隧道監(jiān)控測量方案

隧道監(jiān)控測量方案（一）地質超前預報雁門關隧道地質較復雜，分布斷層多。做好地質超前預報對工程施工安全有極其重要的意義。經(jīng)在綜合分析，我們決定采用TSP202隧道地震波超前地質預報系統(tǒng)，對雁門關隧道出口段施工進行地質超前預報。1.預報原理TSP202超前地質預報系統(tǒng)是利用地震波在不同均勻地質體中產(chǎn)生的反射波特性來預報隧道掘進面前方及周圍臨近區(qū)域地質狀況的。它是在掌子面后方邊墻上一定范圍內布置一排爆破點，依此進行微弱爆破，產(chǎn)生的地震波信號在隧道周圍巖體內傳播，當巖石強度發(fā)生變化，比如有斷層或巖層變化時，會造成一部分信號返回（見圖7-16），界面兩側巖石的強度差別越大，反射回來的信號也越強。返回的信號被經(jīng)過特殊設計的接收器接收轉化成電信號并進行放大，根據(jù)信號返回的時間和方向，通過專用數(shù)據(jù)處理軟件處理，就可以得到巖體強度變化界面的方位。2.數(shù)據(jù)采集洞內數(shù)據(jù)采集包括打接收器孔和爆破孔、埋置接收器管、連接接收信號儀器及爆破接收信號等過程。TSP202超前地震預報系統(tǒng)洞內爆炸的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，一般情況下，它是一個接收器孔和24個爆破孔組成。接收器距掌子面約55m，最后一個爆破孔距掌子面約0.5m。爆破孔間距1.5m，孔深1.5m，孔徑19～45mm，孔口距隧底約1.0m，向掌子面方向傾斜約10°，向下傾斜10～20°；接收器與第一個爆破孔間距20m，接收器孔深2.4m，孔徑32～45mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向傾斜約10°，向下傾斜10～20°。為使接收器能與周圍巖體很好地藕合以保證采集信號的質量，采集信號前至少12h時應將一個保護接收器的接收器套管插入孔內，并用含兩種特殊成分的不收縮水泥砂漿使其與周圍巖體很好地粘結在一起。每個爆破孔裝藥量10～40g，根據(jù)圍巖軟硬和完整破碎程度以及距接收器位置的遠近而不同。若地震情況特別復雜，有時需要在隧道另一邊墻上也布置一個接收器和24個爆破孔，通過左右邊墻所測資料的對比分析，得出較為準確的判斷結果。3.數(shù)據(jù)處理將洞內采集的地震數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞覂扔嬎銠C上，應用TSP202數(shù)據(jù)處理軟件進行地震波分析處理：波形處理、預報計算、預報輸出。根據(jù)所掌握的地質資料，判斷出巖體強度變化界面節(jié)理密集帶、斷層還是巖性分界面。4.地質超前預報工藝流程地質超前預報工藝流程見附圖5-13。5.預報工作注意事項（1）為保證預報長度、預報精度，提高預報質量，在一切可能的情況下盡量減少環(huán)境噪聲，爆破接收信號時隧道內應停止一切施工作業(yè)。（2）確定好采樣間隔和采樣數(shù)目。（3）安放接收器一定要與周圍巖體很好地藕合，以保證采集信號的質量，其方法用早強膨脹水泥砂漿，使接收器與巖體粘貼好。（4）優(yōu)化作業(yè)程序，科學組織施工，采取不停工采集數(shù)據(jù)，為隧道掘進贏得時間。（5）對爆破炸藥作震源對預報結果的影響要引起重視。（二）洞內施工監(jiān)控量測施工監(jiān)控量測是在隧道開挖過程中，使用各種量測儀表和工具對圍巖變化情況和支護結構的工作狀態(tài)進行量測，及時提供圍巖穩(wěn)定程度和支護結構可靠性的安全信息，預見事故和險情，作為調整和修改支護設計的依據(jù)，并在復合式襯砌中，依據(jù)量測結果確定兩次襯砌施做時間。根據(jù)雁門關隧道圍巖的多樣性及不良地質地段多的特點，為加強施工過程的監(jiān)控量測，確保施工安全，我們擬采用信息化施工監(jiān)控量測技術和實用的量測圍巖應力-應變方法，控制圍巖變形，掌握準確的數(shù)據(jù)，修正參數(shù)，指導施工。