隧道施工监控量测与技术方案

漳永高速公路漳州华安（玉兰）至新圩及漳州华安段A6标

隧道施工监控量测与

地质超前预报技术方案

交通运输部公路科学研究所

2013年2月

目录

第1章项目概述 (1)

1.1 项目规模 (1)

1.2 SJ2标段A6标隧道概况 (1)

第2章施工监控量测技术方案 (3)

2.1 施工监控量测总体方案 (3)

2.1.1 编制依据 (3)

2.1.2 监控量测目的 (3)

2.1.3 监控量测内容 (4)

2.1.4 监控量测流程 (5)

2.2 各监测项目的具体量测方法 (6)

2.2.1 洞内外观察 (6)

2.2.2 周边收敛 (7)

2.2.3 拱顶下沉 (10)

2.2.4 地表下沉 (12)

2.2.5 围岩压力 (14)

2.2.6 初期支护喷射混凝土应力 (15)

2.2.7钢支撑内力及所受的荷载 (16)

2.2.8 二次衬砌混凝土应力 (17)

2.2.9 爆破振动波速 (17)

2.2.10 其它 (18)

2.3数据分析与信息反馈 (18)

2.3.1 总体要求 (18)

2.3.2 数据采集要求 (19)

2.3.3 量测数据分析 (19)

2.3.4 信息反馈与监控 (20)

2.3.5 信息预报与报警 (23)

2.3.6 成果提交 (24)

第3章超前地质预报技术方案 (25)

3.1 超前地质预报技术要求 (25)

3.2 超前地质预报的重点 (25)

3.3隧道超前地质预报工作流程 (26)

3.4隧道超前地质预报方案 (26)

3.5 数据分析与信息反馈 (29)

3.6提高隧道超前地质预报准确率的措施 (30)

第4章现场监控流程 (32)

第5章总体实施思路与承诺 (34)

5.1 实施思路 (34)

5.2 服务承诺 (34)

第6章项目组织 (36)

6.1 组织机构设置 (36)

6.2 项目人员组成 (36)

6.3 拟投入本项目监控仪器、设备一览表 (37)

第1章项目概述

1.1 项目规模

漳州至永安高速公路是海西高速公路网规划的重要联络线，该联络线包含漳州华安（玉兰）至新圩段与漳州华安段两个区段。

漳州华安（玉兰）至新圩段：项目起点位于漳州市华安县丰山镇玉兰村，顺接厦成高速公路漳州段玉兰枢纽互通终点，沿线经丰山、潭口、汰口、沙建、下樟、天宫至项目终点新圩互通，路线全长34.320公里，按双向四车道高速公路标准建设，全线设计行车速度80km/h，路基宽度24.5米。主要工程量有土石方1509.49万m3、隧道8.8975km/7座、桥梁7.2317km/26座、涵洞71道、通道22处等。

漳州华安段：项目起点位于漳州市华安县新圩镇，顺接漳永高速公路华安（玉兰）至新圩互通终点，沿线经新圩、红旗山、罗溪、华安县城，再经关田隧道进入龙岩境，经石门岭至坪山村重新进入漳州境，跨浙溪至项目终点小杞（漳州市与龙岩交界处），路线全长32.876公里（其中漳州境内24.262公里），按双向四车道高速公路标准建设，全线设计行车速度80km/h，路基宽度24.5m。沿线设华安互通式立交一处、华丰服务区一处，隧道7.449km/3座、桥梁6.643km/23座，涵洞31道、通道2处等。

1.2 SJ2标段A6标隧道概况

漳永高速公路漳州华安（玉兰）至新圩及漳州华安段隧道监控量测及超强地质预报SJ2标段A6标段包含大湖底隧道、青良山隧道，共计2座隧道。各隧道基本信息详见表1-1：

表1-1 隧道基本信息表单位：（m）

（1）大湖底隧道

基本情况：隧道左线起讫桩号：ZK35+002～ZK36+008，长1006m；右线起讫桩号：

K35+005～K36+052，长1047m。隧址区属丘陵地貌，地形起伏较大。隧道范围内中线高程80m～312m，最大高差约232m，山体自然坡度15°～40°，沟堑较发育，宽度较小，沿线地表植被发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。

