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第九章 地下隧洞工程 信息化施工监测,91 岩石隧道工程信息化施工 新奥法施工的要素: 光面爆破:保护围岩自承能力; 锚喷支护:提高围岩自承能力; 监控量测:发挥围岩自承能力(图41)。,图41监控量测,发挥围岩自承能力,监测的目的: 确保隧道的安全施工; 信息反馈,指导施工(适时支护,发挥围岩自承能力); 信息反馈,指导设计(修改支护参数和计算参数); 验证和研究设计新方法、施工新工艺采集数据; 环境保护(相互影响)。,92 岩石隧道监测的内容和方法,监测的对象:围岩; 衬砌(初衬和二衬); 锚杆; 钢拱架及其它支撑 监测的部位:地表; 围岩内; 洞壁; 衬砌内; 衬砌内壁等。 监测的类型:位移; 压力(应力); 其它物理量(围岩松动圈和声发射)。,一、洞内观察 隧道内地质条件的变化情况; 节理、裂隙的发育和扩展情况; 渗漏水情况; 隧道暴露面无松动岩石; 锚杆有无松动、喷层有无开裂; 中墙衬砌上有无裂隙出现。,二、拱顶沉降 仪器:水准仪监测 方法:在拱顶用短锚杆设置挂钩,用铟钢丝悬挂标尺(或收敛计);可借助于渔杆将标尺(或收敛计)挂到挂钩上。 三、洞周收敛监测 洞周收敛是隧道周边或结构物内部净空尺寸的变化。 穿孔钢卷尺式收敛计(图47a、图48a);,四、围岩内位移 1、单点位移计(图42),说明: 单点位移计结构简单,制作容易,测试精度高; 受外界因素影响小,容易保护; 若钻孔足够深时孔底可视为不动点,测得的是位移绝对值; 单点位移计通常与多点位移计配合使用。,2、多点位移计 按位移监测仪器的不同分为: 机械式:深度测微计、千分表或百分表。 电测式:位移传感器;钢弦式电阻式; 差动变压器式; 电阻应变式。 按安装方式分为: a.并联式多点位移计: 注浆式锚固头; 机械式锚固头。 b.串联式多点位移计:孔口固定;孔底固定。 c.滑动式位移计(地表埋设) 埋设方式:当隧道埋较浅时可地表埋设,测得全位移 洞内埋设,可向多个方向埋设。,五、锚杆拉力监测 1、仪器和原理: a.锚杆拉力计、频率仪或电阻应变仪,直接测得锚杆拉力; b.钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪; c.钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪; d.应变片、电阻应变仪。 2、埋设 a.锚杆拉力计安装在承压板与锚头之间,如图3-15; b.钢筋应力计:割断钢筋,与钢筋串联焊接; c.钢筋应变计:焊在钢筋或钢管上(与锚杆并联连接); d.应变片:对锚杆表面作特殊加工后粘贴,并防潮、密封。,说明:钢筋应力计只能用于由钢筋组成的锚杆。,六、衬砌内力 1、仪器: a.钢筋应力计和频率仪或电阻应变仪; b.钢筋应变计和频率仪或电阻应变仪。 注:钢筋应力计的量程根据钢筋的直径和等级。 2、埋设: a.钢筋应力计:割断主筋,与结构主筋串联焊接; b.钢筋应变计:并在结构主筋附近(与主筋并联)。 注:钢筋计在混凝土结构内相对的钢筋层上对称布置。,七、压力监测 监测仪器:压力盒和频率计,或液压枕; 用途:围岩内部的压力;压力盒或液压枕; 支衬结构内部的压力; 围岩与初衬间的接触压力; 初衬与二衬间的接触压力; 1、液压枕 组成:枕壳、注油三通、紫铜管和压力表 (图411),为了安设时排净系统内空 特点:稳定可靠、结构简单、防潮防震; 读数方便、成本低、不要电源。 2、压力盒,93 岩石隧道监测方案设计,监测方案制定步骤: (1)收集和阅读有关资料 a.综合地形图 b.工程地质勘察报告 c.隧道工程的设计图纸 d.隧道工程施工组织设计 e.地表建(构)筑物基础和结构的设计图纸; (2)现场踏勘 (3)拟定监测方案初稿,提交协调会议讨论,形成会议纪要 (4) 根据会议纪对监测方案初稿进行修改,形成正式监测方案。