隧道监控量测方法及控制标准的研究-课件.ppt

1、隧道监控量测方法隧道监控量测方法与 控 制 标 准 研 究与 控 制 标 准 研 究科研为本，创新为魂，服务为策，奉献交通研究内容研究内容文本概论隧道监隧道监控量测控量测方法研方法研究究隧道监隧道监控量测控量测控制标控制标准研究准研究隧道监控量测方法与隧道监控量测方法与控制标准研究控制标准研究结论概论-新奥法隧道施工新奥法隧道施工 隧道及其发展过程隧道及其发展过程 隧道工程的核心问题，归结到开挖和支护两个关键工序上 松弛荷载理论：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力概论-

2、新奥法隧道施工新奥法隧道施工 岩承理论：围岩稳定是因为岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。-新奥法工法“松弛荷载理论”注意结果和对结果的处理；“岩承理论”更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用新奥法隧道施工新奥法隧道施工 奥地利学者拉布西维兹（L.V.RABCEW ICZ）教授于二十世纪50年代提出，60年代取得专利权并正式命名。我国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，到1981年底，采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。1991年，福建省首次在国道205线南平五显岭隧道建设

3、中应用新奥法原理进行设计施工，历经三年贯通1318m。新奥法的基本要点新奥法的基本要点 开挖采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进，减少对围岩的扰动；充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形；改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合成环；通过监控量测，合理安排施工顺序，调整支护参数；新奥法的基本要点新奥法的基本要点 采用复合式衬砌；二次衬砌原则上是在围岩和初期支护变形基本稳定的情况下浇注；岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”新奥法原理新奥法原理新奥法原理新奥法原理-弹簧（）洞室边缘某一点A在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应力）处于一个平衡状态，如同

4、一根弹性刚度为K的弹簧，在P0作用下处于压缩平衡状态。（2）洞室开挖后，A点在临空面失去约束，原始应力状态要调整，如果围岩的强度足够大，那么经过应力调整，洞室可处于稳定状态（不需支护）。然而大多数的地质情况是较差的，即洞室经过应力调整后，如不支护，就会产生收敛变形，甚至失稳（塌方），所以必须提供支护力PE，才能防止塌方失稳。等同于弹簧产生了变形u后，在PE作用又处于平衡状态。新奥法原理新奥法原理-弹簧（3）弹簧在P0作用时处于平衡状态，在发生变形u后，在PE的作用下又处于平衡状态，假设弹簧的弹性系数为K，由力学平衡方程可知，则有：P0=PE+Ku 那么：当u=0时，P0=PE 即不允许围岩变形

5、，采用刚性支护，不经济；当u变大时，PE减小；当u减小时，PE增大。即围岩发生变形，可释放一定的荷载（卸荷作用），所以要允许围岩产生一定的变形，以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施，围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku；当u=umax时，发生塌方，产生松驰荷载，不安全。概论监控量测 新奥法三要素及监控量测重要性新奥法三要素及监控量测重要性 监控量测项目及方法：监控量测项目及方法：公路隧道施工技术规范（JTJ 042-94）监控量测现状：监控量测现状：60年代初开始推广喷锚支护技术，但弱化了监控量测；福建第一座新奥法施工1991年开始建设的国道205线南平浦城五显岭隧道，未开展施工过程的

6、现场监控量测；直到1994年泉厦高速公路大坪山隧道开始才真正实施新奥法。概论监控量测 相当部分的监控量测造假，流于形式；90年代以来各高校、科研院所参与监控量测工作，参与该项现场工作的多为在校就读的大学生，未能真正解决监控量测工作的困境。2005年起，交通运输部加强了试验检测工作的管理力度，开展检测机构等级评定与资质认证。包括综合资质和桥隧专项资质。概论风险预警与稳定预测风险预警与稳定预测 风险预警：风险预警：公路隧道施工技术规范（JTJ 042-94）规定的公路隧道周边允许相对位移值；铁路隧道监控量测技术规程（TB10121-2019）则根据隧道跨度不同规定铁路隧道初期支护极限相对位移值；位

