隧道施工监控量测技术.docx

隧道施工监控量测技术
一、现场量测内容
(一)量测目的
(1)掌握围岩力学形态的变化和规律；
(2)掌握支护结构的工作状态；
(3)为理论解析、数据分析提供计算数据与对比指标；
(4)为隧道工程设计与施工积累资料。
(二)监测项目与内容
1.地质和支护状态现场观察：开挖面附近的围岩稳定性，围岩构造情况，支护变形与稳定情况，准确掌握围岩情况。
2.岩体(岩石)力学参数测试：抗压强度，变形模量E，粘聚力C，内摩擦角，泊松比。
3.应力应变测试：岩体原岩应力，围岩应力、应变，支护结构的应力、应变。
4.压力测试：支护上的围岩压力，渗水压力。
5.位移测试：围岩位移(含地表沉降)，支护结构位移。
6.温度测试：岩体(围岩)温度，洞内温度，洞外温度。
7.物理探测：弹性波(声波)测试，即纵波速度vp 、横波速度vs、.动弹性模量Ed、动泊松比μdp。
以上监测项目，一般分为应测项目和选测项目。应测项目是现场量测的核心，它是设计、施工所必需进行的经常性量测。选测项目是由于不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测要取得的数据类型而选择的测试项目。由于条件的不同和要取得的信息不同，在不同的隧道工程中往往采用不同的测试项目。但对于一个具体隧道工程来说，对上述列举的项目不会全部应用，只是有目的地选用其中的几项。隧道工程的量测项目如表7-5-1所示。表中l~4项为应测项目，5~11项为选测项目。
二、量测方法
这里介绍几项主要量测项目的量测方法。
(一)地质素描
与隧道施工进展同步进行的洞内围岩地质(和支护状况)的观察及描述，通常称为地质素描。它是隧道设计和施工过程中不可缺少的一项重要地质详勘工作，是围岩工程地质特性和支护措施的合理性的最直观、最简单、最经济的描述和评价。
配合量测工作对代表性断面的地质描述，应详细准确，如实反映情况。一般应包括对以下内容的描述：
l.代表性测试断面的位置、形状、尺寸及编号；
2.岩石名称、结构、颜色；
表7-5-1 隧道现场监控量测项目及量测方法
序号
项目名称
方法及工具
布置
量测间隔时间
1~15d
16d~1个月
1~3个月
3个月以上
1
地质和支护状态观察
岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘等
开挖后及初期支护后进行
每次爆破后进行
2
周边位移
各种类型收敛计
每5~100m一个断面，每断面2~3对测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
3
拱顶下沉
水准仪、水准尺、钢尺或测杆
每5~100m一个断面
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
4
地表下沉
水准仪、水准尺
每5~100m一个断面，每断面至少11个测点，每隧道至少2个断面。中线每5~20m一个测点
开挖面距量测断面前后＜2B时，1~2次/d
开挖面距量测断面前后＜5B时，1次/2d
开挖面距量测断面前后＜2B时，1次/周
5
围岩内部位移(地表设点)
地面钻孔中安设各类位移计
每代表性地段一个断面，每断面3~5个钻孔
同上
6
围岩内部位移(洞内设点)
洞内钻孔中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计
每5~100m一个断面，每断面2~11个测点
1~2次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
7
围岩压力及两层支护间压力
各种类型压力盒
每代表性地段一个断面，每断面宜为15~20个钻孔
1次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
8
钢支撑内力及外力
支柱压力计或其它测力计
