隧道新奥法量测

隧道新奥法量测第一节 量测项目及其分类一、量测在新奥法设计施工中的意义和作用自从新奥法技术问世以来，隧道和地下工程的设计与施工技 术已有较大的进展。新奥法构筑隧道的特点是，借助现场量测对 隧道围岩进行动态监测，并据以指导隧道的开挖作业和支护结构 的设计与施工。在新奥法支护结构的设计问题上，许多学者曾寻 求过数解法。1978 年以来也发表了许多数解法的文章。但是， 由于岩石的生成条件和地质作用的复杂性，岩石的产状和结构也 非常复杂，并且在隧道构筑过程中，由于开挖方法、支护方法、 支护时机、支护结构刚度等对围岩稳定性都有影响。所以，寻求 能正确反映岩体状态的物理力学模型非常困难。因此，用数解法 所得到的成果至今还不能作为新奥法设计的依据。目前，新奥法的设计工作是在其理论基础的指导下，参考已 建工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程对围岩的量 测分析来完善设计。因此，量测工作是监视设计、施工是否正确 的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它始终伴随着施工的 全过程。是新奥法构筑隧道非常重要的一环。实践证明，利用工 程类比法和量测手段获得有关参数进行设计是可以收到满意的 效果的。例如，在慕尼黑地铁设计中，应用数解法得出的喷射砼厚度 应为30cm，但根据工程类比经验判断，有15cm厚就够了。后 来在实际施工中的量测结果表明，喷砼有15cm厚足够了，所以 量测工作也是新奥法设计工作的组成部分。新奥法量测工作的作用（或目的）为：1掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结构修 改设计，指导施工。2预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。 3积累资料，为以后的新奥法设计提供类比依据。 4为确定隧道安全提供可靠的信息。5量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行预测 和反馈，以保证施工安全和隧道稳定。二、量测项目及其分类隧道施工的监测旨在收集可反映施工过程中围岩动态的信息，据以判定隧道围岩的稳定状态，以及所定支护结构参数和施工的合理性。因此量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。1必测项目必测项目是必须进行的常规量测项目，是为了在设计施工中 确保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性 量测。这类量测通常测试方法简单、费用少、可靠性高，但对监 视围岩稳定，指导设计施工却有巨大的作用。必测项目是新奥法 量测的重点：主要包括：（1）隧道内目测观察（2）隧道内空变位量测（3）拱顶下沉量测（4）锚杆拉拔力量测2选测项目选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补 充测试，以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及喷锚 支护的效果，为未开挖区段的设计与施工积累现场资料。这类量 测项目测试较为麻烦，量测项目较多，费用较高，因此，除了有 特殊量测任务的地段外，一般根据需要选择其中一些必要的项目 进行量测。必须指出在各类围岩中，不论是单线或是双线隧道，深埋或 者是浅埋，地质和支护状况观察均列为必测项目。实践证明，开 挖工作面的工程地质与水文地质观察和描述，对于判断围岩稳定 性和预测开挖面前方的地质条件是相当重要的，开挖面附近初期 支护状态的观察和裂缝描述，对判断围岩的稳定性和支护参数的 检验也是不可缺少的。在 I、II、III、IV 类围岩中，也不论是单 线或是双线隧道，深埋还是浅埋，隧道周边位移和拱顶下沉的量 测也是主要的必测项目。此外，锚杆或锚索内力及抗拔力，也是 隧道新奥法施工监测的必测项目。在隧道新奥法施工的测试中，隧道周边位移、拱顶下沉和锚 杆抗拔力试验是最有意义和最常用的项目。它具有稳定可靠、简 便经济等特点。量测结果可直接指导施工，验证设计、评价围岩 和初期支护的稳定性。由于周边位移和拱顶下沉量测以及锚杆抗拔力试验较其它量测项目实用，并便于推广应用，因此将这三项 测试项目均列为必测项目。