监控量测技术在隧道施工中的应用

中铁一局集团第五工程有限公司     安万里

摘  要  本文着重介绍监控量测技术及其在施工中的应用。对于隧道软弱围岩地段，监控量测对于选择合理的施工方法，确定合理的支护参数具有不可替代的作用。

关键词  监控量测  隧道施工  应用 

1．监测的目的及意义

在暗挖隧道整个施工过程中对隧道围岩及支护结构的变形和应力状况进行观察、监控和量测,并通过对监测结果的处理，分析地层、支护结构的安全稳定性，判断隧道施工对地层的影响程度；通过信息反馈，修正设计参数，优化施工工艺，改进施工方法，均有重要的指导意义。

综合以上论述，在地下工程施工过程中开展监测量测的主要目的和意义有以下几点：

了解隧道支护结构和周围地层的变形情况，及时反馈地表和洞内位移变化的信息，调整相应的开挖支护参数, 指导并组织信息化施工，保证施工安全；

通过监控量测了解隧道围岩在施工过程中的动态变化，明确工程施工对原始地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节；

提供判断围岩和初期支护基本稳定的依据，确定二次衬砌的施作时间；

通过监控量测，收集数据，为以后的工程设计,施工及规范修改提供参考和积累经验，并可以和计算结果比较，完善计算理论。

2．监测内容及监测控制标准

2.1 主要监测仪器、项目、断面布置和监测频率

2.1.1为了确保监控量测的简便、快速、可靠、准确，使用以下仪器设备进行监测，见表5-1。

表5-1   监测设备及其精度

表   5-2     监测对象及技术要求

、必测项目及方法

2.1.3选测项目及方法

下列项目将根据工程施工需要，有选择地进行。

2.2.1监测断面布置

量测断面间距和每个断面上的测点、类型、位置、个数根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护类型等确定。在不良地质体中，应考虑布置一定数量的选测项目。地表下沉量测布置的测点数应适当多一些，应能测到完整的纵、横向沉降曲线，从而分析隧道施工的纵、横向影响范围和程度。

2.2.1.1必测项目量测断面布置

（1）净空变化、拱顶下沉和地表下沉（浅埋地段）等必测项目应设置在同一断面，地表有建筑物时，应在建筑物周围增设地表下沉观测点。一般，量测断面间距应根据围岩级别、隧道埋深、开挖方法按下表规定：

量测断面间距和每断面测点数量

（2）沉降缝两侧底版不均匀沉降，洞内沉降缝每侧宜布置4个以上的观测点。

（3）洞口段与路基过渡段不均匀沉降，结合路基沉降观测，在洞口、距洞口5～10m、15～20m、50m处各设一个观测断面。

2.2.1.2选测项目量测断面的布置

各选测项目量测断面的数量，宜根据设计要求进行布置，或在每级围岩内选有代表性的断面1～2个，断面上的测试元器件、类型、位置及个数根据需要确定。

2.2.2量测频率

净空变化、拱顶下沉、地表下沉（浅埋地段）各量测项目的量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定。

（1）按位移速度确定量测频率

2.2.2.1当按位移速度和量测断面距开挖面距离选择的测频率出现较大差异时，取量测频率较高的作为实施的量测频率。各项量测作业均应持续到变形基本稳定后2～3周结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。

2.2.2.2地表下沉量测应在开挖工作面前方，隧道埋深与隧道开挖高度之和处开始量测点距，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。

2.2.2.3洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅段；洞内工作面观察应在每次开挖后进行，已施工地段观察每天至少进行一次。

2.2.2.4洞口段与路基过渡段不均匀沉降，应和路基沉降观测频次一致，当环境条件发生变化或数据异常时应及时增加观测次数。

3．主要监测项目实施方法

3.1洞内、外观察

3.1.1监测目的

主要是监测隧道开挖过程中围岩、初期支护、二次衬砌和地表的变化，确保周围建构筑物的安全，掌握隧道的安全状态。

3.1.2监测仪器

地质罗盘、相机、目测等

3.1.3监测实施

开挖工作面观察应在每次开挖后进行，包括围岩岩性、岩质、断层破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌、剥落掉块现象、有无渗漏水等；

