第7章隧道工程的检测与监测

1第七章隧道工程的检测与监测2本章主要内容§7-1地下隧洞工程信息化施工§7-2地下隧洞监测类型和方法§7-3现场量测方案设计§7-4量测数据的分析处理§7-5工程实例§7-6盾构法和顶管施工监测3普氏理论（荷载结构法）—假定抗力法—弹性地基梁法数值法（有限元法）—弹性解、粘弹性、弹塑性解新奥法隧洞施工—信息化施工的开始§7-1地下隧洞工程信息化施工(NewAustrianTunnelingMethod,NATM)4567§7-1地下隧洞工程信息化施工8§7-2地下隧洞监测类型和方法一、位移监测单点位移计多点位移计滑动式位移计精密水准仪量测。洞周表面或围岩不同深度的位移地表和拱顶下沉9§7-2地下隧洞监测类型和方法1．单点位移计单点位移计装置1—砂浆；2—锚杆体；3—连接杆；4—固定环；5—测头；6—外壳；7—定位器；8—测环；9—百分表10§7-2地下隧洞监测类型和方法2．多点位移计多点位移计按位移量测仪器的不同有机械式和电测式两类。机械式一般采用深度测微计、千分表或百分表，电测式采用的位移传感器常用的有电阻式、电感式、差动式和钢弦式等多种。(1)并联式多点位移计(2)串联式多点位移计(3)滑动式位移计11§7-2地下隧洞监测类型和方法并联式多点位移计锚固器位移测定器12§7-2地下隧洞监测类型和方法串联式多点位移计1—孔底固定装置；2—电感式位移传感器；3一钢套管；4一弹簧片；5—连接杆；6—电缆；7—导向管；8—孔口固定装置13§7-2地下隧洞监测类型和方法滑动式位移计14多点位移计布置图（a）鲁布革电站厂房；（b）十三陵蓄能电站主变室（c）小浪底电站主厂房；（c）日本乡下电站厂房15§7-2地下隧洞监测类型和方法二、收敛位移量测隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化称为收敛位移。收敛计类型及布置示意图1—测读表；2—重锤；3—钢卷尺；4—固定端；5—连接装置；6—张拉表；7—张拉弹簧；8—微型电机；9—控制器穿孔钢卷尺式收敛计铟钢丝弹簧式收敛计铟钢丝扭矩平衡式收敛计16§7-2地下隧洞监测类型和方法17§7-2地下隧洞监测类型和方法18§7-2地下隧洞监测类型和方法光测法示意图1—光测仪；2—反光镜；3—三棱镜；4—光束.19§7-2地下隧洞监测类型和方法三、压力量测地下洞室内部的压力支衬结构内部的压力围岩和支衬结构间接触压力应力计压力盒本节介绍第二章已介绍20§7-2地下隧洞监测类型和方法1.液压枕液压枕构造1—放气螺钉；2—钢球；3一放气嘴；4—枕壳；5—紫铜管；6—压力表；7—注油三通；8—六角螺母；9—小管座21§7-2地下隧洞监测类型和方法22§7-2地下隧洞监测类型和方法23§7-2地下隧洞监测类型和方法2．锚杆应力量测支护锚杆的应力量测原理通常是：锚杆受力后发生变形，采用应变片或应变计测量锚杆的应变，得出与应变成比例的电阻或频率的变化，然后通过标定曲线或公式将电测信号换算成锚杆应力。量测锚杆应力用的应变计主要有电阻式、差动电阻式和钢弦式几种应变计。24§7-2地下隧洞监测类型和方法电阻式锚杆应变计由内壁按一定间距粘贴有电阻片的钢管或铝合金管组成。也有直接采用工程锚杆，对粘贴应变片的部位经过特殊的加工，粘贴应变片后，经防潮处理并加密封保护罩制成。差动电阻式和钢弦式锚杆应变计是将应变计装入钢管或装入锚杆加粗段的槽孔中，然后与锚杆连接而成，一根锚杆上可连接多节，其中的钢弦式应变计由于环境适用性强，测读仪器轻巧方便，故可适用于不同地质条件和环境条件的锚杆应力观测。25§7-3现场量测方案设计作为工程监控手段的现场量测．其目的在于了解围岩的动态过程、稳定情况和支护系统的可靠程度，是直接为支护系统的设计和施工决策服务的，这是进行量测方案设计的基本出发点。现场量测方案设计的主要内容如下：(1)量测项目的确定，量测手段仪表和工具的选择；(2)施测部位和测点布置的确定；(3)实施计划的制定，包括测试频率的确定。