隧道围岩监控量测技术

隧道围岩监控量测技术

摘要:监控量测是新奥法施工的重要组成部分，是确保隧道施工安全的信息化手段。掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈到施工作业，通过对围岩和支护的变位、应力量测，通过回归分析，及时提供准确数据和可靠预测，修改支护系统设计;对己开挖、支护段的力学状态进行评价，在有险情时及时采取必要补救措施。关键字:隧道，围岩，监控量测，技术

引言

现场监控测量是通过对围岩和支护体系的稳定状态进行监测，为隧道初期支护和二次衬砌参数的调整提供依据，是隧道新奥法施工的重要组成部分。我国高速公路建设中越来越多的采用新奥法施工，新奥法思想是把坑道周围岩体和各种支护结构作为一个完整支护体系的一种支护理论和方法，打破了围岩荷载完全由支护结构来承担的传统矿山法施工的思想。新奥法施工其主要的出发点是最大限度地保持和发挥围岩的自承能力，允许围岩产生局部应力松驰，也允许作为承载环的支护结构有限制的变形。通过监控量测来决定围岩和支护结构的承载--变形--时间特性，不仅能指导施工、预报险情、确保安全，而且还能通过现场监测获得围岩动态和支护工作状态的信息(数据)，为修正和确定初期支护参数、二次衬砌支护时间提供信息依据，还能为隧道工程设计与施工积累资料，为今后的设计和施工提供类比依据。

1.监控量测目的和意义

隧道现场监控量测(主要指施工阶段)，包括隧道控制量测和监控量测。控制量测主要是检查隧道中线和净空端的位置与尺寸是否符合设计要求；监控量测主要是使用各种量测仪表和工具，对围岩变化情况及支护结构的工作状态进行量测。主要包括：

（1）掌握施工过程中围岩和支护的动态信息并及时反馈，指导施工作业。

（2）通过对围岩和支护的监测，对施工方案进行合理的优化。

（3）通过对量测数据的分析处理，掌握地层稳定性变化规律，预见事故和险情，作为调整和修正支护设计和施工方法的依据，提供上层和支护衬砌最终稳定的信息。

（4）提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据，确定二次衬砌施作时间。

（5）验证预先对施工影响的范围内的地表沉降进行的评估和施工方案的合理性，为今后类似工程施工作参考。

对隧道施工过程中进行监控量测具有重大经济意义和实际应用价值。因为通过现场量测能够迅速准确地获取第一手有关围岩力学动态和支护状态的实际量测数据资料，通过对这些资料的数理和力学分析，来判断围岩和支护结构体系的稳定性及工作状态，从而选择和修正支护参数指导施工，同时能及时掌握施工过程中出现的各种情况，对可能出现的事故进行防范，以防事故发生。

2.隧道施工监控量测的主要内容

2.1必测项目

是为了在设计施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测，包括围岩地质和支护描述、地表沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测。其量测方法简单、量测密度大、量测信息直观可靠，贯穿于整个施工过程中，对监视围岩稳定、指导设计和施工有巨大的作用，土建施工完成量测工作亦告结束。其布置根据每座隧道小同的地质条件、施工方法而变化，但小能少于《公路隧道施工规范》（JTJ042-94）的规定。

(1)地质和支护状态观察

主要对开挖后的掌子而和初期支护结构的支护效果进行目测。每一循环进行一次工作而观察；对成洞地段的初期支护循环一次，连续至二次衬砌施作时，特殊情况需加密观察掌子而观察内容主要包括地质水文条件、岩性、结构而产状、有无断层，是否偏压、围岩类别，掌子而自稳清况，地下水的影响情况等；初期支护效果观察的内容主要有锚固效果、喷层光洁度、喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度喷层是否把钢支撑全部覆盖。

（2）周边位移量测

周边位移量测又称收敛量测，是隧道施工监控量测中最常见、最方便、最实用的量测项目。量测目的主要是为了判断隧道空间的稳定性，根据变位速度判断围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的施作时机；通常采用机械收敛计或数显收敛仪（仪器精度0.01 mm）。

量测间距一般情况下在洞口段和理深小于2B的地段，间隔5m——10m一个量测断而，其余地段每隔5 m——100m设一个断面。量测频率如表1所示，但通常应根据监控量测数据变化情况而定随着围岩渐趋稳定，量测次数可酌情减少，反之增加根据收敛速度判别，一般地段收敛速度大于5mm/d时，围岩处于十急剧变化的状态；收敛速度小0.1mm/d——0.2mm/d时，围岩基本达到稳定，位移收敛变形稳定两周后结束测量。

