隧道监控量测的应用

摘要：本文对隧道监控量测技术的应用进行简单的探讨。

关键词：隧道监控；量测技术；应用

Abstract: in this paper, the application of tunnel monitoring measurement technique to carry on the simple discussion.

Key words: tunnel monitoring; Measurement technology; application.

中图分类号：TL372+.3文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1.前言

隧道施工中的位移观测统称为变形观测，它包括的内容很多，如地表沉陷观测，隧道，隧道拱顶下沉观测，洞顶围岩内部垂直位移观测，洞壁围岩径向位移观测，隧道收敛位移观测，围岩和衬砌内应变观测，围岩压力及两层衬砌间接触应力观测，可缩式钢拱架内力及拱脚反力观测，模筑混凝土衬砌表面应力观测等。根据公路规范及常规设计要求，我们对隧道监控量测施工工法进行了归纳总结，以便于同类型工程借鉴使用。

2.特点

监控量测是在现场应用测试仪表和工具，对隧道的力学参数（如位移、应力、应变）进行量测及对地质和支护状态进行观察，能够直观地获得工程结构和岩体的稳定性信息，并将该信息用于指导设计和施工。

3.适用范围

监控量测是对围岩动态监控的重要手段，是新奥法的重要组成部分。适用于对隧道或其它岩土工程的力学参数进行量测。

4.量测的目的

4.1 确认工程的安全性

（1） 掌握隧道围岩和支护的动态信息并及时反馈，以便指导施工作业；

（2） 通过对围岩和支护的变形和位移、应力量测，合理修订支护系统设计；

（3） 确认作为结构物的隧道的稳定状态；

（4） 掌握隧道开挖时对周围其它构造物的影响程度。

4.2 确保工程的经济性

（1） 优化设计，提高设计施工的经济性，合理降低工程造价；

（2） 将量测信息反馈到设计施工的同时，积累资料，为以后工程积累资料。

5.量测内容与方法

5.1 量测内容与方法

现场监控量测应根据围岩条件、工程规模、支护类型和施工方法等来选择测试项目。具体量测项目和方法见表1。量测项目分为必测项目和选测项目两大类。必测项目是为了在设计、施工中确保围岩稳定，并通过判断围岩的稳定性来指导设计、施工的经常性量测。通常表1中1～4项为必测项目，这类量测测试方法简单，费用少，可靠性高，但对监控围岩稳定，指导设计施工却起着重要作用。

隧道监控量测项目及量测方法 表1

5.2 现场量测

因为在地下工程测试中，位移量测和锚杆抗拔力试验具有稳定可靠、简便经济等特点，测试成果可直接指导施工、验证设计、评价围岩和初期支护的稳定性。再加上周边位移量测、拱顶下沉量测和锚杆抗拔力试验较其它量测项目实用，并便于推广应用，因此此三项测试项目是最有意义、最常用的必测项目。

在选测项目中，测点的布置应视需要而定，或在有代表性的地段选取若干个测试断面。

（1）净空位移、拱顶下沉量测

净空位移、拱顶下沉的测点间距按表2采用，而净空位移量测（收敛量测）的测线数可参照表3及图1，但净空变化量测和拱顶下沉量测的测试频率根据位移速度及离开挖面的距离而定，具体见表4。

净空位移、拱顶下沉的测点纵向间距表2

空位移量测的测线数表3

注：B为隧道开挖宽度。

图1 净空变形量测和拱顶下沉量测的测线布置示例

a)1条水平测线示例；b)2条水平测线示例；c)3条水平测线示例；d)6条水平测线示例

1－起拱线；2－施工基面

净空位移和拱顶下沉的量测频率 表4

注：B为隧道开挖宽度。

（2）周边位移量测

周边位移量测可与拱顶下沉量测在同一个断面上进行，测点可以共用。周边位移量测间距以表5为准，但可视地质变体、开挖进度、量测数据的情况等作相应地改变。

在施工初期阶段（长隧道在进展到200米之前的阶段），为掌握围岩动态，要缩小量测间距。施工情况良好且地质条件连续时，表中间距可加大。地质变化显蓍时，表中间距可缩短。