,岩石隧道工程监测方案设计的内容: (1) 监测内容测什么? (2) 监测方法和仪器怎么测? (3)施测部位和测点布置测哪里? (4) 监测期限和频度何时测? (5) 预警值及报警制度等实施计划怎么办?,一、 监测内容的确定 监测内容确定的原则: 工程的规模、重要性程度; 隧道的形状、尺寸、工程结构和支护特点; 工程地形、地质条件; 施工工序和方法; 能及时安设,但少干扰施工; 方法简单、结果可靠、成本低; 被测物理量要概念明确,量值显著。 能尽量靠近工作面安设; 确定监测内容时可参考的规范: 公路隧道施工技术规范(TJT042-94)(表42) 日本新奥法设计技术指南(草案)(表43); 地表沉降监测的重要性可参见表44,表83 围岩条件而定的各测项目的重要性, 必须进行的项目; 应该进行的项目; 必要时进行的项目; * 这类项目的监测结果对判断设计是否保守是很有用的。,表84 地表沉降监测的重要性,注:D为隧道直径,h为埋深,说明: 监测项目能全面反映围岩和支护的变化动态; 能反映各种不同地质单元和隧道结构复杂部位的变化动态; 地质条件变化大的工程,宜进行地质超前预报; 高地应力的脆性岩体,可以进行声发射监测;,二、 监测手段和仪表的确定 在隧道监测项目中,可以选择的仪器和方法的余地较少; 各种隧道监测项目所能选择的仪器和方法已如3-2和4-2所述。 不同用途的位移计的精度等级和量程范围可参见表45。 说明: 仪器的量程和绝对精度要与被测物理量的变化范围相匹配; 如:软岩隧道的围岩变形较大,可选用精度稍低的变形监测仪器; 浅埋隧道或有条件时,可从地表钻孔预埋; 长期监测点因后期变化较小,要求精度较高,表85 位移计的量程与精度选择范围表,三、监测部位的确定和测点的布置 1、监测断面位置的确定 公路隧道施工技术规范(TJT042-94)(表42) 洞周收敛和拱顶下沉降监测断面的间距: 类:520米; 类:2040米; 类:40米以上。 地表沉降监测断面的间距: 埋深大于两倍洞径:2050米; 埋深在一倍洞径与两倍洞径之间:1020米; 埋深小于洞径:510米。 表42中B类监测项目的监测断面的间距:200500米。,说明: 代表性:不同围岩类别、衬砌型式至少设一个断面; 特殊性:断层、破碎带、洞口等隧道特殊部位应设监测断面; 各种位移监测项目应尽量布置在同一监测断面上; 各种力的监测项目应尽量布置在同一监测断面上; 施工初期阶段,监测断面间距取小值,随后适当增大 测点埋设不超过掌子面2米,并不超过开挖后24小时。,、洞周收敛测点的布置形式 十字形:底部施工已基本完成的隧道; 三角形:常用,易于校核监测数据; 多个三角形或交叉形:较宽或较高的隧道; 说明: 断面较小时,可采用较简洁的布置形式; 数据作为反分析使用,采用多个三角形的布置形式; 边墙很高时,可沿墙高设置多个水平测量基线。,、位移计的布设 钻孔:通常布置拱顶、边墙和拱脚部位(图413);若条件允许,可从地表或其它隧洞钻孔预埋。 孔深:超出围岩变形影响范围,约1.53倍洞径,软岩取大植; 测点位置:距孔口按1、4、9、16的比例布设;孔口和孔底都应布设测点;在软弱结构面、接触面和滑动面等两侧。,说明:隧道内,位移计孔口处需布设洞周收敛测点;拱顶位移计:洞内孔口处需布设拱顶沉降测点;对应地表需布设地表沉降和位移测点。,、其他监测项目的布设 力的监测项目的布设位置与多点位移计的类似; (锚杆拉力、围岩压力和衬砌内力、钢拱架内力)监测锚杆上一般均匀布设34个测点; 监测锚杆的规格应与工程锚杆的相同。,四、观测及其频度的确定 隧道内监测项目: 在隧道开挖后:15天内,12次/天; 15天1个月内,1次/2天; 13个月内,12次/周; 3个月上,13次/月。 洞内观察和地质描述,每次爆破开挖后进行。 可从地表监测的项目: 开挖面距量测断面前后5B时, 1次/周。