隧道施工监控量测技术

第六章隧道施工129隧道施工监控量测技术一、现场量测内容(一)量测目的(1)掌握围岩力学形态的变化和规律；(2)掌握支护结构的工作状态；(3)为理论解析、数据分析提供计算数据与对比指标；(4)为隧道工程设计与施工积累资料。(二)监测项目与内容1.地质和支护状态现场观察：开挖面附近的围岩稳定性，围岩构造情况，支护变形与稳定情况，准确掌握围岩情况。2.岩体(岩石)力学参数测试：抗压强度bR，变形模量E，粘聚力C，内摩擦角，泊松比。3.应力应变测试：岩体原岩应力，围岩应力、应变，支护结构的应力、应变。4.压力测试：支护上的围岩压力，渗水压力。5.位移测试：围岩位移(含地表沉降)，支护结构位移。6.温度测试：岩体(围岩)温度，洞内温度，洞外温度。7.物理探测：弹性波(声波)测试，即纵波速度vp、横波速度vs、.动弹性模量Ed、动泊松比μdp。以上监测项目，一般分为应测项目和选测项目。应测项目是现场量测的核心，它是设计、施工所必需进行的经常性量测。选测项目是由于不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测要取得的数据类型而选择的测试项目。由于条件的不同和要取得的信息不同，在不同的隧道工程中往往采用不同的测试项目。但对于一个具体隧道工程来说，对上述列举的项目不会全部应用，只是有目的地选用其中的几项。隧道工程的量测项目如表7-5-1所示。表中l~4项为应测项目，5~11项为选测项目。二、量测方法这里介绍几项主要量测项目的量测方法。(一)地质素描与隧道施工进展同步进行的洞内围岩地质(和支护状况)的观察及描述，通常称为地质素描。它是隧道设计和施工过程中不可缺少的一项重要地质详勘工作，是围岩工程地质特性和支护措施的合理性的最直观、最简单、最经济的描述和评价。配合量测工作对代表性断面的地质描述，应详细准确，如实反映情况。一般应包括对以下内容的描述：l.代表性测试断面的位置、形状、尺寸及编号；第六章隧道施工1302.岩石名称、结构、颜色；表7-5-1隧道现场监控量测项目及量测方法序号项目名称方法及工具布置量测间隔时间1~15d16d~1个月1~3个月3个月以上1地质和支护状态观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘等开挖后及初期支护后进行每次爆破后进行2周边位移各种类型收敛计每5~100m一个断面，每断面2~3对测点1~2次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月3拱顶下沉水准仪、水准尺、钢尺或测杆每5~100m一个断面1~2次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月4地表下沉水准仪、水准尺每5~100m一个断面，每断面至少11个测点，每隧道至少2个断面。中线每5~20m一个测点开挖面距量测断面前后＜2B时，1~2次/d开挖面距量测断面前后＜5B时，1次/2d开挖面距量测断面前后＜2B时，1次/周5围岩内部位移(地表设点)地面钻孔中安设各类位移计每代表性地段一个断面，每断面3~5个钻孔同上6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5~100m一个断面，每断面2~11个测点1~2次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月7围岩压力及两层支护间压力各种类型压力盒每代表性地段一个断面，每断面宜为15~20个钻孔1次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月8钢支撑内力及外力支柱压力计或其它测力计每10榀钢拱支撑一对测力计1次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝测量各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法每5~100m一个断面，每断面宜为11个测点1次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月10锚杆或锚索内力及抗拔力各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拔计必要时进行————11围岩弹性波测试各种声波仪及配套探头在代表性地段设置————3.