在节理、裂隙发育的镶嵌状、块状脆性硬岩地段应重视观察围岩的节理、裂隙走向及发育程度，对易引起坍塌的岩块及时进行锚杆支护或喷射混凝土封闭；

对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射混凝土、锚杆、钢架和二次衬砌等的工作状态

如喷层是否产生裂缝、剥离和剪切破坏、格栅支撑是否压屈。

洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。

观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定卡； 

3.2地表沉降监测

3.2.1监测目的

主要是监测隧道开挖过程中引起的周围地表沉降变形的大小，确保周围建构筑物的安全，掌握隧道的安全状态。

3.2.2测量实施：

地面下沉量测，一般在Ⅳ-Ⅴ级浅埋隧道围岩的施工中进行。覆盖层厚度根据设计资料。

基点布设：埋设在隧道开挖纵横向各（3～5）倍洞径外的区域，埋设5个以上的基点，便互相校核。

测点布设：在测点位置挖长、宽、深均为200mm的坑，然后放入地表测点预埋件，测点一般采用φ22mm的平圆头钢筋制成。测点四周用砼填实，待砼固结后即可量测。

量测：用高精度全站仪、水平仪进行观测。要求a）观测应在仪器检验合格后方可进行，且避免在测站和标尺有振动时进行；b）尽量选择在每一天同一时间内进行观测；观测坚持四固定原则，即：施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定，且应每隔30天用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测，其误差不得超过±0.5mm（n为测站数）。

沉降计算

求得各点高程。施工前，由基点通过水准测量测出沉降测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差△Ｈ＝Hn－H0即为沉降值。

数据分析与处理

a）利用软件绘制时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，根据沉降规律判断围岩稳定状态和施工措施的有效性。曲线正常则说明位移随施工的进行渐趋稳定。如果出现反常，出现反弯点，说明地表下沉出现点骤增加现象，表明围岩和支护已呈不稳状况，应立即采取措施。

b）当位移——时间曲线趋于平缓时，可选取合适的函数进行回归分析。预测最大沉降量。

3.3洞内拱顶沉降及边墙收敛监测

3.3.1监测目的

掌握隧道开挖过程中支护结构变形情况，保障施工安全及分析支护参数。

3.3.2监测仪器

全站仪或水准仪、收敛计

3.3.3监测实施

各级围岩均应进行拱顶下沉、周边位移及收敛量测，软弱围岩也必须进行底板隆起量测，且原则上三者布设在同一断面内。

断面布设的间距：Ⅲ级围岩30～50m，Ⅳ级围岩10m，Ⅴ级围岩5m，围岩变化处适当加密。可在各级围岩起始地段增设1～2组。

拱顶下沉量测测点布置在拱顶，周边位移量测以量测初期支护各点的绝对位移为目的，通过水平及斜向收敛量测，验证周边位移结果，基线位置的高低可根据断面情况，选择在断面变化或者受力集中点处，便于和理论计算的结果进行对比。

拱顶下沉及收敛量测在全隧都必须进行，测点布设按照设计文件要求进行。

点的埋设方式：测点埋设的位置在避免爆破作业破坏的前提下，应尽量靠近掌子面，并在下一次爆破循环前获得初始数据。

a）周边位移及收敛量测：埋设测点时，先在测点处用人工挖孔径为40～80mm，深为25mm的孔。在孔中填满水泥砂浆后插入收敛带弯钩膨胀螺栓预埋件。当采用无尺观测方式采集数据时，在弯钩上贴激光反射贴片，待砂浆凝固后即可量测。

b）拱顶下沉测点布设: 拱顶下沉主要用于确认围岩的稳定性。在每个量测断面的拱顶中心埋设一自制的钢筋预埋件。埋设前，先用小型钻机在待测部位成孔，然后将预埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量测。当采用无尺观测方式采集数据时，在预埋件上贴激光反射贴片。

量测：用高精度全站仪、水平仪进行观测。要求a）观测应在仪器检验合格后方可进行，且避免在测站和标尺有振动时进行；b）尽量选择在每一天同一时间内进行观测；观测坚持四固定原则，即：施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定，且应每隔30天用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测，其误差不得超过±0.5mm（n为测站数）。

沉降、收敛值计算

求得各点高程。施工前，由基点通过水准测量测出沉降测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差△Ｈ＝Hn－H0即为沉降值。采用全站仪时，调用其对边测量功能求得其动态值。

收敛值：采用收敛计时，初始值与施工过程中动态值之差。采用全站仪时，调用其对边测量功能求得其动态值。

数据分析与处理

a）利用软件绘制时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，根据沉降规律判断围岩稳定状态和施工措施的有效性。曲线正常则说明位移随施工的进行渐趋稳定。如果出现反常，出现反弯点，说明地表下沉出现点骤增加现象，表明围岩和支护已呈不稳状况，应立即采取措施。

b）当位移——时间曲线趋于平缓时，可选取合适的函数进行回归分析。预测最大沉降量。

3.4隧底隆起监测

3.4.1监测目的

了解隧道开挖过程中围岩与拱架作用力的作用力下隧底隆起量，及时采取必要措施，确保在可控范围内。

3.4.2监测仪器

全站仪或精密水准仪，铟钢尺。

3.4.3量测实施方法

测点埋设

隧道施工中，底部仰拱架立时，将预埋件垂直焊接在仰拱上。待该环砼喷射完毕牢固后，将预埋件上砼清除干净后，即可进行量测。测点布设原则同拱顶测点，且同拱顶测点布设在同一断面。