1.各類圍巖量測項目監(jiān)測項目分必測項目（A類）和選測項目（B類）。必測項目是用以判斷圍巖的變化情況和支護結構工作狀態(tài)的經(jīng)常性量測。選測項目是用以判斷隧道圍巖松動狀態(tài)、噴錨支護效果和積累資料為目的的量測。各類圍巖量測項目見表7-12.圍巖量測項目表表7-12項目圍巖條件洞內觀察(A)凈空變位(A)拱頂下沉(A)地表下沉(B)圍巖位移(B)錨桿軸力(B)襯砌應力(B)錨桿拉拔試驗(B)圍巖條件(B)洞內收斂性(B)硬巖(III～IV)××××××××××××××××軟巖(I～II)××××××××××××××××××××××土砂×××××××××××××××××××××注：×××——必進行項目；××——應進行項目；×——必要時進行項目。2.運用隧道三維非接觸量測新技術方法在隧道工程中，工程測試技術越來越受到重視，但圍巖凈空位移量測基本上還是沿用20世紀60～70年代的量測方法，一般采用鋼尺式收斂計，掛鋼尺抄平等接觸方式進行。這種方法具有成本低、簡便可靠、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，但采用此種方法有以下幾點不利因素：該法對施工干擾大；由于人為因素對測量精度影響較大，測量質量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生人為錯誤，不能保證施工安全；測速慢，從而更加大了對施工的干擾；當跨度大于15m時，由于鋼尺的抖動、拉伸、溫差等因素及工作條件惡化使測量無法進行。以上這些都使鋼尺式收斂計越來越難以滿足現(xiàn)代隧道快速、大跨、安全施工的技術要求，因此，在施工中我們從高精度、簡單實用、快速準確的原則出發(fā)采用非接觸觀測。（1）非接觸觀測原理非接觸觀測是以光學/電磁方式遠距離測定結構上點位的三維坐標。由于無須接近測點，該法避免了傳統(tǒng)接觸式觀測必須觸及測點才能觀測的缺點，是隧道變形觀測技術的發(fā)展方向。在施工中我們采用全站儀自由設站，全站儀自由設站是儀器從任一未知點上設站觀測若干已知點的方向和距離，通過坐標變換求得該測站上儀器中心的坐標，然后以此測出其余新點的坐標。由于僅使用一臺測量儀器且儀器測站可以自由設置不需要造點對中，同時觀測數(shù)據(jù)可通過現(xiàn)場計算機快速處理，同時觀測數(shù)據(jù)可通過現(xiàn)場計算機快速處理，因此全站儀自由設站法對于在隧道狹窄空間內進行精度要求較高的實時變形觀測作業(yè)是很適合的。（2）觀測系統(tǒng)：自由設站三維變形百接觸觀測系統(tǒng)由觀測主機全站儀、反射靶標以及計算機組成。（3）觀測要點1)目標點與測站設置(A)基準點：基準點用于建立三維坐標系，要求穩(wěn)固不動，其坐標可根據(jù)現(xiàn)場情況自行設置而不必測量（如用于建立絕對三維位置坐標系則需先測定基準點的坐標，對于變形作業(yè)一般無此要求）。在隧道在隧道出口設置4個地面基準點，其中2點為校核點；在洞內襯砌上設置后視點，用于坐標傳遞。地面基準點用混凝土澆鑄而成，埋置深度1m，采用對中桿及圓棱鏡觀測。洞內后視點由變形點反面粘貼反射膜片而成。(B)變形點變形點為設置在結構上用于監(jiān)測結構變形的測點。隧道在洞內襯砌上共設置了180個變形測點，每斷面3個，分別位于墻腳（路面以上1m）起拱線以上0.5m及拱頂處。變形點由薄鋼板（2.5mm厚）彎成直角形狀并用膨脹螺栓錨固在襯砌表面上而成，反射膜片裁成70mm方片粘在鋼板上。變形點的觀測距離為29-85m，反射膜片與儀器光軸的傾斜角度不大于30度。(C)測站儀器測站在洞內設置了4個，洞外設置了2個。洞內測站設于邊墻電纜槽上。為避免車輛振動干擾以及安全起見，觀測時測站附近設置了防護區(qū)。由于是自由設站，測站上儀器無需對中。但為了消除膜片傾斜對測距的影響，測站位置大致固定（即在測站處做一標記，每次觀測儀器均架在該處）。2)觀測：觀測前，把全站儀的各項軸系誤差及指標差進行準確調校。觀測時，打開儀器的角度改正及補償器功能，并對儀器進行氣壓和溫度的氣象改正。