26§7-3现场量测方案设计一、量测项目的确定确定原则：量测简单、结果可靠、成本低，便于施工单位采用，量测元件要能尽量靠近工作面安设。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。（位移、位移+应力和压力）量测项目应根据具体工程的特点来确定，主要取决于工程规模、重要程度、地质条件及业主财力。（岩体完整性差、地质条件变化较大的工程—隧洞前方岩体状况；地应力高的脆性岩体工程—岩爆的可能性或岩爆时间；浅埋隧洞—地表沉降和拱顶沉降。）27§7-3现场量测方案设计28§7-3现场量测方案设计隧洞工程监测：地表沉降、洞周收敛、拱顶下沉。29§7-3现场量测方案设计日本《新奥法设计技术指南(草案)》中的量测项目30§7-3现场量测方案设计二、量测手段和仪表的选择1.主要取决于围岩工程地质条件和测量的环境条件。(围岩的软硬、干燥无水与地下水发育，引伸计安装)2.估算各物理量变化范围，确定仪器的精度和分辨率。(软弱大洞室、硬岩洞室或小洞室、断面小变形大的洞室)位移计的选择：人工易测读部位—机械式位移计；反之—电测式位移计；特深孔（精度要求高）—串联式多点位移计；长期监测—精度较高的位移计。压力和应力测量元件选择：优先选用液压枕；坚硬岩石、应力梯度高—压力盒（尽量选用钢弦式压力盒和锚秆应力计，干燥隧洞可用电阻式或其他压力盒和锚杆应力计）。31§7-3现场量测方案设计不同用途的位移计精度等级和量程范围(水利水电行业)32§7-3现场量测方案设计三、量测部位的确定和测点的布置1.量测部位的确定(1)围岩稳定监控：重点监测围岩质量差及局部不稳定块体;(2)反馈设计、评价支护参数合理性：在代表性的地段设置观测断面；(3)在特殊的工程部位(如洞口和分叉处)，应设置观测断面。(4)观测点的安装埋设应尽可能靠近掌子面，最好不超过2m.(5)洞周收敛、拱顶下沉、多点位移计及地表沉降量测点应尽量布置在同一断面上。(6)锚杆应力和衬砌应力等测点最好布置在同一断面上，以使测量结果互相对照、相互检验。33§7-3现场量测方案设计(7)断面间距：视工程长度、地质条件而定。当地质条件情况良好或开挖过程中地质条件连续不变时，间距可加大，地质变化显著时，间距应缩小。在施工初期阶段，要缩小量测间距。取得一定数据资料后，可适当加大量测间距。在洞口及埋深较小地段，亦应适当缩小量测间距。在一般的铁路和公路隧道中，洞周收敛和拱顶下沉量测的断面间距根据围岩类别而定。地表沉降量测的断面间距与隧洞埋深和地表状况有关，当地表是山岭田野时，根据埋深断面间距定为：埋深h2D：20~50m；h=1~2D：10~20m；h1D：5~10m。锚杆应力和衬砌应力等，其量测断面的纵向间距可定为200~500m。34§7-3现场量测方案设计2．测点的布置形式35§7-3现场量测方案设计36§7-3现场量测方案设计压力盒和锚杆应力计应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，观测锚杆的长度应与工程锚杆相同。用于埋设压力盒的钻孔和观测锚杆的钻孔的布置形式与多点位移计的相似，通常在钻孔中布置3个或更多的测点。下页图是毛洞位移量测和衬砌后隧洞应力应变量测的典型布置的例子。37§7-3现场量测方案设计38§7-3现场量测方案设计四、观测及其频度的确定整个观测期间．应设立值班记录，详细记载值班期间的一切情况，包括施工进展情况、施工部位、施工工艺流程情况、气候环境、对隧洞的观察、隧洞内渗流水情况、喷射混凝土和衬砌上的裂缝开展情况等。各量测项目通常的观测频度为：在洞室开挖或支护后的半个月内，每天应观测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，每周测读1~2次：三个月以后，每月测读1~3次。若设计有特殊要求，则可按设计要求进行，遇突发事件，则应加强观测。39§7-3现场量测方案设计各量测项目原则上应根据其变化的大小来确定观测频度。如洞周收敛位移和拱顶下沉的量测频度可根据位移速度及离开挖面的距离而定，往往不同的基线和测点位移速度不同，因此，应以产生最大位移者来决定量测频度。