底板隆沉量测方法

主要采用全站仪或精密水准仪，量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相较，差值即为累计沉降值。

数据的分析与处理

根据量测数据绘制时间位移曲线散点或距离位移曲线散点图。并结合施工情况对所测数据进行分析。

4、监测重难点对策

4.1拱顶下沉、收敛量测初始读数宜在3～6h内完成，其它量测应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。初始读数对监控量测数据分析非常重要，必须在规定的时间内对观测点进行初始观测。

4.2拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内、外水准基点建立联系。 

4.3采用非接触量测（全站仪）埋设反射膜片时，锚固反射片的锚杆端头宜切割为45～50度斜角，以便测量视线尽量与反射片垂直，增加反射信号强度；

4.4反射片应不定期清除粉尘，防止粉尘覆盖反射片造成目标不清晰并且影响回光信号的强度；

4.5采用全站仪对边测量观测时，每条测线至少应观测3次读数，取平均值作为观测结果，可以有效地提高观测值的精度。

4.6观测过程中必须认真仔细，确保采集的量测数据真实、可靠。根据各个量测项目的观测频率，及时采集量测数据，需要增加观测次数的应及时增加观测次数。隧道开挖过程中遇到“双控”值超限，严格按照本方案的预警措施实施预警。

4.7每次施工工序转换前，对前期工程施工影响范围内的风险工程监测数据做出整理并绘图，分析下步工序施工过程中可能会造成的影响。

4.8加强对地表、建筑物的监测和安全巡视，如发现地表、建筑物出现细微的裂缝和有明显变形时立即上报项目部以及相关单位，及时采取必要的辅助措施。

5．量测数据的整理、分析与反馈

5.1量测数据的整理

5.1.1现场量测所取得的原始数据，应进行数学处理，将各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性，去掉测试错误的数据。

5.1.2每次量测后应及时进行数据整理，并将监测数据输入计算机，用专门程序进行计算处理，绘制量测数据时态曲线和距开挖面关系图。对初期的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度。

5.1.3周边收敛量测后，必要时，可以对每条测线分别进行回归分析，求出各自回归精度最高的收敛——时间回归方程和收敛——距开挖面距离回归方程，以推算可能出现的最终位移和得出位移变化规律。

5.2量测数据分析

5.2.1按实测最大位移值或回归预测最大位移值进行判别

实测最大位移值或回归预测最大位移值不应大于表所列指标，并按变形管理等级指导施工。

双线隧道初期支护极限相对位移（%）

②拱脚水平相对净空变化指两测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比；

③墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.2～1.3后采用。

变形管理等级

5.2.2根据位移变化速度判别：

拱顶下沉、净空变化速率达5.0mm/d或位移累计达100mm时，围岩处于急剧变形状态，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施。

拱顶下沉速率小于0.15mm/d、净空变化速率小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。

5.2.3根据位移时态曲线的形态来判别：

当围岩位移速率不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；

当围岩位移速率保持不变时（du2/d2t＝0），围岩不稳定，应加强支护；

当围岩位移速率不断上升时（du2/d2t＞0），进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。

5.2.4二衬施做条件：a、隧道水平净空变化速度及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；b、隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。对浅埋、软弱围岩等特殊地段，应视现场具体情况确定二衬施做时间。

5.3信息管理与反馈

当量测信息处于Ⅲ级时，按正常时间规定上报资料。

当量测信息处于Ⅱ级时，应立即书面报告项目总工，并提出新的监控措施和施工建议。

监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业，并按设计要求布设监测点，并根据具体情况及时调整或增加量测的内容。量测数据应及时分析处理，并将结果反馈给设计、监理，实现动态设计、动态施工。

根据观察、量测结果，判断原设计不合适时，应及时修正设计，特别是量测结果与初期预测有较大差异，而确认必须进行设计变更时，根据围岩的变化修正设计。对锚杆数量、形状尺寸、喷混凝土厚度、材质、一次掘进长度、钢支撑的等进行局部修正或进行围岩分级、支护模式、变形富裕量、开挖断面形状、施工方法、衬砌厚度等进行修改。

监测信息反馈程序图。

6、结束语

 监控量测是“新奥法”施工的要素之一，在施工中，我们要想得到围岩变形的准确信息，就必须重视监测点埋设、量测频率、数据采集、数据分析、信息反馈等因素。做到以上几点，对于我们在隧道施工过程中修正设计参数，优化施工工艺，改进施工方法，均有重要的指导意义。