1、隧道施工监控量测技术石家庄铁道大学朱永全,一、隧道工程特点 二、隧道围岩变形失稳模式分析 三、隧道施工监测的内容与要求 四、量测数据的处理与应用 五、典型工点位移监测与应用 六、黄土隧道位移监测及应用,主要内容,时速200公里客货共线铁路单线隧道支护结构优化研究,一,隧道工程特点,1、以经验法为主的隧道设计依赖围岩认识的准确性； 2、 施工前设计地质客观上难以实现准确性； 3、现行规范关于围岩分级存在着不足： （1） 围岩分级极差太大、且无亚级； （2）围岩结构类型（层状、倾斜）考虑不足； （3）不良地质 确定不细。 4、根据揭露地质实际及时变更变更是必要和合理的； 5、隧道稳定性判别依据可行
2、的办法是监测位移。因此：施工位移监测意义重大，操作与应用存在难度。,我国铁路隧道围岩分级方法修订思路,将岩体结构类型纳入分级标准中，并增加部分亚级。分级原则为：（1）在隧道围岩分级中考虑围岩地质类型和变形破坏机理。（2）结合工程实际，可将IIIV级围岩各分出23个亚级。（3）增加土质围岩的分级。（4）细化黄土、大变形软岩等不良地质的分级。希望：细化分级、使支护措施、各类定额更加合理。,5,施工过程力学是研究施工开挖与支护时间和空间顺序的力学效应及转移规律；不仅要关注开挖后隧道洞周应力或位移及支护受力的大小，而且要掌握开挖掌子面及前方围岩的应力或位移；不仅要关注各阶段围岩静力场和位移场规律，而且
3、要掌握施工过程应力场、位移场的转移规律；它是合理施工方法和控制技术形成的基础。,立项背景,1.隧道施工过程力学效应,立项背景,2、隧道安全施工方法,通常是全断面法、台阶法、预留核心土环型开挖法和多分部法等，而多分部法又变化有CD法、CRD法、双侧壁导坑法、多台阶多部法等。,多分部开挖空间小、限制了大型隧道施工设备的使用，进度慢、安全性差，在遇到松软、破碎软岩或浅埋条件时，往往还不能实现变形控制要求。,立项背景,3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术,立项背景,稳定性判据研究现状,结构工程中的强度判据，在隧道工程中往往因为岩体过于复杂而遇到很大困难。 围岩屈服区或松动区判据，因围岩强度准确把握是十
4、分困难，难以建立围岩屈服区或松动区特征与洞室失稳的量化关系。隧道变形量或变形速率判据是以隧道变形或变形速率量值超过规定范围为依据。隧道内表面位移通过测量仪器测得，通过周边位移观测以了解隧道的力学动态比较直观、也易于实施，国内外大多应用该方法。,3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术,立项背景,隧道极限位移的确定和位移管理标准研究现状,隧道洞内位移控制，就是从隧道出现的各种极限状态入手，找出在某种安全状态下洞周各控制点的极限（或允许）位移。隧道洞内位移它不仅要关注开挖后隧道洞周位移、速率，也应掌握隧道“掌子面挤压变形、预收敛和洞周收敛变形”等空间位移规律。位移控制不仅要要用位移和速率，还要根据围岩
5、性质，应用位移或速率的形态特征进行综合判别。,收敛-约束原理示意,3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术,隧道施工变形反馈决策应用技术,立项背景,“动态设计施工”是隧道工程遵循的基本原则，“预设计、施工、监测、设计修正和施工方法调整”是隧道工程的基本技术路线。施工监测信息反馈技术，除在浅埋隧道和少数重点隧道工程的施工决策中发挥了重要作用外，对于多数铁路隧道，大量监测信息如何应用，如何根据监测信息修订相应支护参数和改变施工方法，都亟待研究解决。,隧道开挖后，深埋隧道位移、浅埋地表位移和隧道位移是围岩施工动态的最显著表现，最能反映出围岩和支护的稳定性。因此对隧道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意