觀測采用記錄測量模式，所有觀測數(shù)據(jù)均存儲在GRM10模塊內。為了確保觀測精度，采用三次重復設站，每次設站采用雙盤測回結合三次重復照準的冗余觀測方法，即每一測站上分別用兩個盤位連續(xù)、重復照準三次目標點，得23個觀測值，然后取其平均值作為一次設站觀測的結果。（4）觀測精度及觀測結果的評定1)觀測量的實際觀測誤差觀測量為水平方向H、豎直角V和斜距D，其觀測誤差用標準差S評定，雙盤位連續(xù)照準三次的觀測量平均值X的標準差按下式計算：式中X1.X2——I、II盤觀測量X1（i）X2(i)的平均值。2)三維坐標/收斂基線的觀測精度對于目標量F（三維坐標/收斂基線長）={H，V，D}，觀測量平均值誤差對F的一次觀測的影響SF可由誤差傳播率計算得出，則三次重復設站的平均值F的精度為：而平均值F的精度還可根據(jù)目標量三次設站的實測結果，按貝塞爾式給出：根據(jù)觀測量的實際觀測誤差以及三次重復設站的實測結果，分別按上述計算與實測方法對隧道三維坐標和收斂基線的觀測精度進行評定。3)變形觀測精度凈空變形的觀測結果ui為三維坐標/收斂基線的初始觀測值與當前觀測值之差，即，則在等精度條件下，其觀測精度為。4)變形觀測結果的評定按A類不確定度方法給出重復設站的變形觀測的最終結果為：式中，ui為凈空實際變形的范圍值，其置信概率為p（一般取95%）。對于正態(tài)分布，覆蓋因子（由t-分布表查取）。對于三次重復設站，自由度v=2。5)凈空變形觀測成果：根據(jù)觀測結果可得出：凈空收斂變形、凈空周邊點位移；根據(jù)收斂及周邊點位移的觀測結果，可對隧道的凈空變形形態(tài)進行評估及變形預測。采用非線性回歸和灰色理論對觀測結果進行預測，建立三種預測模型進行綜合分析預測即：上述式中，I、II為回歸預測模型，采用時間t加權最小二階乘計算參數(shù)A、B、r，權函數(shù)為III為GM（1，1）灰色模型所確定的預測方程。3.運用各種量測儀表和工具監(jiān)控量測方法（1）測試要點1)洞內觀察：開挖工作面的觀察，在每個開挖面進行，特別是軟弱圍巖條件下，開挖后應立即進行地質調查，并繪出地質素描圖。若遇特殊不穩(wěn)定情況時，應派專人進行不間斷觀察。2)圍巖位移量測：圍巖位移量測是在鉆孔中埋入單點或多點位移計以測試巖體內部各點的相對位移。圍巖位移量測斷面縱向間距一般為凈空變化量測斷面間距的3～5倍。3)B類量測項目：主要用于驗證預設計的合理性和探討與支護襯砌的受力機理，作為A類量測的補充，用以調整和改變設計。B類量測宜在施工初期階段進行。量測斷面布置原則上應設在有代表性地質地段。4)凈空變化量測和拱頂下沉量測：凈空變化量測和拱頂下沉量測在同一斷面上進行。量測斷面的間距與隧道長度、圍巖條件、開挖方法等多種因素有關，一般按表7-13選用。凈空變化量測和拱頂下沉量測間距表(mm)表7-13圍巖類別洞口附近淺埋地段施工初期階段取得效果后Ⅴ、Ⅳ10～1510～152050Ⅲ10101520Ⅱ551010～20Ⅰ551010～20（2）測點布置和量測1)凈空量測測點布置凈空變化量測基線在橫斷面上的布置見表7-14和圖7-18所示。以水平基線量測為主，必要時設置斜基線。凈空變化量測基線布置表表7-14一般地段特殊地段洞口埋深小于2D膨脹或偏壓地段實施B類量測地段全斷面1～2條水平基準線1～2條水平基準線三條三角形基線三條基線三條基線短臺階2條水平基準線2條水平基準線四條基線四條基線四條基線注：D為開挖寬度2)凈空量測(A)把凈空變位儀的短桿固定在施測的兩測點的巖體內。(B)根據(jù)圍巖條件確定量測間距。(C)量測精度：在變位量比較小的情況下，一般為0.1mm，在變位量比較大的情況下為1mm。3)拱頂下沉測點布置：拱頂下沉量測測點，一般布置在拱中和兩測拱腰，每斷面布置三點，當受通風管或其他障礙時，可適當移動位置。4)圍巖位移和錨桿軸力量測。根據(jù)圍巖條件和工程重要程度，每斷面設置2～5個測點，見圖7-2-19。（3）量測頻率和結束量測的時間1)量測頻率主要根據(jù)位移速率和測點距開挖面距離而定，一