表1.净空位移和拱顶下沉测量频率

位移速度距工作面距离量测频率备注

>10mm/d 0——1B 1次/d——2次/d

B为隧道开挖宽度10mm/d~5mm/d 1B——2B 1次/d

5mm/d~1mm/d 2B——5B 1次/2d

<1mm/d >5B 1次/周

（3）拱顶下沉

量测的日的主要是判断支护效果，指导施工，保证施工质量和安全；通常采用双精度水准仪，量测间距、频率与周边收敛量测基本相同（见表1）。当拱顶下沉速度小于0.07 mm/d——0.15mm/d时认为其基本稳定两周后可结束测量。

（4）地表下沉量测

量测目的是分析隧道洞口及地段边坡的稳定与浅理隧道开挖时引起的地表

沉陷的关系量测仪器常采用精密水准仪(精度±0. O1 mm)。量测间距根据坡度及理深而定。测点沿纵向布置见表2,量测频率及结束标准与开挖而距量测断而距离有关，通常d< 2B, 2次/d；2B < d < 3B, 1次/d；d >5B， 1次/周；进入深埋段100m后停止量测。

表2.测点沿纵向布置

埋深H 地表测量间距/m 备注

H>2B 20——50

B为洞室开挖宽度B

H

2.1选择项目

包括围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与喷射混凝土间接触压力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次衬砌内应力量测、钢支撑内力量测、衬砌裂缝及表而应力量测。这类量测是必测项目的拓展和补充，对代表性的地段进行量测，以便深入地掌握围岩稳定状态与支护效果，对未开挖地段提供参考信息、指导未来设计和施工。

表.3选择测量项目及方法

项目方法、工具布置

围岩压力及两侧支护间

压力各种类型压力盒

每个代表性地段设一个

断面，每个断面至少15

个测点

钢拱架支撑内力支柱压力计或测力计支撑底部，每10榀设一

个

锚杆抗拔力各类锚杆测力计及拉拔

器

每10m一个断面，每断面

至少3根锚杆

围岩内部位移（洞内设

点）洞内钻孔中安设单点、多

点杆式或钢丝式位移计

每20米一个断面，每断

面2~11个测点

支护、衬砌内应力，表面混凝土内应变计、应力代表性地段量测，每断面

应力及裂隙量测计、压力盒宜为11个测点

选择项目安装埋设比较麻烦，量测项目较多、时间长、费用较大，但工程竣工后还可以进行长期观测。根据本工程的具体情况，采用较少的量测项目、较大量量测断而的原则，全面了解支护效果，正确指导设计施工。施工单位按施工图要求自主量测，监控量测项目部选择主要项目平行量测。

3.监控量测的实施

3.1监控量测施工流程

表4.监控量测施工流程

3.2量测方法及断面测点布置

（1）拱顶下沉量测和水平收敛量测。一般使用水准仪、电子水平尺、收敛计等按照设计要求布置、量测。

（2）围岩内部位移量测。围岩内部位移测孔一般是沿隧道围岩周边，例如分别在拱顶、拱腰和边墙共设5个(连拱隧道单洞为4个)测孔，孔深3.7—5m，孔径为50mm。多点位移计分电测式位移计和机械式位移计，一般采用5点杆式多点位移量测，一个断面共25个测点(连拱隧道单洞为20个)。

（3）锚杆轴力量测。锚杆轴力量测沿隧道周边，例如在拱顶、拱腰和边墙设5个(连拱隧道单洞为4个)测孔，孔深3.7—5m，孔径为50mm。一个测孔内设4个传感器，每个断面20个(连拱隧道单洞为16个)测点。隧道锚杆轴向力量测

方法有电测法和机械法，它们都是通过量测锚杆，先测出隧道围岩内不同深度的应变(或变形)，然后通过有关计算转求应力的量测方法。考虑量测方便，一般多采用电测法的钢筋计量测。

（4）喷射混凝土应力量测。经常采用量测喷层切向应力的方法，主要有应力（应变）计量测法和应变砖量测法。应力（应变）计量测法是通过钢弦频率测定仪测出应力计受力后的振动频率，然后从事先标定出的频率-应力曲线上求出作用在喷层上的应力。