岩性与地质构造：隧址区上覆为第四系坡积成因粉质粘土及残积成因砂质粘性土、砾质粘性土，下伏基岩为燕山期花岗岩，围岩级别为Ⅴ～Ⅲ级。隧址区位于尚卿-坂里褶皱带，根据区域地质资料及工程地质调绘及钻探、物探工作，未发现断裂构造通过。

水文地质条件：隧址区属地表水不发育，主要接受地下水或雨季雨水的补给。根据隧道内地下水的赋存条件、水理性质及水力特点，区内的地下水主要有风化带孔隙裂隙水和基岩裂隙水两种。

不良地质：隧址区未发现滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象；特殊性岩性主要为因球状风化引起的花岗岩孤石。

隧道施工作业：隧道施工按照新奥法组织实施，主要工序采用机械化作业。根据围岩级别和衬砌类型，明洞采取用明挖法施工，洞身开挖方法采取单侧壁导坑法、弧形导坑法、台阶法和全断面法等。

（2）青良山隧道

基本情况：隧道左线起讫桩号：ZK36+322～ZK38+796，长2474m；右线起讫桩号：K36+315～K38+814，长2499m。隧址区属丘陵地貌，地形起伏较大。隧道范围内中线高程84m～469m，最大高差约385m，山体自然坡度10°～40°，植被发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。

岩性与地质构造：隧址区上覆为第四系坡积成因粉质粘土、残积成因砂质粘性土，下伏基岩为燕山期花岗岩及三叠系下统溪口组硅质岩、砂岩，围岩级别为Ⅴ～Ⅳ级。隧址区发育一条正断层，与隧道交于Z6K37+160、K37+150处，断层产状为315°∠60°。

水文地质条件：隧址区地表水不发育，主要接受地下水或雨季雨水的补给，地下水主要为碎石类土中的孔隙水和基岩中的裂隙水。

不良地质：隧址区未发现滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象；特殊性岩性主要为因球状风化引起的花岗岩孤石。

隧道施工作业：隧道施工作业。隧道施工按照新奥法组织实施，主要工序采用机械化作业。根据围岩级别和衬砌类型，明洞采取用明挖法施工，洞身开挖方法采取单侧壁导坑法、弧形导坑法等。

第2章施工监控量测技术方案

2.1 施工监控量测总体方案

2.1.1 编制依据

本方案的主要编制依据如下：

1、《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）

2、《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)

3、《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）

4、《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）

5、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）

6、《铁路隧道锚喷构筑法技术规范》（TB 10108-2002）

7、《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）

8、《岩土工程用钢弦式压力传感器》（GB/T 13606-92）

9、《国家一、二等水准测量规范》（GB12879-91）

10、《国家三、四等水准测量规范》（GB12898-91）

11、《公路勘测规范》（JTJ 061-99）

12、《测绘产品检查验收规定》（CH1002-95）

13、《测绘产品质量评定标准》（CH1003-95）

14、《公路项目安全性评价指南》（JTG/T B05-2004）

15、《工程测量规范》（GB50026-2007）

16、《福建省高速公路施工标准化管理指南（隧道）》（省高指）

17、《漳永高速公路漳州华安（玉兰）至新圩段及漳州华安段隧道监控量测及隧道超前地质预报项目SJ2合同段招标文件》

18、《漳永高速公路漳州华安（玉兰）至新圩段及漳州华安段隧道监控量测及隧道超前地质预报技术服务招标SJ2合同段补遗书（第1号）文件》

19、其他与本工程相关的国家现行技术规范、规程

2.1.2 监控量测目的

由于隧道属于地下工程，我们对隧址区地质状况的勘探技术与认识有限，因此如果隧

道设计与施工不当，极易造成围岩失稳，甚至可能引发大规模塌方，给工程带来不可弥补的经济损失以及不良的社会影响。另外，公路隧道开挖断面较大，结构受力复杂，且施工工序较多，因此对结构设计和施工都提出了很高的要求。这就要求对隧道的施工全过程进行新奥法施工监测。