IIII 类围岩为软弱破碎岩层，其稳定性差，如果覆盖岩厚度 很薄，于是在隧道开挖时地表会产生下沉，为了判定开挖对地面 的影响程度和范围，因此需要进行地表下沉量测。关于量测仪表，设备以及有关工具的选择，将在各量测项目 中介绍。第二节隧道内目测观察在地下工程中，开挖前的地质勘探工作很难提供非常准确的 地质资料，所以，在施工过程中对前进的开挖工作面附近围岩的 岩石性质、状态进行目测。对开挖后动态进行目测，对被覆后围 岩动态进行目测，在新奥法量测项目中占有很重要的地位。一、观察目的细致的目测观察，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。 因此隧道目测观察的目的是：1预测开挖面前方的地质条件2为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据3根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的 可靠程度二、目测观察内容1开挖后没有支护的围岩的目测，主要是了解开挖工作面 的工程地质和水文地质条件。（1）岩质种类和分布状态，境界面位置的状态；（2）岩性特征：岩石的颜色、成分、结构、构造；（3）地层时代归属及产状；（4）节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度 和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等；（5）断层的性质、产状、破碎带宽度、特征；（6）地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水 的化学成分，湿度等；（7）开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。 将目测观察到的有关情况和现象，应详细记录并需绘制以下 图册：（1）绘制隧道开挖工作面及两帮素描剖面图。 要求每个监测断面绘制剖面图1张（2）剖面图位置及间距 一般情况下剖面图的间距应随类型、构造、水文地质条件不 同而异。II 类围岩剖面素描图间距为 10mIII 类围岩剖面素描图间距为 20mIV 类围岩剖面素描图间距为 40mV 类围岩剖面素描图间距为 50100m（3）现场绘出草图，室内清绘成正规图件，装订成册。 2开挖后已支护段的目测内容（1）初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝状况的描 述和记录。（2）有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象。（3）喷砼是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷砼是否发生 剪切破坏。（4）有无锚杆和喷砼施工质量问题。（5）钢拱架有无被压屈现象。（6）是否有底鼓现象。 观察中，如果发现异常现象、要详细记录发现时间、距开挖 工作面的距离以及附近测点的各项量测数据。3观察时间： 每次隧道开挖工作面爆破后立即进行观察情况及有关现象， 接要求及时记录整理。三、目测观察中围岩的破坏形态分析1危险性不大的破坏构筑仰拱后，在拱肩部出现的剪切破坏，一般都进展缓慢， 危险性不大，特别是当拱肩部的剪切破坏面上有锚杆穿过时，因 锚杆的抵抗作用，更不会发生急剧破坏。2危险性较大的破坏 在没有构筑仰拱的情况下，当隧道内空变位速度收敛很慢且 内空变位量很大时，拱顶喷砼因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进 展急骤，时常伴有砼碎片飞散，是一种危险性较大的破坏。3塌方征兆的破坏 拱顶喷砼层出现对称的，可能向下滑落的剪切破坏的现象时 或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏，并伴有底鼓现象时，这两种 情况都会引起塌方事故的破坏形态。四、利用目测结果修改设计、指导施工1开挖后目测到的地质情况与开挖前勘测结果有很大不同 时，则应根据目测的情况重新修改设计方案。变更后的围岩类列，地下水情况以及围岩稳定性状态等，由 设计单位和监理组确认，报主管部门审批后，对原设计进行修改， 以便选择可行的施工方法与合理地调整有关设计参数。2当发现开挖工作面自稳时间少于 1 小时的情况时，则可 采取下列措施。