隧道监控量测技术

2020/6/5
2、施工监控量测的目的和任务 ⑴通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，
判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性； ⑵用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把
监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、 变更支护设计参数提供依据；
⑶通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报， 以便及时采取措施，防患于未然；
T0——鉴定钢尺的标准温度， T0 =20℃ T——每次量测时的平均气温；
L——钢尺长度。
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3、拱顶下沉量测 埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收
敛量测更为重要。 1）量测目的 量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，
隧道施工监控量测技术 授课人：高攀科
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第一节 概述
隧道施工过程中使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、 衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对 其稳定性进行评价，统称为监控量测。
1、隧道监控量测的必要性： ⑴隧道工程作为工程建筑物，受力特点与地面工程有很大的 差别。 ⑵隧道在开挖支护成形运营的过程中，自始自终都存在受力 状态变化这一特性。
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2）量测元件 目前使用较普遍的型钢支撑应力量测多采用钢弦式表面应变计，
格栅支撑应力量测多采用钢弦式钢筋应力计。
钢弦式表面应变计结构图
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钢弦式钢筋应力计
第三节 量测数据处理及应用 1、 量测数据处理的目的
由于现场量测所得的原始数据，不可避免具有一定的离散性，其中 包含着测量误差甚至测试错误。不经过整理和数学处理的量测数据一时难 以直接利用。数学处理的目的是：
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周边水平收敛变化曲线图
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速率mm/d
1.8 1.6 1.4 1.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
上测线 下测线
10
20
30
40
50
60
时间/d
周边水平收敛速率变化曲线图
谢谢各位老师 的宝贵时间！
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(3)根据位移时态曲线进行施工管理 每次量测后应及时整理数据，绘制时态曲线。 a.当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，表明围岩稳定性好， 可适当减弱支护。 b.当位移速率逐渐变小，即d2u/dt2＜0，时态曲线趋于平缓，表明 围岩变形趋于稳定，可正常施工。 c.当位移速率不变，即d2u/dt2=0，时态曲线直线上升，表明围岩变 形急剧增长，无稳定趋势，应及时加强支护，必要时暂停掘进。 d.当位移速率逐步增大，即d2u/dt2＞0，时态曲线出现反弯点，表 明围岩已处于不稳定状态，应停止掘进，及时采取加固措施。
Ut＝L0－Lt＋Xt1－Xt0
式中：L0——初读数时所用尺孔刻度值； Lt——t时刻时所用尺孔刻度值；
Xt1——t时刻时经温度修正后的读数值，Xt1＝Xt＋εt Xt0——初读数时经温度修正后的读数值，Xt0＝X0＋εt
Xt——t时刻量测时读数值； X0——初始t时刻读数值；
εt——温度修正值；εt＝α（T0－T）L α——钢尺线膨胀系数；
电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变 （或变形），然后按有关计算方法转求应力。
钢弦式则是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动 频率变化，转求应力，其原理见后页所示。
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3、围岩压力及两层支护间压力量测 隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变
形，这样就会产生围岩作用与支护结构上的围岩压力。围岩压力量测， 通常情况下是指围岩与喷层或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测 试。 1）目的：了解围岩压力的量值及分布状态；判断围岩和支护的稳定性， 分析二次衬砌的稳定性和安全度。 2）量测仪器与原理
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3）量测仪器 目前隧道施工中常用的收敛计为机械式的收敛计和数显
式收敛计。例：JSS30A型数显收敛计。
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4）测试原理
测试中读得初始数值X0；间隔时间t后，用同样的方法可读得t时 刻的值Xt，则t时刻的周边收敛值Ut即为的两次读数差。即
⑴差值计算法：钢尺和标尺均正立（即读数上小下大）。
后视读数差 前视读数差 拱顶变位值
A=A2-A1 B=B2-B1 C=B-A
C>0拱顶上移；C<0拱顶下沉。
⑵水准计算法：通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱
顶的变位值。钢尺读数上小下大，标尺读数下小上大，标尺基准点
标高假定为K0。
第一次拱顶标高 Kd1=K0+A1+B1 第二次拱顶标高 Kd2=K0+A2+B2
细致的目测观察，对于监视围岩稳定性是既省事而作用又很大的 监测方法，它可以获得与围岩稳定状态有关的直观信息，应当予以足 够的重视，所以目测观察是新奥法量测中的必测项目。
1）隧道目测观察的目的是： ⑴预测开挖面前方的地质条件。 ⑵为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据。 ⑶根据喷层表面状态（锚杆、钢支撑工作状态），分析支护结构的 可靠程度。 2）观察内容： ⑴掌子面地质水文条件、岩性、结构面产状、有无断层，是否偏压、 围岩类别，掌子面自稳情况，地下水的影响情况等，并做好记录。 ⑵对初期支护效果观察包括：喷层的光洁度、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。
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⑵根据位移速率进行施工管理 a.当位移速率大于1mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段， 应密切关注围岩动态。 b.当位移速率在1～0.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变 形阶段。 c.当位移速率小于0.2mm/d时，表明围岩已达到基本稳定， 可以进行二次衬砌作业。
接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力 计和电测式测力计。
目前隧道中多用电测式， 弦测法原理：在传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力作 用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相应 地发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越低。
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图6－14 钢弦式双膜压力盒构造图 1－刚性板；2－弹性板；3－传力轴；4－弦夹；5－钢弦
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2、周边收敛量测 隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。所谓周边收敛
量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值 为两次量测的距离之差。
1）量测目的 收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩
应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以达到以下目的。 ⑴判断隧道空间的稳定性； ⑵根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机； ⑶指导现场的施工。
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2、锚杆轴力量测 1）量测目的 ⑴了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。 ⑵结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界 限 ⑶修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。
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2）量测方法和仪器 锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式和机械式
两类。 其中电测式又可分为电阻应变式和钢弦式。
⑷通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理 的施作时间；
⑸通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些 地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提 供借鉴，依据和指导作用。
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监 控 量 测 与 反 馈 流 程 图
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第二节 必测项目 1、隧道内目测观察
预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。 2）量测仪器 精密水准仪、全站仪
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拱顶下沉测桩
左
中
右
一测线 二测线
吊挂钢卷尺 周边收敛测线
监控量测必测项目测点布置
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3）量测原理
第一次读数后视点读数为A1，前视读数为B1；第二次后视点 读数为A2，前视读数为B2。拱顶变位计算方法如下：
⑴将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确 认量测结果的可靠性；
⑵探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律、空间分布规律， 判定围岩和支护系统稳定状态。
2、量测数据处理的内容 ⑴绘制位移、应力、应变随时间变化的曲线－时态曲线； ⑵绘制位移速率、应力速率、应变速率随时间变化的曲线； ⑶绘制位移、应力、应变随开挖面推进变化的曲线－空间曲线； ⑷绘制位移、应力、应变随围岩深度变化的曲线； ⑸绘制接触压力、支护结构应力在隧道横断面上分布图。
拱顶变位值 C=Kd2-Kd1=A2-A1+B2-B1
C>0 拱顶上移；C<0 拱顶下沉。
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第二节选测项目
1、围岩内部位移量测 1）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：
⑴了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。 ⑵判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。 ⑶根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。 2）量测仪器：多点位移计 3）测量原理
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钢弦式压力盒布置图
4、钢支撑应力量测 一般在Ⅴ、Ⅵ级围岩中常采用型钢支撑；Ⅳ级围岩中常采用格
栅支撑。通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态， 从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安 全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。
1）量测目的 ⑴了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。 ⑵根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。 ⑶了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。