6、义、最经济和最常用的量测项目。,以经验法为主的隧道设计参数之一,以经验法为主的隧道设计参数之二,二、隧道围岩变形失稳模式分析,层状结构围岩,碎裂结构围岩,散体结构围岩,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,根据围岩结构对围岩变形失稳模式的决定作用，将隧道围岩的类型主要分为以下几种：,特殊结构围岩,重点：,整体块状围岩,块状结构围岩,变形失稳模式：岩爆、劈裂剥落,变形失稳模式：块体滑移、塌方,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,层状结构围岩水平（缓倾）层状,拱顶下沉、底鼓、弯折变形破坏,变形失稳模式：,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,层状结构围岩倾斜层状,变形失稳模式：,拱顶、右拱肩及右侧壁向洞内顺
7、层滑移；左拱肩塑性弯折变形，左侧壁相对较稳定。,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,层状结构围岩直立（陡倾）层状,变形失稳模式：,拱顶部位易顺层向下滑移变形；两侧壁向内弯折、溃曲变形。,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,碎裂结构围岩,变形失稳模式：,掌子面、拱顶部位松动、掉快、塌方,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,散体结构围岩,变形失稳模式：,拱顶冒落、掌子面坍塌,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,特殊结构围岩,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,特殊结构围岩,兰渝铁路炭质千枚岩,开挖揭露的炭质千枚岩,开挖扰动后呈粉末状,现场试验研究,结构破碎松散 开挖洞室后，
8、岩体极不稳定，易坍塌。围岩强度低、遇水易软化 开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是存在渗水区段容易发生大变形。岩体结构面倾斜、层面光滑 薄层岩体在隧道面倾斜、层面光滑，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。,倾斜岩层构造偏压严重。从现场地质素描及围岩压力量测结果，倾斜岩层构造偏压严重，最大围岩压力均出现在垂直层面方向。,钢架扭曲,钢架断裂,喷层开裂,喷层剥落,仰拱隆起及开裂,二衬开裂、剥落及钢筋弯曲,小结：,（1）围岩结构控制围岩变形失稳模式；（2）围岩变形失稳模式实际上决定针对性支护型式与施工工法；（3）铁路隧道围岩变形失稳模式已经初步形成系统化认识，还将继续完善。,
9、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析,三、隧道施工监测的内容和要求,表7-9-5 净空位移量测的测线数,测试要求,尽量采用非接触式量测第一次测试时间尽量在开挖后12小时内时态（或进尺）关系曲线及时绘制位移量值和速率综合判别对整体下沉显著的应增加拱脚下沉监测对有掌子面稳定稳定问题的宜开展掌子面挤出变形监测,非接触三维变形观测对观测系统的要求 应采用具有膜片反射功能的全站仪。建议高铁大断面黄土隧道采用6070mm规格的膜片，不宜使用尺寸小于5050mm的膜片。全站仪推荐采用12级全站仪。全站仪测距精度则应达到2mm2ppm及以上，分辨率0.1mm。 为提高隧道内观测作业速度，推荐使用带ATR功能的自动
10、观测全站仪。所选全站仪应配置红色可见光激光指示和目标照明功能。所选全站仪防尘等级应不小于IP5。（3）基于ATR功能的TPS1200隧道位移非接触观测系统该系统由徕卡TCA1200系列自动全站仪、反射膜片和PDA组成，具有ATR目标自动识别功能，可自由设站自动完成隧道位移监测，其单站自由设站三维坐标精度1mm。, 测点布置基准点布置：建立全站仪自由设站坐标系的基准点由两点组成，其中一点为坐标原点要求稳固不动，另一点用于确定横轴方向，该点沿竖轴和横轴方向的位移不影响测点的位移观测。 测站设置：采用自由设站的仪器不需对中，采用7070mm膜片时测程应控制在3060m之间，采用5050mm膜片时应控
