学习情境七-隧道施工监控量测.ppt

学习情境七 隧道施工监控量测,,地质超前预报,1,,隧道监控量测目的及内容,2,,隧道监控量测项目,3,,隧道监控量测方法,4,,量测计划,5,,,量测数据分析与反馈,6,目 录,超前预报目的 　　开挖前对地质情况的了解，对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。,7.1 超前地质预报,目前，超前地质预测、预报常用的的方法有：常规地质法、物理勘测法、钻探法。常规地质法预测、预报简单直观，但需要有较多的地质经验，且范围有限；物理勘测法预测、预报范围较大，占用施工循环时间较少，但需要专业的地质判断经验；钻探法直接、可靠，超前性最好，是较好的预报手段，但费用较高。施工中应该根据实际情况综合考虑、合理应用，相互补充和印证。,1、常规地质法（地质素描） 最基本的方法 常规地质法是爆破开挖后及时查看掌子面地质状况（包括支护状况），描绘地质图，通常称为地质素描，并通过与设计资料的对比，提供地质情况预报，地质素描图应归入竣工资料。,超前地质预报主要方法,1、常规地质法 常规地质法一般应包括对以下内容的描述： 1）岩石名称、结构、颜色 2）岩层地质情况 3）岩体风化程度 4）地下水、溶洞等特殊地质条件描述 5）施工情况 6）初期支护情况,超前地质预报主要方法,2、物理勘探法 物理探测技术的发展。物理勘探法是用爆破、激振装置发生并向围岩内发射弹性波或电磁波，同时用仪器接收从围岩不同界面反射回的波，通过专业分析，判断并预报隧道前方的工程地质、水文地质情况。 优点:直观、高效 缺点：反映某种物理现象 对物理现象反映出的异常进行定性、定量鉴别，则是物探方法的关键 。,超前地质预报主要方法,2、物理勘探法,超前地质预报主要方法,地质雷达法,地质雷达工作原理示意图,,地质雷达,雷达测试,瑞典MALA公司GPR-CUⅡ型地质雷达,需钻孔验证！！！,美国GSSI公司产的SIR—20型地质雷达,地震波反射法（TSP/TGP）,,TSP/TGP测量原理图,TST法,3、钻探法 钻探法是在工程建筑物的设计位置钻孔探查，来分析、判断地层变化、岩性差异、地层含水率等信息，进而预报工程地质条件，指导建筑设计和施工方案的制定。钻探法是最直观、最可靠的超前地质预报手段。,超前地质预报主要方法,,地质超前预报,1,,隧道监控量测目的及内容,2,,隧道监控量测项目,3,,隧道监控量测方法,4,,量测计划,5,,,量测数据分析与反馈,6,目 录,一. 监控量测的目的和仪器 1.监控量测的目的 （1） 提供监控设计的依据和信息 （2）指导施工，预报险情 （3）校核工程理论，完善工程类比方法 （4）工程运营期间的监控手段,2.隧道监控量测的仪器 量测仪器可分为以下几种类型： （1）机械式：如百分表，千分表，挠度计等； （2）电测式：电阻型，电容型，振弦型，压电型等； （3）光弹式：光弹应力计，光弹应变计； （4）物探式：弹性波法——地震波，超声波，红外线，形变电阻率法等。,百分表,千分表,挠度计,压电传感器,电阻传感器,二. 监控量测的内容,必测项目和选测项目 必测项目： 洞内观察与地质素描 净空变化量测 拱顶下沉量测 地表下沉量测,二. 隧道监控量测的内容,选测项目： 围岩内部位移监测； 喷砼应力监测； 围岩压力监测； 钢拱架应力监测； 二衬应力监测； 锚杆或锚索内力及抗拔力。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,必须实施、可以实施、必要时实施,,地质超前预报,1,,隧道监控量测目的及内容,2,,隧道监控量测项目,3,,隧道监控量测方法,4,,量测计划,5,,,量测数据分析与反馈,6,目 录,,,监控量测项目、方法及计划 必测项目 1、隧道内目测观察 获得与围岩稳定状态有关的直观信息。 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，围岩类别，掌子面自稳情况，地下水的影响情况等。 ⑵对初期支护效果 ： 喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度 (3)洞外观察地表面的变异情况、植被状况以及水系情况等，是浅埋隧道和隧道洞口段特别重要的量测。,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。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。 1）量测目的 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。,2）量测设计 ⑴收敛量测的间距与测线,必测项目量测断面间距和每断面测点数量,,⑵量测频率：量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离,按位移速度,按距开挖面距离(注：b为隧道开挖宽度),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：QJ-85型坑道周边收敛计；JSS30A型数显收敛计；SWJ－IV型隧道隧道收敛计。,周边位移量测,收敛计现场监测,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。 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，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。 