距标准周边位移的量测间距 表5

（3）锚杆轴力、锚杆拉拔力量测

轴力量测锚杆在断面上的布置位置，要根据隧道工程设计的支护锚杆位置来确定，见图2。

图2 锚杆轴力布置图

（4）地表、地中下沉量测

通常Ⅰ―Ⅲ类围岩为软弱破碎岩层，其稳定性差或极差，如果覆盖层厚度又很薄，那么隧道开挖时地表下沉量较大或很大。为了判定隧道施工的坑道开挖对地面的影响程度和范

围，因此有必要进行地表下沉测量。

浅埋隧道洞顶地表下沉量测，应在隧道尚未开挖前就开始进行，借以获得开挖过程中全位移曲线。全位移值u计算式：

u=u1+u2+u3

u1---未挖到该测点时已发生的位移；

u2---从开挖到该测点到量测时已发生的位移；

u3 ---实测位移。

地表下沉量测的测点应与净空水平收敛和拱部下沉量测的测点布置在同一横断面上，地表下沉量测断面的纵向间距按表6采用。

地表下沉量测的测点纵向间距 表6

5.3 量测仪器

现场量测根据所用仪器和物理效应的不同可分为下列几种方式：

⑴机械式：如百分表、千分表、挠度计、测力计等。

⑵电测式：如电阻型、电感型、电容型、差动型、振动型、振驰型、电磁型等。

⑶光弹式：如光弹应力计、光弹应变计等。

⑷物探式：如弹性波法、形变电阻率法等。

在实际应用中，现场监控量测仪器见表7。

现场监控量测仪器一览表表7

6安装：

6.1收敛计：有出厂厂家配置的埋设拉环，（或自行制作的）用冲击钻在要量测的点上打入10-15公分的孔，在塞实锚固剂，将拉环砸如孔内，把孔内的膨胀螺丝上紧，待锚固剂凝固后，进行初始

读数。如图6-1

6.2多点位移计：按其直径，长度要求，配置钻机，在拱顶隧道中线位置垂直钻如，完后将位移计拖放好，将孔口连同注浆管一起用锚固剂封死，然后注浆，等全部注满凝固后，进行初始读数。如图6-2

6.3应力计：又名应力传感器。按需要如果是锚杆应力计：需将加工好的锚杆截段将锚杆应力计焊到锚杆上，放如锚杆孔内，封口注浆，最后读数。如果是钢筋应力计要在现场把做好的衬砌钢筋截断，把钢筋计放好焊死，在衬砌混凝土打完前后个读一次数值，检查是否完好。最后在进行初始读数。如图：6-3

7.监控量测数据处理与分析

7.1 量测数据散点图和曲线

量测数据处理分析后，反馈于设计、施工，新奥法就是将监控量测与理论计算相结合的反馈分析计算法，来指导施工及调整施工方法。

现场量测数据处理，即及时绘制位移―时间曲线（或散点图）。

1、 当位移―时间关系趋于平缓时，就要进行数据处理和回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。

2、当位移―时间关系曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时因密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂缓开挖，采取停工加固并进行支护处理。

7.2 周边位移的分析与反馈应用

隧道围岩周边位移是围岩动态的显著表现，所以现场量测主要以围岩周边位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的标准。

数据分析的方法采用一元线性和非线性回归分析。以下为回归分析函数：

u=alg(1+t)u=a+b/lg(1+t)

式中：a、b ――回归常数；

t―― 初读数后的时间(d) ；

u―― 位移值（mm）。

7.3 锚杆轴力量测数据分析与反馈

锚杆轴向力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据，根据锚杆极限抗拉强度与锚杆应力的比值K（锚杆安全系数）即能作出判断。锚杆轴力越大，则K值越小。当锚杆中某段最小的K值稍大于1时也是合理的，但即使出现局部段K值稍大于1，一般亦不会拉断，因为钢材有较大的延性。