A6标段隧道工程地质构造及地层岩性较为复杂，隧道在施工过程中存在一定的安全隐患，需要及时掌握围岩和支护的动态信息，以保证隧道施工的顺利进行，因此有必要对隧道施工过程进行全面、系统的监控量测。

实时监控量测不但可以及时提供隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩内部位移、钢支撑受力、锚杆轴力、支护和衬砌内应力等信息，用于判断设计参数的合理性及施工的可行性，并给出相应的隧道施工建议。因此实施隧道信息化动态施工控制，既能达到安全快速施工，又能达到节省工程造价的目的。

2.1.3 监控量测内容

隧道施工监测旨在收集施工过程中围岩的动态信息，判定隧道围岩-支护体系的稳定状态，以及支护结构参数和施工方法的合理性。现场监控量测根据其量测目的、量测手段等不同，在实际工作中，常将量测项目分为必测项目和选测项目两大类。

A6标段必测项目包括洞内外观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉；选测项目包括围岩压力、初期支护喷射混凝土应力、钢支撑内力及外荷载、二次衬砌混凝土应力、爆破振动。具体见表2-1、2-2所示。

表2-1 隧道施工监控量测的必测项目

注：b—隧道开挖宽度；h0—隧道埋深。

表2-2 隧道施工监控量测的选测项目

注：b—隧道开挖宽度；h0—隧道埋深。

2.1.4 监控量测流程

隧道监控量测流程如图2.1所示：

图2.1 隧道监控量测流程图

2.2 各监测项目的具体量测方法

2.2.1 洞内外观察

（1）监测目的

通过高频率地观察实际揭露的隧道掌子面地质情况，识别隧道实际围岩状态，分析隧道掌子面的稳定状态，预测前方隧道围岩情况，并提出必要的预警；通过观察隧道洞内初期支护和洞外地表岩土体的状态，及时发现各种异常现象并进行跟踪观察，评价初期支护和洞口边、仰坡的稳定性。

（2）监测内容与方法

掌子面地质观察采用目测、地质锤、罗盘、数码相机等进行观测，绘制掌子面地质素描，记录围岩的岩性、产状、节理等详细特征，断层、破碎带等不良地质特征，地下水的水量、分布、压力、类型等特征，填写掌子面地质观察记录；初期支护状态采用目测观察为主，对初期支护喷砼、钢支撑、锚杆等出现的外鼓、裂缝、剥落、扭曲等异常现象，用数码相机、塞尺、卷尺等进行跟踪观测并做好原始记录；对洞外边坡、仰坡和浅埋段地表出现的裂缝、滑移、隆起或凹陷等现象，用数码相机、塞尺、卷尺等进行跟踪观测并做好原始记录。

（3）监测频率

每次爆破后进行掌子面地质情况观察；每天至少进行一次隧道洞内初期支护和洞外地表观察。掌子面地质素描记录频度如下：Ⅴ级围岩小于10m；Ⅳ级围岩小于20m；Ⅲ围岩小于30m；Ⅱ级围岩小于40m。

（4）成果整理与分析

1）通过掌子面地质观察，分析围岩稳定状态，评估出现局部掉块、塌方、涌水等灾害出现的可能性，判断实际揭露围岩条件与设计是否相符。出现异常情况，第一时间通报施工方，及时指导施工，并将异常情况、相关建议汇报业主和监理。