量测方法： （1）精密水准仪观测拱顶下沉 （2）全站仪观测拱顶下沉 （3）激光隧道围岩实时监控,拱顶下沉量测,精密水准仪现场监测,全站仪现场监测,4、地表下沉量测 目前，我国铁路部门已将地表下沉量测列为隧道监控量测中的必测项目，量测目的在于： （1）地表下沉范围、量值 （2）地表及地中下沉随工作面推进的规律 （3）地表及地中下沉稳定的时间 地表下沉量测一般用精密水准仪量测，量测精度±1mm。,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,选测项目,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。,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。 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 。,3、围岩压力及两层支护间压力量测 通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。其方法是在围岩与支护、两次支护之间埋设各种压力盒等传感器。 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 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,钢弦式压力盒布置图,4、钢支撑应力量测 了解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。,2）量测元件 钢弦式表面应变计 钢弦式钢筋应力计,钢弦式表面应变计结构图,钢弦式钢筋应力计,钢支撑内力,表面应变计量测型钢支撑内力,型钢支撑－表面应变计,5、混凝土应力量测 了解混凝土层的变形特性以及混凝土的应力状态；掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；判断支护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。,6、声波测围岩的弹性波速度 声波测试是地球物理探测方法的一种。它是在岩体的一端激发弹性波，而在另一端接收通过岩体传递过来的波，弹性波通过岩体传递后，其波速、振幅、频率均发生改变。因此，弹性波在岩体中的传播特征就反映了岩体的物理力学性质。 目前，在工程测试中，普遍应用声波在岩体中传播速度的纵波速度Vp来作为评价岩体物理力学性质的指标。 一般具有以下规律： （1）岩体风化、破碎、结构面发育，则波速低、衰减快、频谱复杂。 （2）岩体充水或应力增加，则波速高，衰减慢、频谱简化。 （3）岩体不均匀和各向异性，则其波速与频谱也相应表现出不均一和各向异性。,,地质超前预报,1,,隧道监控量测目的及内容,2,,隧道监控量测项目,3,,隧道监控量测方法,4,,量测计划,5,,,量测数据分析与反馈,6,目 录,量测数据处理及应用 1、 量测数据处理的目的 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 绘制监测曲线，选择回归曲线,由于量测的偶然误差所造成的离散性，因此对量测数据采用统计学原理进行分析，并以相应的数学公式进行描述，采用回归分析对量测数据进行处理和计算，得到 u、t两个变量之间的函数关系，用这个函数曲线能代表测试点数据的散点分布，并能推算出因变量的变化速率和极限值，主要采用以下指数、对数和双曲三种曲线函数进行线性回归计算，三种曲线函数的原形公式与换算公式如下：,,,,对三种曲线函数进行回归分析后，根据三种曲线方程的相关系数r，取r最趋近于1的曲线方程代表所分析测点数据的变化情况，一般情况下所选择曲线函数的相关系数r的绝对值应大于0.9。,3、量测数据的应用 1）初期支护阶段围岩稳定性的判据和施工管理 ⑴根据最大位移值进行施工管理 U小于Un/3 U大于Un/3并小于2Un/3时 U大于2Un/3时 实测最大位移值或预测最大位移值不大于2Un/3时，可认为初期支护达到基本稳定。,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。,(3)根据位移速度曲线进行施工管理 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。,实例一 掌子面K1+417,K1+470 K1+460,K1+450 K1+435,,实例二,,,4、预警机制 在监控量测过程中，遇到下列情况之一时，必须提出预警： （1）围岩累积位移量过大或变形速率加快或变形不收敛。 （2）衬砌或支护结构出现开裂或变形过大。 （3）浅埋段地表下沉过大或出现裂缝。 （4）围岩明显开裂或原有裂缝逐渐扩张。,预警警戒值 （1）地表沉降允许值为5cm，警戒值为3cm，基准值为2cm。 （2）拱顶下沉、水平收敛允许值为：双车道隧道正洞V级围岩10cm、IV级围岩7cm、III级围岩4cm；紧急停车带IV级围岩10cm、III级围岩7cm。 上述数值的2/3为警戒值，1/3为基准值。 （3）仰拱隆起允许值为3cm，警戒值为2cm，基准值为1cm。,监控量测预警实行三级管理： （1）当监测数据分布在基准值以下时，实行III级管理，隧道可正常施工； （2）分布在基准值和警戒值之间时，实行II级管理，应通报超前预报、施工、监理单位以及指挥部，并加强监测，谨慎施工； （3）超过警戒值时，实行I级管理，即暂停施工，第一时间通报超前预报、施工、监理单位以及指挥部，会商决策。,