7.4 浅埋隧道地表下沉分析

若量测结果表明地表下沉量较大，或出现增加的趋势，则应采取加强支护和调整施工措施，可适当加喷混凝土，增加锚杆、加挂钢筋网、加钢支撑、超前支护、或缩短开挖循环进尺、提前封闭仰拱、预注浆加固围岩等。

8. 工程实例经济效益分析

实例一：长石隧道左线长1596m，右线长1620m，按隧道长度分类属于长隧道。隧道左、右线洞口为Ⅱ类、Ⅲ类围岩，岩体结构面为小断层和节理，部分构成软弱结构面，稳定性较差。隧道洞身部分穿越微风化流纹岩，含角砾凝灰岩，两者紧密接触，岩体属Ⅳ类围岩，稳定性较好，岩石赋存基岩裂隙水，水量贫乏，水文地质条件简单。

根据监控量测数据分析，对左洞K10＋040～K10＋127段围岩稳定性好、变形量小的区段围岩类别由Ⅳ类变更为Ⅴ类，

取消初期支护（含钢筋网片），降低工程造价25万元，同时在满足安全的前提下，加快了施工进度，工期提前8天。

实例二：燕家岭隧道左线长676m，右线长556m，属于软土隧道。

根据新奥法施工法及对围岩情况的量测结果，对初期支护进行了局部调整，钢拱架由原来的间距75～80cm，调整到85～90cm，最大调整到1.05，最小调整到0.60cm ，在保证安全的前提下降低了工程造价。在隧道浅埋层，通过对量测数据分析，为了增加围岩的稳定性，增加了锚杆密度，地表面进行了加固处理。在施工的整个过程没有发生重大危险事故，保证隧道的正常施工。

实例三：郭家山隧道全长4200米，K140+600-K141.020左右有隧道侧压现象，通过位移检测。发现位移量较大，对其进行了二次支护并补达铆杆，使其整体稳固性得到了增强，避免了危险事故的发生，保证了隧道按期交工。

9.结语

在隧道施工阶段，使用各种量测仪表和工具，对围岩变化情况及支护结构的工作状态进行测量，监控量测工作必须坚持每日按时进行，作好原始记录；量测的数据要及时分析处理；根据量测数据分析的结果，随时采取支护加固和施工方案的调整。及时提供了围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据测量结果确定二次衬砌施工的时间。

10．工程应用情况及推广应用前景：

隧道监控项目：周边位移、净空位移量测、拱顶下沉、地表下沉及地质和支护状态观察，及其它项目量测。

隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是围岩动态的显著表现，最能反映出围岩或围岩与支护的稳定性。在施工初期阶段（长隧道在进展到200米之前的阶段），为掌握围岩动态，要缩小量测间距，施工情况良好且地质条件连续时，测点间距可以加大；地质变化显蓍时，间距可缩短。通过对周边位移量测数据处理或回归分析，可推算出围岩最终位移量和掌握位移变化的规律，从而指导隧道的开挖及支护，提高施工的安全性，避免发生安全事故。

隧道监控量测要使用各种量测仪表和工具，定期对各测点进行观测；在数据处理方面，还要求量测人员要有一定的数理统计知识，来对现场数据进行回归分析，从而判断隧道围岩的稳定性及预测事故和险情。

在隧道施工阶段，使用各种量测仪表和工具，对围岩变化情况及支护结构的工作状态进行测量，及时提供了围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整合修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据测量结果确定二次衬砌施工的时间。监控量测控制在隧道的施工安全和指导施工方面有很好的效果。

11.经济效益和社会效益：

根据监控量测的数据分析结果，可以验证勘探设计地质情况，合理调整和优化设计方案，降低工程造价，加快进度，缩短工期。在施工的整个过程及时提供了围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，科学地预报事故和险情，避免了发生安全事故，保障施工人员的生命安全，保证了隧道的正常施工。

在保证安全方面，监控量测发挥着巨大作用。它所带来的效益（无论是经济效益还是社会效益），既有隐性效益，又有直观效益，值得在隧道或其他岩土工程中加以推广和应用。