2）编制隧道实际地质状况系列图册，参考前期勘察资料，预测前方围岩状态，及时向施工方预报前方围岩状况。

3）对初期支护、洞外边仰坡和浅埋段地表出现的异常情况，分析出现异常情况的原因，根据具体原因、问题的严重性向施工方、监理和业主汇报，并提出处理建议。

4）针对初期支护、洞外边仰坡和浅埋段地表出现的异常情况，开展跟踪监测，绘制空间分布图和时间发展曲线，预测发展趋势，及时预警。

2.2.2 周边收敛

（1）监测目的

隧道周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。通过计算周边位移和预测最终位移值，为二次衬砌浇筑选择最佳时机；为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。

（2）量测方法

隧道周边位移采用数显收敛计进行量测，两次测量之差即为周壁两点在该时间间隔内

收敛值（如图2.2）。特殊情况下周边收敛也可通过全站仪测量后计算得到。

图2.2 周边收敛侧线量测

（3）测点布设与测试频率

1）测点布置：SJ2合同段隧道采用不同开挖方法时周边位移测点布置方案如图2.3～2.5所示。

图2.3 CD法测线布置图图2.4 台阶法或弧形导坑法测线布置图

图2.5 全断面法测线布置图图

2）断面布置：Ⅴ级围岩小于20m；Ⅳ级围岩不大于25m；Ⅲ级及以上围岩小于40m。围岩变化处及渗水量较大时适当加密。

3）量测频率：量测频率根据位移发展速率和量测断面距离掌子面距离取最高频率。位移发展速率、量测断面距离掌子面距离与量测频率的关系如表2-3、表2-4。位移达到稳定标准后，停止观测；如发现异常情况，恢复每天观测1～2次；如位移持续大幅发展，根据工程具体情况，采用隧道位移实时监测系统实时监测。

表2-3 按位移速率确定周边位移和拱顶下沉的量测频率

注： b表示隧道开挖宽度。

（4）成果整理与分析

1）每次观测后现场计算位移发展增量，出现异常情况，重新测量排除操作失误后立即报告相关部门。

2）每次测回数据交数据处理员输入计算机，进行位移增量、位移发展速率的计算，绘制位移-时间曲线（如图2.6）和位移发展速率-时间曲线（如图2.7），并应用回归分析和灰色预测等方法进行位移发展短、长期预测。

3）根据分析结果，判断隧道变形管理等级（如表2-5）、隧道允许变形量（如表2-6），出现非正常情况，立即向相关部门报告。

4）当隧道周边收敛速度以及拱顶下沉速度明显下降，隧道周边位移收敛速度小于每天0.2mm或拱顶下沉位移速度小于每天0.1mm，隧道位移相对值已达到位移总量的80％以

上时，向有关部门报送二次衬砌施作报告。

图2.6 位移-时间曲线 图2.7 位移发展速率-时间曲线

表2-5 围岩变形管理等级

注: 0U －实测变形值；n U －允许变形值。

表2-6 隧道周边允许相对收敛值(%)

注: （2）硬质围岩隧道取表中较小值，软质围岩隧道取表中较大值； （3）拱顶下沉允许值一般可按本表数值的0.5～1.0倍采用； （4）本表所列数值在施工中可通过实测和资料积累作适当修正。

2.2.3 拱顶下沉

（1）监测目的

隧道拱顶下沉直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性，通过拱顶下沉量测为隧道支护结构稳定性分析提供依据，为二次衬砌浇筑选择最佳时机；为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。

（2）量测方法

隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各2m处设置螺纹钢筋，端头磨平。在断头贴上带有十字丝的反射贴片。测量时，将全站仪在合适的位置设站，然后利用强光手电照向拱顶测点，用全站仪瞄准拱顶反射贴片上的十字丝，测量并获取读数。通过比较测点和已知点高程变化，得到拱顶下沉的情况（如图2.8）。