,说明: 监测频度应根据监测变化的大小调整; 应以变化最大者来决定监测频度; 整个断面内的监测频度应该相同; 若设计有特殊要求,按设计要求频度; 遇突发事件则加强观测; 不同位移速度时的监测频度可参见(表45)。,表45 位移速度与监测频度,五、监测数据警戒值及围岩稳定性判断准则,1、容许位移量 容许位移量:在保证隧道不产生有害松动和地表不产生有害下沉的条件下,自隧道开挖 起到变形稳定为止,在起拱线位置的隧道壁面间水平位移总量的最大容许 值,或拱顶的最大容许下沉量。 确定依据: a. 国内外有关规范: 公路隧道施工技术规范(TJT042-94)(表46);,法国制订的拱顶沉降量控制标准(表47)。,表86 洞周允许相对收敛量和开挖轮廓预留变形量,注:洞周相对收敛量系指实测收敛量与两测点间距离之比; 脆性岩体中的隧道取表中较小值,塑性岩体则取较大值; 本表所列数据,可在施工中通过实测和资料积累作适当调整; 拱顶下沉允许值一般按表46的0.51.0倍采用 跨度超过11m时可取用最大值。,表87 法国制订的拱顶沉降量控制标准,b.参考国内外有关隧道经验 弗朗克林隧道警戒标准,表88 ;,表88 弗朗克林隧道警戒标准,日本新宇佐美隧道的容许变形量,表89;,表89 日本新宇佐美隧道容许变形量,我国某些隧道的容许变形量经验,表810。,表810 我国几个隧道的容许位移量和容许位移速率值,#单线铁路隧道,*双线铁路隧道,c.经验公式(前苏联学者) 拱顶:,边墙:2,式中:f为普氏系数; b0为洞室跨度; H为边墙自拱脚至底板的高度(m);,(mm),(mm),值一般在从拱脚起算(,)H段内 测定。,特别注意:完整硬岩中的隧道,失稳时围岩变形 往往较小。,2、容许位移速率 容许位移量速率:在保证围岩不产生有害松动的条件下,隧道壁面间水平位移速度的 最大容许值。 确定依据:根据经验。 实例:古楼铺隧道等,表410; 张家港铁矿的稳定变形速度为0.1mm/天; 引滦入津输水隧道大于0.33mm/天; 美国某些工程:第一天: 1/51/4容许位移量(2.543.18mm) 第一周内: 1/20容许位移量/天(约0.63 mm/天)。,3、根据位移时间曲线判断围岩稳定性 变形加速度小于0,则围岩是稳定的; 变形加速度等于0,须发出警告,及时加强支护系统; 变形加速度大于0,已进入危险状态,须立即停工、加固。 注意: 由分步开挖释放的弹塑性位移引起的位移加速,并不预示着危险。,六、变形监测值与全变形 全变形: 式中: 为变形监测值; 为隧道开挖面到达监测断面前已释放的围岩变形; 为从开挖到读取零读数期间释放的围岩变形。 设对监测数据回归得到变形时程曲线为: ,取t0, 则u1可用拟合曲线外延的办法估算(如图418):,而根据有关文献: 所以:,94 工程实例,一、相思岭隧道工程概况 地址:福建省,福泉高速公路 岩性:上覆坡积粘性等,基岩为微风化花岗岩等。 最大埋深: 50米 围岩类别:洞身段:、,进口段:、类围岩。 结构形式:双跨连拱结构,曲墙式双心圆拱; 隧道长度:米; 洞轴线间距:.米,中隔墙宽:.米,隧道建筑界限:净高5米,净宽10米; 预留变形量:类:12厘米,类:7厘米,、:0。 衬砌断面类型:锚喷网支护加二次衬砌复合式衬砌 A、B、C型:曲墙式无仰拱; D、E型:曲墙式带仰拱的封闭式衬砌。 、类围岩地段架设间距为1.0米钢支撑; 、类围岩地段在局部破碎处架设钢支撑。 二、监测方案与实施 表411 隧道现场监控监测项目及监测方法,三、观测成果分析及规律性研究 1、 洞周收敛,表812 各断面洞周每条测线的最大收敛量和洞周相对收敛量,允许变形量:类围岩:0.2%0.8%;类围岩为0.15%0.5%; 类围岩为0.1%0.3%。,表813 围岩
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