中：
U-位移值（mm）;
a、b-回归常数;
t-初读数后的时间（d）。
图5.1位移-时间曲线图
3、当位移.时间曲线中出现反常的急骤现象时，如出现图中反常现象（如图5.1），表明此时的围岩.支护系统已处于不稳定状态，应加强监视。
在监测过程中，若发现净空位移量过大或收敛速度无稳定趋势时，应进行施工处理，或停止洞内开挖，或对结构采取补强措施：
①增加喷混凝土厚度，或加长加密锚杆，或加挂更密更粗的钢筋网；
②通过反分析校核二次衬砌强度后提前施作二次衬砌；
③提前施作仰拱。
4、隧道周边允许相对位移值见下表：
表5.1隧道周边允许相对位移值（%）
覆盖层厚度
围岩级别
允许相对
位移值（%）
＜50
50～300
＞300
Ⅲ
0.10～0.30
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：
a.洞周相对位移值：
指实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶下沉位移实测值与隧道宽度之比。
b.脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。
c.当位移速度无明显下降，而相对位移已经接近表中规定的允许值上限时，或喷射混凝土表面出现明显的裂隙时，必须立即采取补强措施，并在后续施工中改变施工方法和支护衬砌参数。
5.二次模筑衬砌施工时间
二次衬砌原则上应在围岩和初期支护变形基本稳定，并同时达到下列三项标准时进行：
（1）、隧道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）、隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降。
（3）、隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。
但是，当不能满足上述条件，围岩变化无收敛趋势时，必须采取有效补强措施，使围岩.初期支护体系有一定的安全系数，然后立即施作二次衬砌，二次衬砌参数适当加强。
六、量测的管理
①在施工现场成立7人量测小组，成员由熟悉监控量测工作的专业人员组成，见下表6.1，负责测点埋设、日常量测和数据处理工作,并及时进行信息反馈。
表6.1量测小组成员表
序号
姓名
职称
备注
1
陈秋南
教授、检测师
技术总负责
2
张志敏
讲师、检测师
副组长
3
黄林华
工程师
现场技术负责
4
阳跃朋
工程师
现场测试负责
5
李松
助工
组员
6
赵柳
助工
组员
7
李腾飞
助工
组员
②现场监控量测按量测计划认真组织实施，并与其它施工环节紧密配合，不得中断工作。
测得的数据要及时计算并报告量测结果，以便实现信息管理，及时指导施工。
③各预埋测点应牢固可靠，易于识别并妥善保护，不得任意撤换和破坏。
量测记录要正规，资料要齐全，计算要准确，并为竣工文件积累资料。
④监测的动态管理。
为了尽早地了解到隧道围岩最终稳定时的位移值，以便提前采取施工措施确保最终位移值在允许范围之内，我们将在各断面理论计算分析和持续量测的前提下选择距开挖工作面1B和2B的量测断面为管理地段，建立该地段的管理基准和管理水平。
施工中，将管理地段上的管理基准分成若干等级范围，将允许值的三分之二作为警告值，允许值的三分之一作为基准值，将允许值和警告值之间称为警告范围。
实测值入此范围，则需商讨和采取施工对策，预防最终值超限；警告值和基准值之间称为注意范围，当实测值在基准值以下时，说明隧道和围岩是稳定的。
具体做法见图6.1。
七、TSP203超前地质探测
TSP203超前地质预报系统，是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发，是一套目前在该领域的先进设备，它为方便快捷的预报掌子面前方100～200m范围内的地质情况，为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。
这将大大减少隧道施工带来的危险性，减少人员和机械损伤，同时也带来经济和社会效益。
⑴TSP工作原理
与其它反射地震波方法一样，TSP采用弹性波回声测量原理。
地震波在指定的震源点（通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线）用小药量（50～100g）激发产生。
