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1、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

2、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

3、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

4、）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3050m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

5、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3050米范围内可能出现的地层、岩性

6、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3050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3050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3050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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、.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5-20 m，每个断面布设5个测点；类20-40 m，每个断面布设3个测点；类40-100 m，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

12、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

13、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

14、同的监测频度。表2 位移速度与监测频度位移速度(mm/d)151-150.5-10.2-0.50.2频度1-2次/d1次/d1次/2d1次/7d1次/15d4. 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

15、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

16、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0.05mm4.5. 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

17、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Geokom公司的1600型钢带式收敛计，其量程近16m，分辨率为0.01mm。4.6. 围岩内位移监测对于洞口浅埋偏压段或软岩大变形地段以及特殊结构洞身段，需进行围岩内部位移量及围岩压力量测。围岩内位移监测是通过钻孔多点位移计监测隧道围岩内沿轴向不同浓度的轴向变形，据此可分析判断隧道围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩的稳定性，以检验或修改计算模型和模型参数，同是为修改锚杆支护参数提供重要依据。测试采用由美国进口的采用注浆方式锚固的多点位移计，用频率仪测读。为了解喷射砼与围岩之间的径向压力或作

18、用于初期支护与二次衬砌之间的接触应力，采用在二个层面之间、埋设压力盒的方法进行测试。4.7. 钢支撑压力监测其目的是监控围岩的稳定性和钢支撑自身的安全性，并为二次衬砌结构的设计提供反馈信息。钢支撑压力测试采用振弦式应变计，经标定后用数字式频率仪测读。按规范要求，每十榀钢支撑布设一对测力计，共布设约54对测力计。此项监测根据现场情况及甲方要求可进行观测，报价中不含此项。洞周收敛和拱顶沉降、围岩位移的监测点应在距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初读数。埋设测点的砂浆均需用速凝强的双快水泥。钢支撑压力的测试元件在钢支撑设置时安装并测读初读数。地表沉降和中墙衬砌的监

19、测点需在开挖掌子面推进到距测试断面2倍隧道直径前布设。上述超前地质预报方案及监控量测内容、测点布设和观测频率按最终业主批复的方案实施。5. 隧道施工质量无损检测5.1隧道施工质量无损检测技术总述隧道施工质量无损检测主要是对隧道支护结构进行检测，特别是在建设施工中进行实时质量监控，将施工中存在的质量隐患排除在建设过程中，对确保工程的施工质量具有重要意义。按照招标书的要求，检测内容有：隧道初期支护（占隧道工程总长度的3040主要是Ill级、IV级、V级围岩）厚度、钢拱架数量（含仰拱）、间距、初期支护背后空隙及回填状况；）；隧道衬砌厚度及现状描述；隧道背后空隙及回填状况；衬砌背后及围岩的裂隙水分布；

20、衬砌裂纹分布及发展趋势；隧道衬砌混凝土强度。投标人结合过去隧道施工质量无损检测的实践经验，制定的质量无损检测方案包括以下要点：(1)使用声波与地质雷达两种方法进行隧道支护结构检测。(2)通过对初期支护进行无损检测，圈定出初喷与围岩层之间脱空、超挖、填充欠实、围岩富含水带的分布范围，为施工期修补措施提供准确数据；同时给出钢架数量及初喷厚度图，按设计要求评定其施工质量。(3)通过对隧道二衬（混凝土厚度）的检测，对隧道整体施工质量做出评价，为隧道运营期进行维护提供基础数据资料。(4)通过超声回弹法对隧道二衬的混凝土强度进行全面检测，弥补因混凝土试块测试数据量不足的缺点。52隧道施工质量无损检测技术方