11、制在3045m之间。,全位移曲线的概念：掌子面前方变形1540%，开挖后变形监测有丢失。,表6-2-4 300m埋深双线隧道变形技术指标统计汇总表,四、量测数据分析与反馈,1、规范位移值的应用,表6-3-1 单线隧道初期支护极限相对位移(%),表6-3-2 双线隧道初期支护极限相对位移(%),表7-9-6 量测数据管理基准参考值,表6-3-3 变形管理等级,注：U实测位移值；U0最大允许位移值。,注：U实测位移值；U0最大允许位移值。,2.根据位移速率判断从变形曲线可分为三个阶段：(1)变形急剧增长阶段变形速率大于1mm/d时；(2)变形速率缓慢增长阶段变形速率10.2mm/d时；(3)基本稳
12、定阶段变形速率小于0.2mm/d时。,3. 位移时间曲线(位移时态曲线)形态判断岩体破坏前变形曲线可分为三个阶段(1)基本稳定区 (2) 过渡区(3) 破坏区 变形速率逐渐增大，即 0。表明围岩已进入危险状态，须停工，进行加固。位移值、位移速率、位移加速度综合判别。要求监测数据及时处理。,五、 典型工点位移监测应用情况,乌鞘岭隧道大变形规律,乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计,最大变形速率与累计变形的关系,在隧道工程监控量测中，除累计变形外，变形速率是另外一个进行围岩稳定性评价的重要判别指标。研究最大变形速率与累计变形的关系也是在施工初期阶段进行最终变形预测的方法之一。,兰渝铁道两水
13、隧道实测变形与速率,兰渝铁道两水隧道计算变形与速率,表6-2 岭脊千板岩地层区段隧道极限位移 单位：(mm,表6-3 F7断层区段隧道极限位移 单位：(mm),表6-4 乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准 (单位:mm),注：U-隧道开挖后隧道总变形量,表3-5 F7断层和千枚岩地段隧道三维位移实测最大值 单位：mm,图5-24 F7断层位移向量方位趋势线,图6-19 千枚岩地层区段位移向量方位势线,4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议,表4-1 兰渝铁路隧道大变形分级控制基准(cm)（参考值）,4.1.1 大变形分级基准,4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议,可能会产生大变形的情况分析：(
14、1) 常规变形：地应力水平低，薄层炭质千枚岩或千枚岩夹板岩互层。(2) 级大变形：地应力水平高，厚层炭质千枚岩，地质构造强烈。(3)级大变形：地应力水平极高，厚层炭质千枚岩，地质构造强烈。(4) 级大变形：地应力水平高或极高，厚层炭质千枚岩，地质构造强烈，伴有地下水渗流。,4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议,表4-3 双线隧道不同变形等级的支护参数（参考值）,4.1.2 不同大变形条件下的支护参数,4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议,4.1.3 大变形等级的现场判别和变形管理基准,表4-4 兰渝铁路变形及变形速率管理基准（参考值）,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,兰渝线