图2.8 拱顶下沉量测

（3）测点布设与测试频率

1）测点布置：拱顶下沉量测与周边收敛量测在同一量测断面内进行，拱顶下沉测点布置与安装如图2.9～2.10所示。

图2.9 拱顶下沉测点布置示意图图2.10 拱顶测点安装图

2）断面布置：Ⅴ级围岩小于20m；Ⅳ级围岩不大于25m；Ⅲ级及以上围岩小于40m。围岩变化处及渗水量较大时适当加密。

3）量测频率：量测频率与数据处理分析同隧道周边收敛。

2.2.4 地表下沉

（1）监测目的

通过量测，判断隧道开挖对洞口边仰坡、浅埋地面是否产生显著影响，分析该影响的范围、程度及其与隧道施工的时空关系，进而判断隧道施工的安全性和隧道施工对地面边仰坡的稳定性、地表建筑物的影响。

（2）监测方法

地表下沉采用精密水准仪和塔尺进行测量。测点布置如图2.11～2.14所示：在每个横断面上，单洞隧道布置9～11个测点，两测点间的距离为2～5m，测点中间密，两侧稀。当隧道围岩条件特别差或者隧道上部有重要建筑物时，可根据情况加密测点。在监测范围以外3～4倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观测点的下沉量。

图2.11 地表下沉测点横断面布置示意图

图2.12 地表下沉量测范围示意图

图2.13 地表下沉量测图2.14 用于地表下沉量测的棱镜

（3）量测频率

地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。

1）量测断面间距：按表2-7执行。

表2-7 地表下沉量测断面的间距

注： 1.无地表建筑物时取表内上限值；2. B表示隧道开挖宽度。

2）观测频率：按表2-8要求执行。

表2-8 地表下沉测量频率

注： B表示隧道开挖宽度。

（4）成果整理与分析

1）每次观测后现场计算位移发展增量，出现异常情况，重新测量排除操作失误后立即报告相关部门。

2）每次测回数据交数据处理员输入计算机，进行位移增量、位移发展速率的计算，绘制位移—时间曲线和位移发展速率—时间曲线，并应用函数拟合和灰色预测等方法进行位移发展短、长期预测。

3）绘制地表下沉横向分布曲线，分析隧道开挖对地表的影响范围和程度。

4）绘制地表下沉纵向分布曲线，分析隧道开挖在隧道轴线方向的影响范围及程度。

5）根据隧道开挖对地表的影响范围和程度，提出能够保证隧道施工安全的合理工艺参数、地表下沉控制措施等建议，上报有关部门。

2.2.5 围岩压力

（1）监测目的

围岩压力量测旨在测定特定条件下隧道围岩、初期支护、二次衬砌三者之间的应力水平、压力关系，以及获取应力、压力的时间发展关系，以分析量测区段受隧道施工、上部扰动等各种因素的影响情况，进而评价围岩和支护结构的稳定性。

（2）监测方法

围岩压力量测一般采用压力盒测量，围岩与初支之间压力盒埋设先用水泥砂浆或石膏把压力盒固定在岩面上，再谨慎施作喷砼层。不应使喷砼与压力盒之间有间隙，保证围岩与压力盒受压面紧贴。初支与二衬之间压力盒通常采用挂布法用无纺布将压力盒固定在初支表面，保证无纺布松弛不宜过紧，浇筑混凝土时保证通过混凝土的泵压力将压力盒与初支压紧。

（3）测点布设与监测频率

1）测点布置：围岩压力测点布置如图2.15所示。

2）断面布置：为掌握不同围岩条件下的围岩和支护衬砌结构力学特征，在每个围岩和衬砌类型区段内布设1～2个断面，做代表性测试。布设断面数总计27个。

3）观测频率：正常情况下，量测断面开挖后的第1～15天，每天观测1～2次；第16～30天，每2天观测1次；第1～3个月，每周观测1～2次；大于3个月，每月1～3次。当隧道变形、压力或应变出现异常值时，应提高观测频率。