（1）采用环形切割法进行研究，先使核心部残留、支护后 再开挖核心部（2）采用分块开挖法（3）对开挖工作面前方拱顶用斜锚杆支护后再开挖（4）对开挖工作面做喷砼防护后再开挖（5）用水平朝前木锚杆或玻璃纤维束锚杆对开挖工作面加 固后再开挖（6）对围岩进行注浆加固后再开挖 3开挖后没有支护前，发现顶板剥落现象时，可采用下列 措施（1）开挖后尽快施作喷砼层，缩短掘进作业时间（2）对开挖工作面前方拱顶用斜锚杆进行预支护后再开挖（3）缩短一次掘进长度（4）采用分块开挖法（5）增加钢拱架加强支护（6）对围岩进行注浆加固后再开挖 4开挖工作面有涌水时，可根据涌水量大小，由小到大依 次选取下列措施中的一项或几项（1）增加喷砼中的速凝剂含量，加快凝结速度（2）使用编织金属网改善喷砼的附着条件（3）对岩面进行排水处理（4）设置防水层（5）打排水孔或设排水导坑（6）对围岩进行注浆加固。5发现有锚杆拉断或垫板陷入围岩壁面内的情况时，可采 取下列措施。（1）加大锚杆长度（2）使用弹簧垫圈的垫板（3）使用高强度锚杆6发现有喷砼与岩面粘结不好的悬空现象时，可采取下列 措施（1）开挖后尽早进行喷砼作业（2）在喷砼层中加设编织金属网（3）增加喷砼层厚度（4）增长锚杆或增加锚杆数量 7发现钢拱架有压屈现象时，可采取下列措施（1）适当放松钢拱架的连接螺栓（2）使用可缩性U型钢拱架（ 3 ）喷砼层留出伸宿缝（ 4 ）加大锚杆长度8发现喷砼层有剪切破坏时，可采取下列措施（ 1 ）在喷砼层增设金属网（ 2）施作喷砼时留出伸缩缝（ 3 ）增加锚杆长度（4）使用钢拱架或U型可缩性钢拱架9发现有底鼓现象或侧墙向内滑移现象时，可采取下列措 施（ 1）尽快施作喷砼仰拱，使断面尽早闭合（ 2）在仰拱部打设锚杆（3）原设计方案采用全断面开挖时，可用台阶法开挖，原 设计方案采用长台阶或短台阶开挖时，可缩短台阶长度或改用小 台阶法开挖，以缩短支护结构形成闭合断面的时间。上述这些根据目测结果修改设计的措施，可以根据破坏现象 程度的不同，单独采用一项或同时采用几项，在确定采用某项措 施时，有时还需参考一些其它量测结果，特别是参考内空变位量 测结果进行综合分析后再做决定，新发现的破坏现象，必须排除 因施工质量不合要求所导致的结果，否则，难以对破坏现象作出 正确的判断。第三节 隧道收敛位移量测隧道新奥法施工，比较强调研究围岩变形，因为岩体变形是 其应力形态变化的最直观反映，对于地下空间的稳定能提供可靠 的信息，也比较容易测得。围岩的变形特征，除了可以进行围岩稳定性评价和支护结构 的设计外，由于它本身包含了岩性和岩体应力等信息，所以也是 对隧道围岩进行分类的重要依据。围岩位移有绝对位移与相对位移之分。绝对位移是指隧道围 岩或隧道顶底板及侧端某一部位的实际移动值。其测量方法是在 距实测点较远的地方设置一基点（该点坐标已知，且不再产生移 动），然后定期用经纬仪和水准仪自基点向实测点进行量测，根 据前后两次观测所得的标高及方位变化，即可确定隧道围岩的绝 对位移量。但是，绝对位移量测需要花费较长的时间，并受现场 施工条件限制，除非必需，一般不进行绝对位移的量测。同时， 在一般情况下并不需要获得绝对位移，只需及时了解围岩相对位 移的变化，即可满足要求，相应地采取某些技术措施，便能确保 生产安全。因此现场测试多测量相对位移。隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛，所谓隧道 收敛位移量测主要是指对隧道壁面两点间水平距离的变形量的 量测，拱顶下沉以及底板隆起位移量的量测等。它是判断围岩动 态的最主要的量测项目，特别是当围岩为垂直岩层时，内空收敛 位移量测更具有非常重要的意义，这项量测设备简单、操作方便， 对围岩动态监测所起的作用都很大，在各个项目量测中，如果能 找出内空收敛位移与其它量测项目之间物规律性时，还可省掉一 些其它项目的量测。、内空收敛位移量测目的1周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。2根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度为二次衬砌提供 合理的支护时机。3指导现场设计与施工二、量测设备的选择量测隧道内空收敛的仪器多采用收敛计，目前国内外生产的 收敛计种类很多，应当根据隧道跨度的不同和各隧道所要求的量 测精度的不同来选择，目前多采用 KM-1 空收敛计，它是 量测两点间距离或距离变化的仪器，具有重量轻 高，性能稳定等优点，其结构主要由连接、测力 成，其外形如图4-1 所示。主要构件组成有：1 微轴承连接转向器是一种能 体积小，精度 测距三部分组 ：芯血”粋.