层理、片理、节理裂隙、断层等各种软弱面的产状、宽度、延伸情况、连续性、间距等；各结构面的成因类型、力学属性、粗糙程度、充填的物质成分和泥化、软化情况；4.岩脉穿插情况及其与围岩接触关系，软硬程度及破碎程度；5.岩体风化程度、特点、抗风化能力；6.地下水的类型、出露位置、水量大小及喷锚支护施工的影响等；7.施工开挖方式方法、锚喷支护参数及循环时间；8.围岩内鼓、弯折、变形、岩爆、掉块，坍塌的位置、规模、数量和分布情况，围岩的自稳时间等；9.溶洞等特殊地质条件描述；10.喷层开裂起鼓、剥落情况描述；第六章隧道施工13111.地质断面展示图(1:20~1:100)或纵横剖面图(1:50~1:100)。必要时应附彩色照片。(二)拱顶下沉和地表沉降由己知高程的临时或永久水准点(通常借用隧道高程控制点)，使用较高精度的水准仪，就可观测出隧道拱顶或隧道上方地表各点的下沉量及其随时间的变化情况。隧道底鼓也可用此法观测。通常这个值是绝对位移值。另外也可以用收敛计测拱顶相对于隧道底的相对位移。值得注意的是，拱顶点是坑道周边上的一个特殊点，其位移情况具有较强的代表性。(三)坑道周边相对位移1.量测原理隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是围岩动态的最显著表现，最能反映出围岩(或围岩加支护)的稳定性。因此对坑道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的量测项目。为量测方便起见，除对拱顶、地表下沉及底鼓可以量测绝对位移值外，坑道周边其它各点，一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，来反映围岩位移动态。2.收敛计(l)收敛计一般由带孔钢尺，测微百分表，张力调节器，测点连接器组成；(2)测点连接器有单向连接销式及球形铰接式等多种。(3)测点是将带销孔或圆球测头长度为20~30cm的钢筋锚固于岩壁内，锚固方式同早强水泥砂浆锚杆。测头的位移即可代表岩壁表面该测点的位移；(4)张力调节器有重锤式(如SWJ-8型、美国SINCO-518115型)、弹簧式(如SLJ-80型、QJ-81型)、应力环式(如GSL型、WRM-4型)。其中应力环式张力调节器须经标准实验室标定，其测试精度较高。图7-5-1是QJ-81型球铰连接弹簧式收敛计。3.测试方法及注意事项(l)开挖后尽快埋设测点，并测取初读数，要求12h内完成；(2)测点(测试断面)应尽可能靠近开挖面，要求在2m以内；(3)读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定指示规定的张力值时读取；图7-5-1QJ—81型球铰连接弹簧式收敛计1-百分表；2-收敛计架；3-钢球；4-弹簧秤；5-内滑管；6-带孔钢尺；7-连接挂钩；8-羊眼螺栓；9-连接销；10-预埋件钢尺架丝杠拉绳微调螺杠触头水准气泡压尺螺钉定位销12394678第六章隧道施工132(4)当相对位移值较大时，要注意消除换孔误差；(5)测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况而定，一般应按表7-5-1的要求而定。(6)整个量测过程中，应作好详细记录，并随时检查有无错误。记录内容应包括断面位置、测点(测线)编号、初始读数、各次测试读数、当时温度以及开挖面距量测断面的距离等。两测点的连线称为测线。4.数据整理量测数据整理包括数据计算、列表或绘图表示各种关系。(1)坑道周边相对位移计算式为0RRuii(7-5-1)式中：R0——初始观测值；Ri——第i次观测值；ui——第i次量测时，该两测点之间的相对位移值。(2)测尺为普通钢尺时，要消除温度影响尤其当洞径大(测线长)、温度变化大时，应进行温度改正。其计算式为：0ttLuiti(7-5-2)tiiiuRRu0(7-5-3)式中——钢尺的线膨胀系数(一般取＝12×10-6/℃)L——量测基线长；t0、ti——分别为初始量测时温度和第i次量测时温度。(3)量测过程应及时计算出各测线的相对位移值，相对位移速率，及其与时间和开挖断面距离之间的关系，并列表或绘图，直观表示。常用的几种关系曲线图形式如图7-5-2、图7-5-3、图7-5-4。