每10榀钢拱支撑一对测力计
1次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
9
支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝测量
各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法
每5~100m一个断面，每断面宜为11个测点
1次/d
1次/2d
1~2次/周
1~3次/月
10
锚杆或锚索内力及抗拔力
各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拔计
必要时进行
—
—
—
—
11
围岩弹性波测试
各种声波仪及配套探头
在代表性地段设置
—
—
—
—

3.层理、片理、节理裂隙、断层等各种软弱面的产状、宽度、延伸情况、连续性、间距等；各结构面的成因类型、力学属性、粗糙程度、充填的物质成分和泥化、软化情况；
4.岩脉穿插情况及其与围岩接触关系，软硬程度及破碎程度；
5.岩体风化程度、特点、抗风化能力；
6.地下水的类型、出露位置、水量大小及喷锚支护施工的影响等；
7.施工开挖方式方法、锚喷支护参数及循环时间；
8.围岩内鼓、弯折、变形、岩爆、掉块，坍塌的位置、规模、数量和分布情况，围岩的自稳时间等；
9.溶洞等特殊地质条件描述；
10.喷层开裂起鼓、剥落情况描述；
11.地质断面展示图(1:20~1:100)或纵横剖面图(1:50~1:100)。必要时应附彩色照片。
(二)拱顶下沉和地表沉降
由己知高程的临时或永久水准点(通常借用隧道高程控制点)，使用较高精度的水准仪，就可观测出隧道拱顶或隧道上方地表各点的下沉量及其随时间的变化情况。隧道底鼓也可用此法观测。通常这个值是绝对位移值。另外也可以用收敛计测拱顶相对于隧道底的相对位移。值得注意的是，拱顶点是坑道周边上的一个特殊点，其位移情况具有较强的代表性。
(三)坑道周边相对位移
1.量测原理
隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是围岩动态的最显著表现，最能反映出围岩(或围岩加支护)的稳定性。因此对坑道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的量测项目。为量测方便起见，除对拱顶、地表下沉及底鼓可以量测绝对位移值外，坑道周边其它各点，一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，来反映围岩位移动态。
2.收敛计
(l)收敛计一般由带孔钢尺，测微百分表，张力调节器，测点连接器组成；
(2)测点连接器有单向连接销式及球形铰接式等多种。
(3)测点是将带销孔或圆球测头长度为20~30cm的钢筋锚固于岩壁内，锚固方式同早强水泥砂浆锚杆。测头的位移即可代表岩壁表面该测点的位移；
(4)张力调节器有重锤式(如SWJ-8型、美国SINCO-518115型)、弹簧式(如SLJ-80型、QJ-81型)、应力环式( 如GSL型、WRM-4型)。其中应力环式张力调节器须经标准实验室标定，其测试精度较高。图7-5-1是QJ-81型球铰连接弹簧式收敛计。
图7-5-1 QJ—81型球铰连接弹簧式收敛计
1-百分表；2-收敛计架；3-钢球；4-弹簧秤；5-内滑管；
6-带孔钢尺；7-连接挂钩；8-羊眼螺栓；9-连接销；10-预埋件
钢尺架
丝杠
拉绳
微调螺杠
触头
水准气泡
压尺螺钉
定位销
1
2
3
9
4
6
7
8

3.测试方法及注意事项
(l)开挖后尽快埋设测点，并测取初读数，要求12h内完成；
(2)测点(测试断面)应尽可能靠近开挖面，要求在2m以内；
(3)读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定指示规定的张力值时读取；