：:游:宀.: * r ： 沁沁弊嗪殊？：图4-1 KM-T型收敛计1微轴承连接转向器；2测力弹簧外导套 带尺3带孔钢微轴承连接转向器用来连接圆柱形测点并起转向作用。该收敛 计左右两个连接转向器都由相互垂直的微轴承组合构成，它可实 现空间任意方向转向。2 测力弹簧测力弹簧是用来标定钢带尺张力和装置。测力弹簧密封在外 导套与内导管之中，两者用不锈钢制成，这样既保证了弹簧不受 损伤、腐蚀，也保证了弹簧不发生横向弯曲，从而拉高了弹簧测 力精度。保证了每次量测时钢带尺恒定同一个拉力，减少了仪器总误 差。3测距装置测距装置由钢带尺与螺旋测微器组成，钢带尺上每隔20mm 有一定位孔，螺旋测微器测小于 20mm 距离，螺旋测微器最小读 数为0.01mm。每次测量时两者该数之和即为两点间距离。螺旋 测微器还兼有调整钢带尺张力的作用。量测时收敛计悬挂于两个 测点之间旋进螺旋测微器时钢带尺张力即可增加，直至增加到规 定的张力值时停止旋进螺旋测微器。三、KM-1型收敛计使用方法为了使 KM-1 型收敛计量测时准确、可靠、确保量测精度， 使用时必须按照以下方法进行量测。1 悬挂仪器，调正张力量测前先估计出两点间大致距离，将钢带尺固定在所需的长 度上（拉出钢带尺，将定位孔固定在钢尺定位销内）将螺旋测微 器旋到最大读数位置上（25mm处）。将收敛计两端的微轴承连 接器分别套在待测的两个圆柱形测点内，一只手托住收敛计，另 一只手旋进测微器，使钢带尺渐渐处于张紧状态。此时测力弹簧 被压缩，测力弹簧导杆逐渐被拉出，当测力弹簧导杆上拉力刻度 线与导套上窗口处刻度线重合时，两手离开收敛计，并使收敛计 轻轻上下振动，振动停止时观察刻度线是否重合。若不重合，重 复上述调整，直至仪器处于悬垂状态下两条刻度线重合时为止。 此时表明张紧力已调整（10m量程收敛计张紧力为5kg, 1520m 量程收敛计张紧力为6kg，30m量程收敛计张紧力为7kg）。2读数 定位销处钢带尺读数称长度首数，螺旋测微器读数称长度尾 数，首数与尾数之和即为两点间距离。3收敛值 收敛值是指已知两测点间在某一时间段内距离的改变量。令 q时刻观察值为R, t2时刻观测值为R2，则收敛值Au=Ri-R2， 此值除以时间差At=t2-t，即为收敛速度，必须指出，前后两次 观测时的量测方法相同，即收敛计悬挂方向相同，钢带尺张紧力 调整过程相同，这样可以消除仪器悬挂，调整张力等系统读数， 以利提高量测精度。由于 KM-1 型收敛计其微读数是随隧道内空的缩小而减小。 所以计算第i项与上一项量测的收敛差值为曾=Ri-1 - Ri第n次量测的总收敛值为Auni4钢带尺刻度误差消除i2任何类型收敛计的钢带尺定位孔位都有误差，称为刻度误差 刻度误差是不可避免的，但可通过量测方法将其消除而不影响量 测结果的精度，一般有以下两种情况。（1）换孔前后均能读数钢带尺定位孔间距为20mm,螺旋测微器量程为25mm,当 测微器读数值小于5mm时，钢带尺需要换孔量测，换孔前量测 一次，令测微器读数为R，旋转测微器至25mm，钢带尺换孔， 换孔后再测一次，令测微器读数为R，则孔位读数mm = R-R-aa （AA 为钢带尺定位孔间距 AA=20mm）。孔位误差求出后对换孔观测值进行改正，即可求得正确的观 测值。例:换孔前测微器读数衣一 3 64mm，然后旋转测微器到25mm， 钢尺进行换孔，调整张紧力进行第二次读数，得测微器读数 R“ = 23.85mm，则孔位误差m = R - R - AA = 23.85 3.64 20 = 0.21mm改正后正确读数为23.85-0.21=23.64mm从该例可以说明换孔前测微管数加上 20mm 可直接作为换 孔后测微器读数，这一规律可方便观测者消除了孔位误差。（2）换孔前不能读数 当量测间隔时间内出现较大变形，换孔前不能读取数值，则 应按下式计算收敛法，Au = R1 R + KAA（K为换几个数）。例：第i-1次的微读数为5.04mm（小于5mm）,下次量测时需 钢带尺换孔，由于变形大换孔前读不出微读数，换孔后第I次量 测的微读数R.为19.55m m。因而其收敛值AuiiAu = 5.04 一 19.55 + 20 = 4.59mm5测值温度修正由于钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测环 境温度不尽相同，而要对观测值进行温度修正，以消除变温引起 的误差。一般以20C为标准，其修正值应为R = l -a （20 t ）tiiiR = R + R式中：R第7次量测的真实读数（mm）itR.