喷层应力计的埋设方法为：围岩初喷以后，在初喷面上将应力计固定，再复喷，将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央，方向为切向。待喷射混凝土达到初凝时开始测取读数。量测断而上应力计的布设位置为：沿隧道的拱顶、拱腰和边墙在喷射混凝土内共埋设5个（单洞）。

（5）二次衬砌应力量测。二次衬砌应力量测与喷射混凝土应力量测相同，应力传感器埋设在二次衬砌混凝土内，单洞一个断面5个测点。量测断面的测点布置位置及每断面应力计数量与喷射混凝土应力量测相同。

（6）围岩与喷射混凝土及喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测。围岩压力及接触压力量测常采用双膜钢弦式压力盒，其量测原理是将应力、应变、荷载以及其他参数测量的参数转变为频率进行量测，故具有抗干扰能力强、坚固耐用的优点，适合长距离传送。围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在喷混凝土施工以前埋设，喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安装，分别测取围岩对喷射混凝土压力，喷射混凝土对二次衬砌的压力，埋设方向均为法向。混凝土达到初凝强度以后开始测取读数，量测断面与周边位移量测在同一断面上。

（7）钢架应力量测。型钢钢架、格栅钢架应力量测仅限于Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，采用钢筋计量测，把钢筋计焊接在钢架上，量测钢架内力，钢架安装完以后即可测取读数。量测断而的测点布置位置与喷射混凝土应力测点布置位置相同，单洞每个断面5个测点。

（8）衬砌裂缝及表而应力量测。采用手持应变仪量测衬砌表面应力和衬砌裂缝，重点是连拱隧道中隔墙的表而应力，根据需要检测。

3.3测试要点

（1）洞内外地质和支护状况观察。洞内主要观察工作面状态、围岩变形、风化变质情况、节理裂隙、断层分布和形态、地下水情况以及初期支护效果。观察后及时绘制地质索描图，填写工作面状态记录表和围岩类别判定卡。对己施工区段喷混凝土、锚杆、钢架的状况每天至少观察1次；洞外观察包括对洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定以及地表水渗透等的观察。

（2）地表下沉。隧道洞顶地表沉降在隧道尚未开挖前就开始进行，借以获

得开挖过程中全位移曲线。地表沉降监测可采用普通水平仪，配合水平尺进行，测点和拱顶下沉量测布置在同一断面上。

（3）周边位移、拱顶下沉量测。周边位移选用JSS30- 10/15A型数显式收敛仪及专用测点量测，拱顶下沉量测采用精密水准仪配合水准尺、钢尺进行，两者在同一量测断而内进行。

量测断面布置间距及量测频率一般情况按设计要求办理，洞口段、断层破碎带或围岩发生变化处，加密布置。测点在避免爆破破坏的前提下尽可能靠近工作而布置，一般为0.5—2m，并在下次爆破循环前获得初始数据。

4.测量数据整理

4.1各项量测所观察到的数据及时进行整理，并绘制下列曲线

1.净空位移(拱顶下沉和周边位移)量测

（1）绘制位移（u）——时间（t）关系曲线；

（2）绘制位移（u）——距开挖而距离（l）关系曲；

（3）绘制位移速度（z）——时间（t）关系曲线。

2.地表下沉量测

（1）绘制地表下沉位移（u）——时间（t）关系曲线；

（2）绘制地表下沉位移（u）——距开挖面距离（l）关系曲线。

3.围岩内部位移量测

（1）绘制孔内各测点(l

1 ,l

2

, ……)位移（u）——时间（t）关系曲线；

（2）绘制不同时间（t

1，t

2

，……）位移（u）——测点深度位置（l）关系

曲线。

4.围岩压力量测

（1）绘制围岩压力（应力σ）——时间（t）关系曲线；

（2）绘制围岩压力了应力σ）——距开挖面距离（l）关系曲线。

5.锚杆轴向力量测

（1）绘制不同时间(t

1 ,t

2

, ……)锚杆轴力（应力σ）——深度（l）关系

曲线；

（2）绘制各测点((1 ,2, ……)轴力（应力σ)——时间（t）关系曲线。4.2数据处理

（1）根据所绘各曲线的变化情况与趋势，判定围岩的稳定性，及时预报险情，确定施工时应采取的措施，提供修改设计参考依据。

（2）当隧道喷射价出现大量的明显裂缝或隧道支护表面任何部位的实测收敛值已接近允许值且收敛速度无明显下降时，应及时根据实测值找出回归方程，绘出回归曲线，由回归方程推算最终位移值。若最终位移值接近或超过净空允许相对收敛值时，应立即采取补强初期支护措施，并改变支护设计参数。