(4)当相对位移值较大时，要注意消除换孔误差；
(5)测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况而定，一般应按表7-5-1的要求而定。
(6)整个量测过程中，应作好详细记录，并随时检查有无错误。记录内容应包括断面位置、测点(测线)编号、初始读数、各次测试读数、当时温度以及开挖面距量测断面的距离等。两测点的连线称为测线。
4.数据整理
量测数据整理包括数据计算、列表或绘图表示各种关系。
(1)坑道周边相对位移计算式为
(7-5-1)
式中：R0——初始观测值；
Ri——第i次观测值；
ui——第i次量测时，该两测点之间的相对位移值。
(2)测尺为普通钢尺时，要消除温度影响尤其当洞径大(测线长)、温度变化大时，应进行温度改正。其计算式为：
　 (7-5-2)
　 (7-5-3)
式中 ——钢尺的线膨胀系数(一般取＝12×10-6/℃)
L——量测基线长；
t0、ti——分别为初始量测时温度和第i次量测时温度。
(3)量测过程应及时计算出各测线的相对位移值，相对位移速率，及其与时间和开挖断面距离之间的关系，并列表或绘图，直观表示。常用的几种关系曲线图形式如图7-5-2、图7-5-3、图7-5-4。
图7-5-2 位移－时间关系曲线
0
初期支护
二次支护
下台阶开挖
位移
时间
图7-5-3 位移-开挖面距离关系曲线
位移
距离
上、下台阶开挖
锚杆
喷混凝土
(四)围岩内部位移
1.量测原理
围岩内部各点的位移同坑道周边位移一样是围岩动态表现。它不仅反映了围岩内部的松弛程度，而且更能反映围岩松弛范围的大小，这也是判断围岩稳定性的一个重要参考指标。在实际量测工作中，先是向围岩钻孔，然后用位移计量测钻孔内(围岩内部)各点相对于孔口(岩壁)一点的相对位移。
位移速度
0
时间
图7-5-4 位移速度-时间关系曲线
2.位移计
(1)位移计有两种类型，一类是机械式，另一类是电测式。其构造是由定位装置、位移传递装置、孔口固定装置、百分表或读数仪等部分组成。
(2)定位装置是将位移传递装置固定于钻孔中的某一点，则其位移代表围岩内部该点位移。定位装置多采用机械式锚头，其形式有楔缝式、支撑式、压缩木式等。
(3)位移传递装置是将锚固点的位移以某种方式传递至孔口外，以便测取读数。传递的方式有机械式和电测式两类。其中机械式位移传递构件有直杆式、钢带式、钢丝式；电测式位移传感器有电磁感应式、差动电阻式、电阻式。
直杆式位移计结构简单，安装方便，稳定可靠，价格低廉；但观测精度较低，观测不太方便，一般单孔只能观测l~2个测点的位移(图7-5-5)。钢带式和钢丝式位移计则可单孔观测多个测点，如DWJ-1型深孔钢丝式位移计可同时观测到单孔中不同深度的 6个点位。
电测式位移计的传感器须有读数仪来配合输送、接收电信号，并读取读数。电测式位移计多用于进行深孔多点位移测试，其观测精度较高，测读方便，且能进行遥测，但受外界影响较大，稳定性较差，费用较高(图7-5-6)。
(4)孔口固定装置。一般测试的是孔内各点相对于孔口一点的相对位移，故须在孔口设固定点或基准面。
3.测试方法及注意事项
围岩内部位移测试方法及注意事项基本上与坑道周边相对位移测试方法相同。
4.数据整理
数据整理方法基本同前，可整理出：
(1)孔内各测点(L1,L2,…)位移(u)——时间(t)关系曲线；
(2)不同时间(t1，t2，…)位移(u)——深度(L1,L2,…)关系曲线。
(五)锚杆应力及锚杆抗拔力
1.量测原理
系统锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱，一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆的工作状态好坏主要以其受力后的应力——应变来反映。因此，如果能采用某种手段测试锚杆在工作时的应力——应变值，就可以知道其工作状态的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。