15、软岩双线隧道二次衬砌施作时机的确定 结合兰渝线软岩双线隧道变形等级管理基准和乌鞘岭隧道二次衬砌施作时机中的v终/u测对于、级大变形分别取值为0.5%1.0%、0.5%1.5%、0.5%2.0%，确定兰渝线软岩双线隧道二次衬砌施作时机如表4-1所示。,经2011年3月4日专家会，确定的二衬施作时机为双线2mm/d、单线1mm/d。,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,4.2 初支变形速率2mm/d施作二次衬砌的可行性分析(1)不同围岩条件下支护参数施工过程模拟,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,变形超过200mm后应力释放率超过90%，即结构与围岩共同承受的地层压力小于0.6M
16、Pa。,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,(2)衬砌安全性检算 分别按规范荷载和实测荷载进行结构安全性检算。,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,(3)不同变形速率时衬砌结构受力分析 根据两水隧道埋深具体情况，以+级软岩段为研究背景，研究级大变形围岩参数下隧道围岩和支护结构的变形和受力情况。拱顶下沉速率为3.84mm/步时施作衬砌,拱顶下沉速率为3.84mm/步时施作衬砌，衬砌距掌子面距离14m，拱顶下沉值为139.8mm，衬砌内表面压应力25 MPa，衬砌内表面拉应力1.3 MPa，超过混凝土设计强度。,软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析,拱顶下沉速率为1.82mm
17、/步时施作衬砌 拱顶下沉速率为1.82mm/步时施作衬砌，衬砌距掌子面距离30m，拱顶下沉值为143.6mm，衬砌内表面压应力5 MPa，衬砌内表面拉应力0.3 MPa，低于混凝土设计强度。 二衬施作时机为双线2mm/d是合理、可行的。,软岩双线隧道科研指导设计施工情况,5.1 对软岩大变形的认识不断提高,(1)炭质千枚岩地层极破碎，加之地质偏压、局部渗水，开挖极不稳定，施工过程中变形控制困难是必然结果。 (2)初期对大变形认识不足，认为仅增加支护刚度就可抵抗隧道大变形，转变为后期加强整个支护体系抵御强大的地层压力。 变形控制不能仅依赖大刚度的型钢支护，隧道支护是一个系统：喷射混凝土质量、喷射
18、混凝土与钢架的连接密实性、钢架纵向连接、钢筋网焊接、系统锚杆注浆效果、锁脚锚管注浆效果、初喷混凝土封闭、超前锚杆施工质量等问题均不容忽视，而且有时某一环节会起到关键作用。,软岩双线隧道科研指导设计施工情况,(3)系统注浆长锚杆、径向注浆加固、锁脚锚管、预留核心土、加强钢架纵向连接等措施，是单层支护条件下使支护体系的强有力的保证措施。锚杆（锚管）注浆加固优于加大支护刚度。 (4)尽量采用“单层支护+补强措施”解决问题。在适当加强的支护条件下，变形不稳定时适时施作支护补强(边墙长注浆锚杆、网喷混凝土)，实现洞室稳定。避免过早施作二衬、使二衬过大受力，确保运营安全。 (5)软岩大变形隧道深刻认识纵向
19、位移的危害，并采取专项措施控制。,软岩双线隧道科研指导设计施工情况,5.2 设计支护参数,针对目前施工情况及进度要求，对于软岩双线隧道的施工变形控制，在设计方面采用改进的H175支护参数进行控制。在此设计支护参数基,础上，应加强辅助措施施工质量的监管力度，把设计锚杆、锚管、径向注浆等手段实施到位，保证质量的情况下，变形还是可控的。,软岩双线隧道科研指导设计施工情况,5.3 施工方法及工艺优化建议,(1)采用三台阶法施工，上台阶长度控制在6m以内，上台阶高大于4.5m (不宜太低)，必须预留核心土，核心土长度3-4m为宜。 (2)锁脚锚管及系统锚杆在核心土后方施作，以保障角度及效果。 (3)保障
20、拱脚等节点部位垫块或垫板的实施，加强该部位纵向连接，更好地控制纵向位移。 (4)钢架背后回填注浆，充填背后空洞，以保障钢架与喷层间的密实性。 (5)适当加大预留变形量，预留二次补强空间，避免拆换。 (6)二次衬砌拆模时间在1.5-2d以上，以保障二次衬砌的强度。,3,贵广铁路天平山隧道,1 合同规定的试验内容,4 掌子面围岩内部位移量测,试验结果,掌子面内部纵向位移量测结果,DK372815 DK372 +845,掌子面内部沉降量测结果,4 掌子面围岩内部位移量测,试验结果,掌子面内部纵向位移量测结果,DK372526 DK372 +396,测管形状图,4 掌子面围岩内部位移量测,试验结果,掌