5.量测的管理

（1）项目经理部成立隧道监控量测领导小组，建立以项目总工任组长，工程技术部部长为副组长，量测监控中心专职负责，队技术组参加的管理体系;并于工程技术部中专门设立了量测监控中心，以加强隧道监控量测工作管理力度。量测监控中心负责日常量测、数据处理、仪器保养维修工作及数据的信息反馈，量测监控中心负责人专职检查落实，队技术组设专职量测小组，每小组人员6—8人，负责测点埋设，配合项目部进行日常量测工作。

（2）量测小组负责测点埋设、日常量测、数据处理和仪器保养维修工作，做到“三勤、一及时”，即量测勤、数据勤、分析勤，并及时将量测信息反馈于施工和设计，指导施工。

（3）施工前据围岩条件、支护类型参数、施工方法及所确定的量测目的专门制定详细的监控量测计划，与实施性施工组织设计同时提交给监理工程师。计划中包含量测内容、方法、使用仪器、测点布置、量测频率、数据处理、量测人员及其负责人，并经监理工程师批准后执行。

（4）施工时要及时埋设测点，下沉测点及收敛测点尽量布置在同一断面上。各预埋测点要牢固可靠，设置专用标识牌，标明测点的名称、部位、编号、埋设日期等，易于识别并妥善保护，并教育所有进洞人员不得随意撤换和破坏。

（5）爆破开挖后立即进行工程地质和水文地质状况的观察记录，并进行地质描述。地质变化处和重要地段，有照片记录。初期支护完成后进行喷层表而的观察和记录，并进行裂缝描述。

（6）整理量测资料做到认真、及时、完整、准确；服从监理工程师的指令，无条件认真配合其工作，定期向监理工程师。

6.小结

（1）地质超前预报工作能准确判定开挖前方工程地质、水文地质情况、围岩类别，提出施工注意事项和施工方法建议等，是隧道顺利施工的必要保障。

（2）拱顶下沉和水平收敛量测断而间距需根据围岩类别确定:Ⅳ类及以上围岩>40 m；Ⅲ类围岩>20 m；Ⅱ类围岩<20 m。在围岩变化处需加密。当发生较大涌水时，Ⅱ、Ⅲ类围岩量测断而的间距缩小至5——10 m 。

（3）净空允许相对收敛值是以无量纲数(最大位移值/洞跨度)来表小的，硬岩地段取表中的上限值，软岩地段取表中的下限值。施工中通过实测和资料积累需对表中数值作适当修正。

（4）地表下沉量测断面的各观测点，至少在开挖工作面到达前18m埋设完毕并获取初始读数。

（5）通过监控量测判断隧道施作二次初砌的合适条件：①周边位移速率有

明显减缓的趋势；②水平收敛（拱脚附近）速度<0.1——0.2 mm/ d，或拱顶速度<0.07——0.15mm/ d；③收敛量已达总收敛量的80——90% ；④初期支护表而没有再发展的明显裂缝。⑤当围岩条件差、变形过大或初期支护破损变形较大时，需进行支护结构内的应力及接触应力量测。

7.结语

实践证明，现场监控量测能够获得围岩在开挖和衬砌后的动态变化，不仅可以指导施工，为调整设计和施工方案(爆破技术参数、支护时间、支护方法及衬砌形式等)、预报险情提供信息，为以后同类隧道设计与施工积累了第一手资料，还可以节省投资，达到科学设计和施工的日的。监控量测在隧道施工过程中是非常关键的，其中所运用的工程测量知识也是丰富的。利用现有的设备资源开展好此项工作，不仅有利于节约成本，而且有利于发挥每件设备工具的最大效能、丰富监控量测的手段方法。

参考文献

【1】《隧道工程试验检测技术》，陈建勋，马建秦，人民交通出版社，2005.1 【2】《隧道施工》，于书翰，杜谟远，人民交通出版社

【3】《公路隧道监控量测技术的探讨》，张笑然，桥涵工程

【4】《破碎围岩隧道监控量测方案设计》，邵国强，山西建筑，2007.5