7、移控制基准与位移管理等级；福建省高速公路隧道施工标准化指南规定了变形管理等级。概论风险预警与稳定预测风险预警与稳定预测 稳定预测：（1）各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；（2）已产生的各项位移已达预计总位移量的80%90%；（3）周边位移速率小于（0.10.2）mm/d，或拱顶下沉速率小于（0.070.15）mm/d。反馈机制：反馈机制：实时分析与阶段分析。隧道监控量测方法研究隧道监控量测方法研究监控监控量测项目量测项目 必测项目必测项目（1）地质和支护状况观察；（2）周边位移；（3）拱顶下沉；（4）锚杆或锚索内力及抗拔力。地表下沉-建议做为必测项目监控量测项目监控量测项目 选测项目

8、选测项目 变形类：围岩体内的位移、支护与衬砌的裂缝、边（仰）坡测斜、隧道底部隆起量等 受力类：围岩压力、锚杆（索）内力、钢支撑内力、喷射混凝土内力、二次衬砌内力、初期支护与二衬之间压力、连拱隧道的中墙内力等 爆破振动：小净距隧道后行洞爆破振动速度测试、扩建隧道旧隧道衬砌振动速度波速测试等 隧道环境与其它：围岩弹性波测试、水量、孔隙水压力、CO浓度、粉尘浓度、瓦斯浓度、烟雾浓度、噪声、风速监测等监控量测项目监控量测项目 连拱隧道连拱隧道 中墙应力及其水平位移；后行洞爆破振动速度；围岩体内位移 小净距隧道小净距隧道 后行洞爆破振动速度测试；中夹岩弹性波测试；水平对拉锚杆轴力测试监控量测项目监控量测

9、项目 监控量测项目选择：级围岩差，应以监测变形为主，级围岩好，应以监测围岩压力为主；变形监测必测项目中，至少要有一项进行，避免围岩变形而不知晓现象发生；选测项目根据工程实际需要选定；锚杆抗拔力试验宜做为质量控制项目，锚杆或锚索内力宜做为选测项目；对浅埋隧道，地表沉降应做为必测项目；周边收敛量测项目中水平测线应做为必测项目，斜边测线可做为选测项目隧道监控量测方法研究隧道监控量测方法研究技术要求 测点埋设及要求测点埋设及要求 及时埋设测点及时埋设测点 测点制作测点制作 测点埋设测点埋设水准测量项目不确定度水准测量项目不确定度该点的相对高程h=（1623.852.64）mm。其中扩展不确定度=2.6

10、4mm是由标准不确定度u(y)=1.32mm乘以包含因子k=2得到。分析：最大误差来源于被测对象水准尺及测点，同时隧道环境恶劣，光线不足，立尺很难铅直，读数亦受很大的影响；从工程经验上来看，水准测量变形量测精度可按1mm控制；从不确定度分析来看，3mm以内的数据变化是可能的，工程经验也证明3mm的变化比较常见。监测频率监测频率 地质和支护状况观察频率：地质和支护状况观察频率：按每施工循环记录一次，当地质条件变化不大时，可把相同或类似、连续的地质和支护状况记录在一起。必测项目变形类监测频率：必测项目变形类监测频率：考虑变形速率和与掌子面的距离 选测项目的监测频率：选测项目的监测频率：原则同必测项