实际量测工作中，是采用与设计锚杆强度相等，且刚度基本相等的各式钢筋计来观测锚杆的应力——应变。
2.钢筋计
(1)钢筋计多采用电测式，其传感器有电磁感应式、差动电阻式、电阻片式几种。
(2)根据测式要求，可将几只传感器连接或粘贴于锚杆不同的区段，可以观测出不同区段的应力——应变。
1-锚固压缩木；2-位移传递杆；3-硬杂木定位器；4-WY－40位移传感器；5-位移测点；
6-测试导线
图7-5-6 电阻式多点位移计
1
2
3
4
5
6
L1
L2
L3
图7-5-5 机械式位移计
b)DWJ－1型深孔六点伸长计结构原理示意图
a)单点杆式位移计
内锚头
位移传递杆
测量
百分表
外锚头
1
2
3
4
5
6
1－位移测定器；2-圆形支架；3-锚固器；4-保护套管；5-砂浆；6-定位器
(3)读数仪可自动率定接收到的电信号，并显示应力——应变值。
电磁感应式钢筋计又称钢弦式钢筋计，它须使用电脉冲发生器(周期仪)测试，这种钢筋计的构造不太复杂，性能亦较稳定，耐久性较强，其直径能较接近设计锚杆直径，经济性较好，是一种比较有发展前途的钢筋计(图7-5-7)。
差动式钢筋计性能较稳定，耐久性也较强，但其直径较大，且构造复杂，价格也较高。
电阻片式钢筋计实际上是将传感用的电阻片粘贴于实际的锚杆上，并作好防潮处理。其构造简单，安装、测试方便，价格低，故工程测试中常应用。
3.测试方法及注意事项
(l)电感式和差动式钢筋计，需用接长钢筋(设计锚杆用钢筋)将其对接于测试部位(区段)，制成测试锚杆，并测取空载读数。对接可采用电弧对接，操作中应注意不要烧坏和损伤引出导线，并注意减少焊接温度对钢筋计的影响。
(2)电阻式钢筋计是取设计锚杆，在测试部位两面对称车切、磨平后，粘贴电阻片，做好防潮处理，制成测试锚杆，并测取空载读数。
(3)测试锚杆安装及钻孔均按设计锚杆的同等要求进行，但应注意安装过程中不得损坏电阻片、防潮层及引出导线等。
图7-5-7 钢弦式量测锚杆
b)JD－1型钢弦式刚劲计
1-拉杆；2-壳体；3-端封板；4-橡皮垫；5-定位螺丝；6-夹线柱；7-钢弦；8-线圈架；
9-铁蕊；10-线圈；11-支架；12-支承堵头；13-密封圈；14-引线嘴；15-拉杆
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
a)钢弦式量测锚杆
单位：mm
钢弦式钢筋计
1000
250
1500
①
电缆
接长钢筋
②
300
800
250
焊接
孔口
③
(4)测试频率及抽样的比例、部位应按表7-5-1执行。
(5)作好各项记录，并及时整理。
4.数据整理
数据整理应及时进行，主要应整理出：
(1)不同时间锚杆轴力(N或应力σ)——深度(l)关系曲线；
(2)不同深度各测点锚杆轴力——时间(t)关系曲线。
5.拉拔器可检测锚杆的抗拔力
抽样测试比例应按表7-5-1执行，但应注意仪器调校，测试过程中应作好各项记录，并及时整理。
(六)压力
1.量测原理
支护(喷射混凝土或模筑混凝土衬砌)与围岩之间的接触应力大小，既反映了支护的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况，因此，围岩压力的量测就成为必要。
这种量测可采用盒式压力传感器(称压力盒)进行测试。将压力盒埋设于混凝土内的测试部位及支护——围岩接触面的测试部位，则压力盒所受压力即为该部位(测点)压力。
2.压力盒
(1)压力盒有变磁阻调频式、液压式等多种形式。
(2)变磁阻调频式压力盒的工作原理是：当压力作用于承压板上时，通过油层传到传感单元的二次膜上，使之产生变形，改变了磁路的气隙，即改变了磁阻，当输入L－(振荡电信号)时，即发生电磁感应，其输出信号的频率发生改变，这种频率改变因压力的大小而变化，据此可测出压力的大小(图7-5-8(a))。
b) 格鲁茨尔压力盒