21、案(1)检测设备与方法原理检测使用的设备为美国GSSI公司生产的SIR-2000型探地雷达及其配套天线。该仪器的特点是：系统高度集成化、数字化，操作菜单化，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辩率高，具有实时数据处理和信号增强，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩色图像，其配置的天线系列化，可应用于各类地下目的物及目的层的检测与探测。探地雷达技术实质就是一种特高频电磁波发射与接收技术。通过发射天线直接向地下介质发射高频电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波，近而探测介质结构的方法。不同的介质，其电磁性质是有差异的，介电常数是不一样的，这种电磁性质的差异决定了在不同介质中，电磁波的传播速度是不一样的。

22、电磁波在介质内传播过程中，当遇到存在电性差异的介质（如裂缝、不密实区、空洞、材质不同等）时，便发生反射，通过对接收到的电磁波进行处理，根据波形、强度、双程走时等参数推断介质体的空间位置、结构、电性特征及几何形态。(2)初期支护的检测雷达检测沿隧道上、下行线各布5条测线，使用900MHz或者500MHz天线进行检测，900MHz天线控制测深1-2米，以检测隧道初支结构可能存在的缺陷隐患及规模状况；500MHz天线控制测深2-6米，对围岩条件较差区段的地质病害进行探测，特别是对于连拱隧道中墙上方的回填部位的检测，要适当调整检测参数，以达到监控回填密实状况的要求；在检测中，将随时根据实际情况适当增加

23、测线密度以控制异常位置，确保检测精度和准确性；同时控制隧道仰拱初期支护施工质良，根据需要布置1-2条测线。(3)二次衬砌检测雷达检测线分别沿隧道上下行线各布测线5条，拱顶、左右拱腰及左右边墙各一条，使用900MHz天线进行检测，控制深度1-2米，以检测隧道二衬结构厚度和可能存在的缺陷及规模状况，在检测中，将随时根据实际情况适当增加测线密度以控制异常位置，确保检测精度和准确性。检测之前在已知厚度部位或者与隧道衬砌材料相同的其它预制件上测定混凝土的介电常数或电磁波速度；测量时窗和采样率应根据衬砌材料的相对介电常数、电磁波速度和检测深度要求确定；数据采集采用连续测量方式，不能连续测量时可采用点测，分

24、段连续测量时，应有大于1米的重复测量段，除特殊天线外，测量时应使天线与衬砌表面密贴。(4)隧道支护质量无损检测工作流程为确保施工质量符合设计要求，工程建设施工过程中，从隧道开挖完成初期支护开始，对支护施工各个环节采用地质雷达等检测方法对其施工质量进行跟踪监控，对发现的质量缺陷要求施工单位进行针对性的处理，直至复检合格后方可进入下一工序。隧道施工质量动态监控检测流程如下图：(5)提交成果隧道支护（特别是初期支护）的质量检测工作与施工工序紧密相关，为配合施工进度的需要，在接到报检要求后，三天内完成检测任务并提交检测中间结果，隧道衬砌结构全部完工后，检测工作完成后15天内提交最终检测报告。内容包括：

25、隧道无损检测报告说明书；隧道支护结构缺陷检测结果图；隧道衬砌厚度检测结果图；隧道钢支撑分布图；隧道支护结构缺陷处理检测成果图。6. 超前地质预报和监测量测监测数据分析和整理应及时收集、整理、提交超前地质预报、监控量测的主要成果，对监测成果进行如下处理：将各种监测数据相互印证，以确认监测结果的可靠性。根据监测数据，绘制变形与监测时间过程曲线，对最终值或变化速率进行预测预报，可直观地评价监测断面附近的围岩稳定和变形特征，进行地质灾害预报与评价；绘制变形速率与监测时间曲线，可提供围岩的稳定和二次支护的实施时间；采用数学方法对原始监测数据进行处理，计算最终变形；绘制相对收敛曲线，并根据有关规范评价围岩