11、目变形类监测断面监测断面 洞内断面间距 地表观测断面 断面内测点布设断面内测点布设 拱顶下沉拱顶下沉 周边收敛周边收敛全断面开挖周边收敛测线布设图台阶法开挖周边收敛测线布设图CD或CRD法周边收敛测线布设图双侧壁导坑法周边收敛测线布设图地表沉降地表沉降布设范围在隧道中线两侧（H+B）之间，可根据隧道顶部地表地形适当调整，横向间距一般控制在（25）m，在隧道中线附近应适当加密，总测点数一般不少于7个。测试精度要求测试精度要求 水准测量变形：1mm 周边收敛：1mm 爆破振动：1mm/s 预埋元器件：0.1%F.S（F.S为元器件满量程）隧道环境测试项目：结合仪器精度和有关规范要求进行隧道监控量测

12、方法研究隧道监控量测方法研究监控量测方法 简单、实效、经济原则 地质和支护状况观察地质和支护状况观察 仪器设备:罗盘、地质锤、数码相机 方法与步骤:(1)洞外观察;(2)洞内掌子面与侧壁观察;(3)支护观察监控量测方法-洞内掌子面与侧壁观察(1)围岩分级:根据公路隧道设计规范（JTG-D 70-2019）a、确定岩石坚硬程度；b、岩体完整性；c、BQ=90+3Rc+250Kv；d、BQ=BQ-100（K1+K2+K3）；e、确定围岩级别（2）软弱夹层（3）地下水（4）高初始应力（5）其它：掉块、镜化、铁染、挤压扰曲等地质现象监控量测方法-水准测量变形水准测量变形 基准点 地表沉降、仰拱隆起量观

13、测：工程测量规范（GB50026-2019）拱顶下沉监控量测方法-周边收敛周边收敛 精度 埋设测点 温差超过5，应进行温度修正监控量测方法-应力、应变、压力应力、应变、压力 应变计、钢筋计、水位计、多点位移计等振弦式传感器、频率接收仪 埋设 频率测读及换算 温度修正 地下水影响监控量测方法-爆破振动爆破振动 振动速度、或加速度传感器、爆破振动采集仪 传感器固定，与仪器连接 采集数据 分析波形与特征值监控量测方法-隧道环境隧道环境 项目：CO浓度、粉尘浓度、瓦斯浓度、风速、烟雾浓度、照度、噪声等 一般避开通风口，离洞壁距离大于0.5m，距离地面0.5-1.5m 施工过程与运营过程不一样隧道环境监

14、（检）测方法及评判标准隧道环境监（检）测方法及评判标准监控量测方法-激光断面仪激光断面仪 基本原理 性能指标 方法与步骤 注意事项 不足监控量测数据分析方法与反馈监控量测数据分析方法与反馈制度制度 数据处理与应用 回归分析 反分析法 围岩稳定性判别 间断数据处理 及时反馈制度净空位移（拱顶下沉与周边收敛）位移u与时间t关系曲线 位移u与距掌子面距离L关系曲线地表沉降 地表各测点（1，2）位移u与时间t关系曲线 地表各测点沉降盆围岩体内位移 孔内各测点（l1，l2）位移u与时间t关系曲线 不同时间（t1，t2）位移u与深度（测点位置l）关系曲线锚杆轴力 不同时间（t1，t2）锚杆轴力（应力）与深

15、度l关系曲线 不同测点（1，2）锚杆轴力（应力）与时间t关系曲线围岩或喷层应力、应变、压力 应力（或应变、或压力P）与时间t的关系曲线爆破振动测试监控量测控制标准研究监控量测控制标准研究 容许极限位移量法容许极限位移量法 容许变形速率法容许变形速率法 变形速率比值法变形速率比值法允许相对位移值允许相对位移值 由来由来 不足：不足：（1 1）公路隧道与铁路隧道的区别；）公路隧道与铁路隧道的区别；（2 2）隧道不同部位变形不一致；）隧道不同部位变形不一致；（3 3）出现偏差：超过并不失稳，未超过）出现偏差：超过并不失稳，未超过出现坍塌；出现坍塌；（4 4）新形式隧道的适应性。）新形式隧道的适应性。