第i次量测的实测读数（mm）iR因温度变化的读数的变化值（mm）L-第i次量测时的钢尺挂孔长度ia 钢尺线膨胀系数a =12.6 X10 -/G四、监测断面的设置监测断面必须尽量靠近开挖工作面，但太近会造成开挖爆下 的碎石砸坏测桩，太远又会漏掉该量测断面开挖后的变位值，根 据公格隧道施工技术规范第 9.2.5 条规定，测点应距开挖面 2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前 测读初次读数。监测断面沿隧道纵向设置的间隔，根据岩性不同与围岩类别 的差异，铁路隧道新奥法指南提出按以下要求布置各类围岩 监测断面的间距。II 类围岩 510mIII 类围岩 1020mIV 类围岩 2050mV 类围岩 20100m从以上可以看出围岩类别越低，监测断面布置的越密。公路 隧道施工技术规范根据日本新奥法设计施工细则提出按表 41 要求布置。净空位移，拱顶下沉测点间距（单位： m）表 41条件围岩洞口附 近埋深小于2B施工进度200m 前施工进度200m 后硬岩地层（断导破碎 带除外）10102030较岩地层（不产生很 大塑性地压）10102030软岩（产生很大塑性 地压）10102030注：B为隧道开挖宽度。五、测桩埋设与测线布置 当采用全断面开挖时，在一般地段每个监测断面通常埋设测 桩 1#、2# 、3#、4#、5# 共 5 个，布置 A、B、C、D 共 4 条测线， 如图4-2 所示。若为半断面开挖，可先埋设 1#、2#、3#测桩，对 A、B、C3条测线进行量测，当下台阶开挖到达相应的监测断面位置时，再埋设4#、5#测桩，对下部D线进行量测。cbad图4-2测桩布置形式在特殊地段，根据具体情况，可 另增设测线。对埋设测桩的要求：11#、 2#、 3#、 4#及 5#测桩应埋 设在同一垂直平面内。21#和 2#及 4#和 5#测桩分别在同 一水平线上， 3#测桩应埋设在拱顶中 央。31#、 2#测桩应埋设在起拱线附近， 4#、 5#测桩应放在施工 底面上 1.5m 左右。六、量测频度根据围岩变形规律，变形量在开挖后初期变形大，以后逐渐 变缓，最后趋于稳定，根据公路隧道施工技术规范第 9.2.1 条规定量测频度为开挖 115 天12 次/天1630 天1次/2 天3190 天1 次/周91120 天 1次/2 周120 天以上 1 次/月另外，公路隧道施工技术规范第 9.2.6 条规定，净空变位 量测和拱顶下沉量测的测试频度主要根据位移速度及离工作面 的距离而定，如表42 所示。净空位移和拱顶下沉的量测频度表 42位移速度距开挖面距离量测频度10mm/d 以01B12次/日105mm/d12B1次/日5lmm/d25B1 次/2 日lmm/d以下5B以上1次/周注：B为隧道开挖频丿度由位移速度决定的量测频度和由距开挖面的距离决定的量 测频度之中，原则上采用频度高的，当位移倾向一定时，并可以 采用表42 的数据。由于测线和测点的不同，位移速度也不同，因此应以产生最 大位移速度来决定量测频度。在塑性流变岩体中，位移长期（开挖后两个月以上）不能收 敛时，量测要继续到每月为 1mm 为止。七、拱顶下沉量拱顶下沉量的大小，根据测线A、B、C的实测值并利用三角 形面积公式换算求得，如图4-3 所示。即拱顶下沉量Ah = h -hh1 = - vS(S - a)(S - b)(S - c)1 a(4-1)S = 2 (a + b + c)2 h2 =S (S- a )(S- b )(S- c)2 a(4-2)S = (a + b + c) 2(4-3)式中：a、b、c12图4-3拱顶下沉计算布置示意图为前次量测A线、B线、C线所得的实测值 为后次量测A线、B线、C线所得的实测 值现场监控量测报告单，如表4-3 所示，量测组人员在现场量测时逐项一一认真填写，并对有关量测数据及时进行处理。将分 析结果与发现的问题，速送现场施工单位与监理组，以便用反馈 的信息指导施工，修改设计。至于有关数据处理有关问题将在第五章中论述。隧道现场监控量测报告单表 4-3项目 合同号： 承包单位：名称监理编 号：单位净空收敛量测记录表量测断面里程： 开挖日期： 岩层类型：开挖面里程： 埋点日期： 测线编号：测线布置图岩性描述：1b)24d丿5观测 时间洞 内钢尺读 数(mm)微读数(mm)温度 修测量差 值总收日 期时 刻挖面距离温 度123平 均正 值计 算 值敛 值量测者：总工程师：监理工程师：日期、一f记录者：