地震波在岩石中以球面波形式传播。
当地震波遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质。
反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。
反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，与波速成反比，通过速度扫描和反演成像来推测掌子面前方地质隐患。
图7.1TSP203超前地质预报原理
TSP203超前地质预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、两个三维接收传感器（X、Y、Z方向）、接收机及数据处理系统组成（见图７.1）。
⑵现场工作情况
TSP检测掌子面的里程桩号为隧道施工技术人员和物探技术人员现场核定，三分量传感器布设的地点为物探资料解释成果的相对参考零点。
该参考零点距掌子面距离55m左右，最远炮点距离掌子面35m左右，检波器距最近炮点12.6m，炮间距1～1.5m。
⑶：
仪器及现场工作方式
探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203超前地质预报设备。
仪器设置如下:
记录单元
①12道②24位A/D转换③采样间隔：
62.5μs④带宽:
8000Hz
⑤记录长度：
7218采样点⑥动态范围120dB⑦道数：
1～12
接收单元
①三分量加速度地震检波器②灵敏度：
1000mV/g±5%
③频率范围：
0.5～5000Hz
现场施工采用一个三分量检波器，激发炮药量50g～100g，炮孔24个。
⑷：
资料解释
通过处理程序对TSP采集数据进行了频谱分析——带通滤波——初至识别——波速分析——能量均衡——反Q滤波——纵横波分离——偏移成像——反射层提取等资料处理，并结合区域及现场工程地质资料进行合理地质预报。
八、施工综合地质超前预报
1、加炮眼超前探测法
利用炮眼加深超前探测，将施工炮眼水平超前钻探5.10m，适时在隧道开挖掌子面的拱顶和两个拱脚各设置一处，这种方法中简单、直接，采用超前钻探,根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速、成孔难易及钻孔出水情况确定前方的地层和岩性,同时进行涌水量和水压测试及水质分析,判断工作面前方的地层含水情况及性质。
与物探方法相比,它具有直观性、客观性,不存在物探手段经常发生的多解性和不确定性。
同时需要时兼做泄水孔。
2、洞内综合地质法
（1）地质素描
充分利用洞内掌子面与侧壁，主要进行地层岩性特征、断层破碎带及影响带、裂隙密集发育带与构造挤压破碎带、软弱夹层带、岩性突变与地层界线等的产状与性质及发育程度、岩体破碎程度与充填情况、涌突水突泥、坍方冒顶与围岩变形破坏的部位、臃、方式与规模及其随时间的变化特征等的详细的量测和地质素描，并绘制施工实时地质作图（几何作图、块体坐标作图、赤平投影作图、洞身地质展示图等）.在此基础上，对掌子面前方一定范围内（约5～1Om）的地质条件进行预测预报，同时应做好坍方冒顶与围岩变形破坏的施工应急预案.
（2）洞内涌突水的实时监测
洞内各涌突水点（掌子面炮眼涌突水）的实时监测。
监测内容包括:
各涌水点的水温、水量、水压、水质与同位素化学（必要时），各涌突水点位置（里程）、地层岩性、裂隙与岩溶发育特征等。
洞身涌（突）水动态监测。
包括;涌（突）水点地质档案，涌（突）水点空间分布、单点涌（突）水量及其动态、涌（突）出机制、涌（突）水的化学与同位素化学动态特征（必要时）等。
（3）洞内气温与湿度的实时监测。
（4）隧道通过地带地下水（岩溶水）地表排泄点与地表水等的实时监测
监测包括:
地表布置10～15个控制点监测主要的泉点、岩溶水天窗和暗河出口、隧道通过地带河水的流量、水位及动态、水化学与同位素化学变化特征（必要时）和大气降水与气温等，要求每5～10天监测一次。
（5）在此基础上，采用多种方法综合分析计算涌水量与涌水水压。
对掌子面前方进行（较）大规模（高压）涌（突）水突泥（砂、石）的宏观预测预报，同时应做好施工应急预案.
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