21、子面内部沉降量测结果,DK372526 DK372 +396,六、黄土隧道位移监测,黄土的结构特征使其有与一般土类似的较大竖向变形参数，但存在较高的抗拉能力；其竖直节理及结构面使其横向变形小于竖向，与一般砂性土相比具有脆性拉应变破坏特征；浅埋土地层隧道施工引起地层变形形成地表不均匀的沉降凹槽和滑动趋势楔形体。,黄土的分布,黄土在全世界分布面积达1300万平方公里，约占陆地总面积的9.3。在北半球，黄土分布于北纬3055之间地区；在南半球黄土分布在3040之间的地区。 我国黄土以其分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大而著称于世。分布面积约64万平方公里，以西北地区和黄河中游地区最为发育，多分
22、布于甘肃、陕西、山西地区，青海、宁夏、河南也有部分分布，其它如河北、山东、辽宁、黑龙江、内蒙古和新疆等省(区)也有零星分布。在西北地区、黄河中下游一带构成著名的黄土高原，连续面积达44万平方公里。,早在20世纪六十年代中期，陇海线三门峡潼关段各黄土隧道施工中均发现有不同程度的地表裂缝；郑西高速铁路建设初期，15座黄土隧道均发现有地表施工裂缝；黄土公路隧道也有相同发现。因此，黄土隧道易形成施工地表裂缝。,隧道施工产生地表裂缝分析,图6-4 施工地层裂缝形成机理,(开挖临空使楔形体向下滑动，当滑动剪应力大于土体抗剪强度时，形成剪切破坏。滑动楔面分力作用使滑动面外侧表层土体产生隆起现象。地表产生拉断
23、裂缝，滑动体自重力使深层土体难以形成张开裂缝。),6 施工地层裂缝规律室内模型试验,（1）黄土隧道地表多可见裂缝，并大多位于60m埋深以下；少数隧道出现6070m埋深。（2）裂缝位置为隧道两侧即纵向裂缝和洞顶的环向裂缝，裂缝方向均向内倾斜，与隧道开挖临空面的楔形滑动面密切相关。浅层黄土因其抗拉强度低和故有的原生节理而张开，地表裂缝坑探可见裂缝深度3.010.0m，可见裂缝深度有限（深层受自重挤压不能张开），一般不会到达隧道顶部。（3）出现施工地表裂缝时的地表沉降、拱顶下沉数值分散，多数在50mm200mm。,（1）施工控制标准 支护封闭距离小于2倍隧道跨度，施工地表沉降变形小于100mm，可防
24、止出现宽大施工地表裂缝。（2）有害地表裂缝处理方法 为了防止地表水沿裂缝下渗，对已形成的裂缝采用注浆或回填灰土的方法进行及时封闭。,施工控制标准和地表裂缝处理技术,黄土隧道变形特征,(1)新黄土隧道变形释放快、具突然破坏性(2)老黄土隧道变形慢、支护强度不足也易形成塌方(3)黄土隧道变形量大(4)黄土隧道变形时间长、直至支护闭合(5)黄土隧道易形成施工地表裂缝,黄土隧道施工地表裂缝的形成机理,(1)黄土隧道围岩构造特征是其内因之一 按照土体结构力学的思想，黄土的颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性质和颗粒接触关系等确定了的黄土湿陷性，而黄土中的节理及结构面是控制黄土隧道工程施工地表裂缝形成机制与隧道
25、稳定性的主要因素。(2)黄土较高抗拉强度和力学性质各向异性是其内因之二(3)隧道施工后隧道上方地层形成滑动趋势面和形成地表地层拉应力是外因,地表裂缝出现的变形规律,现场调查地表可见或宽大裂缝多发生于地表沉降值在80mm以上；数值理论分析出现地表裂缝时的施工地表沉降95mm128mm(台阶法、全断面法施工)。模型试验发现在埋深在30m以内，最大地表沉降达到50.0104.0mm时，地表就有可能产生裂缝；当埋深达到50m时，地表中心沉降在130mm以上才能产生裂缝。,思考题,隧道监控量测的目的、方法和存在问题一、目的：稳定性判别二、方法：位移稳定性判别方法三、问题：标准、手段、水平,谢谢大家！,祝各位专家、领导,身体健康！工作顺利！,