图2.15 围岩压力测点布置示意图

（4）成果整理与分析

围岩压力量测是为了深入分析隧道结构的受力变形状态而实施的，因而，除采用常规分析外，还应进行全面的力学分析和安全评估：

1）每次量测现场计算压力、应力量值和变化情况，发现异常，重新测量排除操作误差后上报相关部门。

2）每次测回数据交数据处理员输入计算机，进行压力增量、压力（应力）展速率的计算，绘制压力～时间曲线和压力发展速率～时间曲线，并应用函数拟合和灰色预测等方法进行压力发展短、长期预测。

3）绘制压力空间分布曲线，分析隧道受力状态，评价隧道初期支护结构的安全性和经济性，提出隧道支护工艺和参数优化的合理建议；评价隧道衬砌结构的安全性，提出衬砌结构的参数优化建议。

4）针对浅埋段、偏压段、洞内塌方段开展的监测，除每次观测后提出短期、定性的分析报告外，每断面量测完全结束后，提交全面的分析与评估报告。

2.2.6 初期支护喷射混凝土应力

（1）监测目的

隧道初期支护喷射混凝土应力量测，可测试混凝土喷层的变形特性及应力状态，从而掌握喷层所受应力的大小，评价喷射混凝土层的稳定状况，优化支护参数。

（2）监测方法

对于喷射混凝土层应力的量测是将量测元件直接喷入喷层的，喷层在围岩逐渐变形过程中由不受力状态逐渐过度到受力状态。目前，经常采用的喷层量测元件为应力（应变）计量测法和应变砖量测法，本项目拟采用应力量测法。测点布置如图2.16所示。

图2.16 初期支护喷射混凝土应力测点布置示意图

（3）测点布设与监测频率、成果整理与分析同围岩压力。

2.2.7钢支撑内力及所受的荷载

（1）监测目的

隧道钢支撑内力及外荷载量测，可测试钢支撑受力大小，为钢架选型与设计提供依据；掌握钢支撑受力状态，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息，并评价钢支撑的支护效果。

（2）监测方法

每环型钢拱架布设钢筋计，分别沿钢架的内外边缘成对布设。安装前，在钢拱架待测部位并联焊接钢弦式钢筋计，在焊接过程中注意对钢筋计淋水降温，然后将钢拱架由工人搬至洞内立好，记录钢筋计型号，并将钢筋计编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避免在洞内被施工所破坏。测点布置如图2.17所示。

图2.17 钢支撑内力测点布置示意图

（3）测点布设与监测频率、成果整理与分析同初期支护喷射混凝土应力。

2.2.8 二次衬砌混凝土应力

（1）监测目的

隧道二次衬砌混凝土应力量测，可测试二次衬砌的受力状态，判断二衬结构长期使用的可靠性以及安全程度，检验二次衬砌设计的合理性，积累资料为经验类比提供依据。

（2）监测方法

对于钢筋混凝土衬砌一般采用钢筋应力计量测，把测点成对布设在具有代表性的断面的关键部位上，如拱顶、拱腰、拱脚等；对于素混凝土衬砌，主要受压，可以通过在素混凝土衬砌表面安装应变计，量测其表面应力。测点布置如图2.18所示。

钢筋混凝土素混凝土

图2.18 二衬内力测点布置示意图

（3）测点布设与监测频率、成果整理与分析同初期支护喷射混凝土应力。

2.2.9 爆破振动波速

（1）监测内容

爆破振动主要是测点的振动波速和振幅，根据监测结果调整和优化爆破参数。

（2）监测目的

爆破振动测试的目的是通过振动测试，了解隧道围岩在一定爆破条件及岩层、地质情况下的震动传播特征和衰减特性，进而利用适宜的数学方法分析震动波形得出衰减方程并预测震动强度，进而对衬砌结构及围岩达到有效的保护。

（3）监测方法