整个断面内各基线或测点应采用相同的量测频度。40§7-3现场量测方案设计ab负速率段bc加速段cd减速段de进一步减速段ef零速率段五、量测数据警戒值及围岩稳定性判断准则41§7-3现场量测方案设计1．容许位移量容许位移量是指在保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，自隧洞开挖起到变形稳定为止,在起拱线位置的隧洞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。容许位移量与岩体条件、隧洞埋深、断面尺寸及地表建筑物等因素有关，例如城市地铁通过建筑群时，一般要求地表下沉不超过5~10mm；对于山岭隧道，地表沉降的容许位移量可由围岩的稳定性确定。42§7-3现场量测方案设计43§7-3现场量测方案设计44§7-3现场量测方案设计45§7-3现场量测方案设计46§7-3现场量测方案设计47§7-3现场量测方案设计前苏联学者通过对大量观测数据的整理，得出了用于计算洞室周边容许最大变形值的近似公式：式中f——普氏系数；b0——洞室跨度；H——边墙自拱脚至底板的高度(m)；δ2值一般在从拱脚起算(1/3~1/2)H段内测定。(mm):(mm):251251015412fHfb...边墙拱顶48§7-3现场量测方案设计容许位移量的确定并不是一件容易的事!49§7-3现场量测方案设计2．容许位移速率容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。它同样与岩体条件、隧洞埋深及断面尺寸等因素有关。容许位移速率目前尚无统一规定，一般都根据经验选定。例如美国某些工程对容许位移速率的规定：第一天的位移量不超过容许位移量的1/5~1/4(约2.54~3.18mm)，第一周内平均每天的位移量应小于容许位移量的1/20(约0.63mm)。南岭隧道、大瑶山隧道、下坑隧道、金川矿区运输平巷、张家港铁矿的稳定变形速度为0.1mm/d，引滦入津输水隧洞在开挖后一个月的稳定变形速度大于10mm/30d。50§7-3现场量测方案设计(1)基本稳定段(I)。变形速率不断下降，即变形加速度小于0；(2)过渡段(II)。变形速度长时间保持不变，即变形加速度等于0;(3)破坏段(III)。变形速率渐增，即变形加速度大于0。3.根据位移—时间曲线判断围岩稳定性51§7-3现场量测方案设计注意：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程曲线，结合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。全断面开挖分步开挖52§7-3现场量测方案设计53§7-4量测数据的分析处理量测数据数学处理的目的——验证反馈预报即（1）各种量测数据相互印证，以确认量测结果的可靠性；（2）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；（3）监视围岩变形或应力状态随时间的变化情况，对最终值或变化速率进行预测预报。54§7-4量测数据的分析处理abcde21uuuum1u2umuabcde55§7-4量测数据的分析处理u1的确定。对监测数据进行非线性回归，得u=f(t),则u2的确定。据研究，存在如下经验式所以21uuuum)(01fu33002650002.~.uu010)(fuum56§7-4量测数据的分析处理57§7-4量测数据的分析处理58§7-4量测数据的分析处理59§7-4量测数据的分析处理60§7-4量测数据的分析处理61§7-4量测数据的分析处理62§7-4量测数据的分析处理63§7-4量测数据的分析处理64§7-5工程实例——十三陵电站地下厂房概况十三陵抽水蓄能电站地下厂房埋深200m+，设计规模为长145m、宽23m、高46.6m，拱座部位开挖宽度为27.5m。厂区岩体为侏罗系砾岩，层理不清，略有沉积韵律，呈巨厚层状，产状为NE40º、SE40º左右，