16、浦南及泉三高速公路隧道群监浦南及泉三高速公路隧道群监控量测资料分析控量测资料分析 拱顶下沉、周边收敛、地表沉降最大值、埋深等资料汇总 临界破坏及资料汇总临界破坏及资料汇总（1）摇前隧道右洞出口（2）江坑隧道右洞出口（3）新兴隧道右洞进口（4）曹源隧道左洞出口（5）曹源隧道右洞出口摇前隧道江坑隧道右洞出口新兴隧道右洞进口曹源隧道资料分析资料分析 与围岩级别的关系：随着围岩级别变差，隧道围岩逐步变大，标准偏差增加，级围岩变形在10mm以内，级在20mm以内，但对级围岩而言，拱顶下沉值比前两级的要大得多，呈数量级增长，达429.33mm，同时，拱顶下沉值比周边收敛值大许多。资料分析资料分析 与埋深的

17、关系：随着隧道埋深增大，其变形也来越小，开挖越来越安全。从监测资料来看，埋深大于100m的隧道，围岩变形明显减小，当埋深大于300m，隧道的尺寸效应不明显，围岩稳定，变形微乎其微了。资料分析资料分析 变形差异变形差异 一方面，大部分围岩变形在30mm以下，另一方面，变形大于100mm的所占的比例较高，为7.2%，是造成标准偏差大的主要原因，是我们监控量测中最值得关心和重视的部分，是施工过程中最应谨慎处理的地段。允许位移值允许位移值 以浦南高速公路摇前隧道出口左、右洞为例，两洞口地质条件类似，施工方式和支护参数相同，地貌稍有区别，左洞变形大（拱顶下沉74.52mm，周边收敛-23.16mm，地表

18、沉降67.0mm）而稳定；右洞变形小（拱顶下沉41.41mm，周边收敛8.88mm，地表沉降56.4mm）却失稳。按现行公路隧道施工技术规范（JTJ 042-94），即锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2019）规定之允许相对位移值0.8%计算，允许变形值应为80mm左右，与之相比，右洞累计变形还小却突然失稳，左洞变形大（累计变形110.99mm）而稳定。允许位移值允许位移值含义含义 围岩变形在此范围内是稳定的，即传统意义上的隧道稳定允许（相对）变形值；此变形值应在预留变形量以内。这包含两层意思：变形值超过预留量，造成侵界，是不允许的；赶在围岩未收敛之前上二衬，尽管变形值未超过预留变

19、形量，但进一步的变形将让二衬承担很大的围岩压力，这不符合新奥法施工理念，也是危险的。用现行公路隧道设计规范（JTG-D70 2019）规定的“预留变形量”做为允许位移值。位移控制标准及管理等级位移控制标准及管理等级位移变形完成量分析位移变形完成量分析 有限元计算分析：有限元计算分析：按围岩等级、开挖方式、开挖步长、隧道高宽比、隧道埋深等不同工况进行有限元模拟计算，分析测点拱顶下沉变形完成量与距掌子面距离的关系位移变形完成量分析位移变形完成量分析有限元有限元 围岩条件越好，其变形速率越快，稳定越快，即围岩条件好坏是影响其变形速率的最关键因素；开挖方式对隧道围岩总体变形影响不大；隧道越宽扁，其围岩

20、变形历时越长，变形速率越慢；埋深越浅，变形速率越快，所以，浅埋隧道是监控量测的重点；围岩初期变形速率快，随着时间的推移趋缓，因此，如后期监测到变形速率加快，是反常现象，应及时采取措施抑制变形。位移变形完成量分析位移变形完成量分析实测实测位移变形完成量分析位移变形完成量分析实测实测距掌子面距离超过3B，围岩基本稳定；受围岩条件、支护条件、施工进度、外部因素等作用，围岩变形的速率差别很大，各监测断面稳定时与掌子面距离差别较大；与有限元理论计算结果相比，围岩收敛时与掌子面距离实测结果更小；相对拱顶沉降和周边收敛项目，地表沉降监测到的数据规律性更强一些，这主要是因为地表沉降观测几乎不受施工影响之故，而