26、稳定性，在进行反分析的基础上进一步了解该区域的初始应力场和岩体变形模量。采用平面有限元方法分析不同围岩类型条件下隧道开挖与支护方法。探求围岩变形或应力状态的空间分布规律，了解围岩稳定性特征，以便提供反馈，合理地设计支护系统。由于岩体的流变特性，岩体破坏前的变形曲线可以分成三个区段，（1）基本稳定区，主要标志是变形速率不断下降，即变形加速度小于0；（2）过渡区，变形加速度长时间保持不变，即变形加度等于0；（3）破坏区，变形速率渐增，即变形加速度大于0。相应地，现场监测到的位移-时间曲线也可能呈现出以上三种形态，对于隧洞开挖后在洞内测得的位移曲线，如果始终保持变形加速度小于0，则围岩是稳定的；如果

27、位移曲线随即出现变形加速度等于0的情况，亦即变形速度不再继续下降，则说明围岩进入“定常蠕变”状态，须发出警告，及时加强支护系统；一旦位移出现变形加速度大于0的情况，则表示已进入危险状态，须立即停工，进行加固。根据该方法判断围岩的稳定性，应区分由于分布开挖时围岩中随分步开挖进度而随时间释放的弹塑性位移的突然增加，使位移时间曲线上呈现位移速率加速，由于这是由隧洞开挖引起，所以不预示着围岩进入破坏阶段。在隧洞施工险情预报中，应同时考虑收敛或变形速度，相对收敛量或变形量及位移-时间曲线，结合观察到的洞周围岩喷射混凝土和衬砌的表面状况等综合因素作出预报。隧洞位移或变形速率的骤然增加往往是围岩破坏、衬砌开

28、裂的前兆，当位移或变形速率的骤然增加报警后，为了控制隧洞变形的进一步发展，可采取停止掘进、补打锚杆、挂钢筋网、补喷混凝土加固等施工措施，待变形趋于正常后才可继续开挖。从理论上说，设计合理的、可靠的支护系统，应该是一切表征围岩与支护系统力学形态的物理量随时间而渐趋稳定，反之，如果测得表征围岩或支护系统力学形态特点的某几种或某一种物理量，其变化随时间而不是渐趋稳定，则可以断言围岩不稳定，支护必须加强，或需要修改设计参数。由于各种可预见或不可预见的原因，现场监测所得的原始数据具有一定的离散性，必须进行误差分析、回归分析和归纳整理等去粗存精的分析处理后，才能很好的解释监测结果的涵义，充分地利用监测分析

29、的成果。如，要了解某一时刻某点位移的变化速率，简单地将相邻时刻测得的数据相减后除以时间间隔，作为变化速率显然是不确切的，正确的做法是对监测得到的位移-时间数组作滤波处理，经光滑拟合后得时间-位移曲线u=f(t)，然后计算该函数在时刻t的一阶导数du/dt值。即为该时刻的位移速率。总的来说，监测数据数学处理的目的是验证、反馈和预报。7. 隧道施工中的关键技术问题（1）隧道施工阶段围岩分级指标的获取方法-地质画像系统的研究。（2）隧道施工阶段围岩分级软件系统研制。（3）隧道洞门景观设计方法研究。（4）隧道位移非接触量测系统研究。（5）光纤传感器在隧道中应用技术研究。（6）隧道预加固设计方法研究。（7）支护时机对隧道安全性影响的定量分析方法研究。（8）隧道变更策略设计方法研究。（9）隧道工程的安全风险管理研究。可以立几个科研项目，题目供他们参考。达到国内先进水平，可以获奖。8. 各项目价格情况81隧道工程施工监控量测报价单序号名称单位数量单价（元）金额（元）备注1洞内观察全长m1362地表下沉断面72003周边位移断面8004拱顶下沉断面8005锚杆抗拔力根 1006锚杆轴力根2000 7围岩内部位移断面 30008围岩与初支压力断面3209初支与二衬压力断面32010钢支撑应力断面32011初支砼内应力断面32012二次衬砌应力断面320合计金额（元）