(四)围岩内部位移1.量测原理围岩内部各点的位移同坑道周边位移一样是围岩动态表现。它不仅反映了围岩内部的松弛程度，而且更能反映围岩松弛范围的大小，这也是判断围岩稳定性的一个重要参考指标。图7-5-2位移－时间关系曲线0初期支护二次支护下台阶开挖位移时间图7-5-3位移-开挖面距离关系曲线位移距离上、下台阶开挖锚杆喷混凝土第六章隧道施工133在实际量测工作中，先是向围岩钻孔，然后用位移计量测钻孔内(围岩内部)各点相对于孔口(岩壁)一点的相对位移。2.位移计(1)位移计有两种类型，一类是机械式，另一类是电测式。其构造是由定位装置、位移传递装置、孔口固定装置、百分表或读数仪等部分组成。(2)定位装置是将位移传递装置固定于钻孔中的某一点，则其位移代表围岩内部该点位移。定位装置多采用机械式锚头，其形式有楔缝式、支撑式、压缩木式等。(3)位移传递装置是将锚固点的位移以某种方式传递至孔口外，以便测取读数。传递的方式有机械式和电测式两类。其中机械式位移传递构件有直杆式、钢带式、钢丝式；电测式位移传感器有电磁感应式、差动电阻式、电阻式。直杆式位移计结构简单，安装方便，稳定可靠，价格低廉；但观测精度较低，观测不太方便，一般单孔只能观测l~2个测点的位移(图7-5-5)。钢带式和钢丝式位移计则可单孔观测多个测点，如DWJ-1型深孔钢丝式位移计可同时观测到单孔中不同深度的6个点位。电测式位移计的传感器须有读数仪来配合输送、接收电信号，并读取读数。电测式位移计多用于进行深孔多点位移测试，其观测精度较高，测读方便，且能进行遥测，但受外界影响较大，稳定性较差，费用较高(图7-5-6)。(4)孔口固定装置。一般测试的是孔内各点相对于孔口一点的相对位移，故须在孔口设固定点或基准面。3.测试方法及注意事项围岩内部位移测试方法及注意事项基本上与坑道周边相对位移测试方法相同。4.数据整理数据整理方法基本同前，可整理出：(1)孔内各测点(L1,L2,…)位移(u)——时间(t)关系曲线；(2)不同时间(t1，t2，…)位移(u)——深度(L1,L2,…)关系曲线。(五)锚杆应力及锚杆抗拔力1.量测原理系统锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱，一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆的工作状态好坏主要以其受力后的应力——应变来反映。因此，如果能采用某种手段测试锚杆在工作时的应力——应变值，就可以知道其工作状态的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。实际量测工作中，是采用与设计锚杆强度相等，且刚度基本相等的各式钢筋计来观测锚杆的应力——应变。2.钢筋计(1)钢筋计多采用电测式，其传感器有电磁感应式、差动电阻式、电阻片式几种。(2)根据测式要求，可将几只传感器连接或粘贴于锚杆不同的区段，可以观测出不同区段位移速度0时间图7-5-4位移速度-时间关系曲线第六章隧道施工134的应力——应变。(3)读数仪可自动率定接收到的电信号，并显示应力——应变值。电磁感应式钢筋计又称钢弦式钢筋计，它须使用电脉冲发生器(周期仪)测试，这种钢筋计的构造不太复杂，性能亦较稳定，耐久性较强，其直径能较接近设计锚杆直径，经济性较好，是一种比较有发展前途的钢筋计(图7-5-7)。差动式钢筋计性能较稳定，耐久性也较强，但其直径较大，且构造复杂，价格也较高。电阻片式钢筋计实际上是将传感用的电阻片粘贴于实际的锚杆上，并作好防潮处理。其构造简单，安装、测试方便，价格低，故工程测试中常应用。3.测试方法及注意事项(l)电感式和差动式钢筋计，需用接长钢筋(设计锚杆用钢筋)将其对接于测试部位(区段)，制成测试锚杆，并测取空载读数。对接可采用电弧对接，操作中应注意不要烧坏和损伤引出导线，并注意减少焊接温度对钢筋计的影响。(2)电阻式钢筋计是取设计锚杆，在测试部位两面对称车切、磨平后，粘贴电阻片，做好防潮处理，制成测试锚杆，并测取空载读数。(3)测试锚杆安装及钻孔均按设计锚杆的同等要求进行，但应注意安装过程中不得损坏电1-锚固压缩木；2-位移传递杆；3-硬杂木定位器；4-WY－40位移传感器；5-位移测点；6-测试导线图7-5-6电阻式多点位移计123456L1L2L3图7-5-5机械式位移计b)DWJ－1型深