21、且与可以在开挖断面未通过监测断面时即可获得初始值有关；从总体平均上看，实际监测数据与理论计算值很接近。理想状态下，设计预留变形量刚好等于设计支护条件下围岩的变形U，则开挖过程中，当监测断面距掌子面1B时完成0.5U变形，总量变形超过0.5U则意味着不安全，类似地，距离2B时不宜超过0.75U；距离3B时不宜超过0.85U；（46）B时，不宜超过U。位移控制标准及管理等级位移控制标准及管理等级3mm做为稳定评判理由 隧道位移变形监测不确定度为2.64mm；工程实践中，变形速率在3mm以内，未见坍塌事故。10mm/d为采取特殊措施的临界值理由摇前隧道曹源隧道YK244+655临界破坏水平收敛值曹源

22、隧道ZK244+715地表沉降观测资料内力控制标准内力控制标准钢支撑和锚杆轴力应小于各自材料的容许应力；围岩、喷层、二衬及其之间的内力，可按公路隧道设计规范（JTG D70-2019）第9.2.4规定的安全系数进行判定。爆破振动控制标准爆破振动控制标准地表沉降控制标准地表沉降控制标准隧道环境控制标准隧道环境控制标准结论在监控量测项目选择上，围岩差（级）的隧道应以监测变形为主，围岩好（级）的则以监测围岩压力为主。必测项目建议为地质和支护状况观察、拱顶下沉、水平周边收敛和浅埋隧道的地表沉降。原必测项目锚杆或锚索内力及抗拔力分为锚杆抗拔力试验和锚杆或锚索内力两项，前者做为质量控制项目，后者做为选测项

23、目。连拱隧道和小净距隧道应进行后行洞爆破振动监测、中夹岩的弹性波测试。及时埋设测点和制定方案是做好监控量测工作的重要前提，测点应按技术要求制作、埋设，方案应切实可行，确定监测项目、监测断面、监测频率、反馈机制等。重视并细化地质和支护状况观察，以勤测为原则，及时采用各种方法处理数据，判断围岩稳定性，及时反馈。鼓励激光断面仪等先进设备应用到隧道监控量测中。不追求高精度采集数据，位移量测精确到毫米级即可。结论工程实践监测数据表明：围岩变形随围岩级别的提高，总量减小，收敛时间缩短；隧埋深的增长，变形减小，隧道断面尺寸效应减小，且围岩变形差异极大，少部分却是大变形的数据是我们关注的重点。由于围岩支护系统

24、是一个开放的复杂巨系统，围岩的容许极限位移差异大，存在不确定性，现行判定围岩稳定的允许位移相对值存在不足。考虑到隧道设计中采用的预留变形量是根据国内外监测资料总结而来，且在复合式衬砌隧道设计中经过验算，具有一定的理论基础，建议采用公路隧道设计规范预留变形量做为监控量测的位移控制总量，即允许位移值U。该值体现的意义主要在于判断支护参数是否合适，保证围岩不侵界，而非用于判断围岩是否稳定的主要依据。结论在隧道变形空间效应上，有限元理论计算与工程监测资料符合较好，表明：隧道变形速率与围岩级别关系最大，距掌子面1B、2B、3B时变形分别完成总量的50%、75%和85%，（4-6）B基本收敛，因此，开挖过程中，当监测断面距掌子面1B、2B、3B、（4-6）B时该断面围岩变形总量不宜超过0.5U、0.75U、0.85U和U。采用变形速率为主，变形加速度为辅的方式判断岩稳定性，具体指标为：变形速率小于3mm/d，可正常施工；居于（310）mm/d应加密观测，加强支护；大于10mm/d时，应停止施工，采取特殊措施加固。谢谢！谢谢！敬请批评指正敬请批评指正