图7-5-8 压力盒
a) 变磁阻调频式图压力传感器
磁芯
气隙
荷载
内膜
线圈
硅油
外膜
受压部
平衡瓣
压力管路
回路
泵
(3)液压式压力盒又称格鲁茨尔(Gbozel)压力盒，其传感器为一扁平油腔，通过油压泵加压，由油泵表可直接测读出内应力或接触应力(图7-5-8(b))。
(4)变磁阻调频式压力盒的抗干扰能力强，灵敏度高，适于遥测，但在硬质介质中应用，存在着与介质刚度匹配的问题，效果不太理想。
液压式压力盒减少了应力集中的影响，其性能比较稳定可靠，是较理想的压力盒，国内已有单位研制出机械式油腔压力盒。
3.测试方法及注意事项
(1)将压力传感器按测试应力的方向埋设于测试部位，在喷射混凝土或模筑混凝土振捣过程中，应注意不要损伤导线或导管。
(2)液压式压力盒系统还应在适当部位安设管路连接头及阀门。
(3)测试频率应按表7-5-1要求执行。
4.数据整理
测试过程中应随时作好各项记录，并及时整理出有关图表，如接触应力分布图。
(七)围岩的弹性波速度
l.量测原理
声波测试是地球物理探测方法的一种。它是在岩体的一端激发弹性波，而在另一端接收通过岩体传递过来的波，弹性波通过岩体传递后，其波速、波幅、波频均发生改变。对于同一种激发弹性波，穿过不同的岩层后，发生的改变各不相同，这主要是由于岩体的物理力学性质各不相同所致。因此，弹性波在岩体中的传播特征就反映了岩体的物理力学性质，如动弹性模量、岩体强度、完整性或破碎程度、密实度等。据此可以判别围岩的工程性质，如稳定性，并对围岩进行工程分类。其原理见图7-5-9。
目前，在工程测试中，普遍应用声波在岩体中传播的纵波速度(vP)来作为评价岩体物理力学性质的指标。一般有以下规律：
图7-5-9 声波测试原理示意图
1-振荡器；2-发射换能器；3-接收换能器；4-放大器；5-显示器
1
2
3
4
5
岩石(体)
(1)岩体风化、破碎、结构面发育则波速低、衰减快、频谱复杂；
(2)岩体充水或应力增加则波速高、衰减小、频谱简化；
(3)岩体不均匀和各向异性则其波速与频谱也相应表现出不均一和各向异性。
2.测试方法及注意事项
声波测试方法较多，从换能器的布置方式、波的传播方式、换能器的组合形式等三个方面分为：

声波测试应注意以下几点：
①探测区域的选择要有典型性和代表性；
②测点、测线、测孔的布置要有明确的目的性，要根据实际工程地质情况、岩体力学特性及建筑形式等进行布设；
③声波测试一般以测纵波速度(vP)为主，但应根据实际要求，可测其横波速度(vS)，记录波幅，进行频谱分析。
3.数据整理
隧道工程中多采用单孔平透折射波法测试围岩在拱顶、拱脚、墙腰几个部位的径向纵波速度。根据测试记录应及时整理出每个测孔的vP—L曲线。常见的曲线形式可以归纳为以下四种类型(图7-5-10)。
①“一”型
②“L”型
④“凸”型

图7-5-10 波速与孔深关系曲线类型

P(km/s)
L
m)

vP(km/s)
L(m)
vP(km/s)
vP(km/s)
L(m)
L(m)
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
3
4
5
2
3
4
2
3
4
5
1
2
2
3
4
5
4
5
4
5
III
II
I
III
III
III
II
I
6
6
①“—”型，无明显分带，表示围岩较完整；
②”L”型，无松弛带，有应力升高带，表示围岩较坚硬；
③“厂”型，有松弛带，应分析区别是由于爆破引起的松动还是围岩进入塑性后的松动；
④“凸”型，松弛带、应力升高带均有。
以上所述只是一般情形。但有时波速高并不反映岩体完整性好，如有些破碎硬岩的波速就高于完整性较好的软岩，因此，国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中还采用了岩体完整性系数来反映岩体的完整性(—岩体的纵波速度，—岩块的纵波速度)。Kv越接近1，表示岩体越完整。
另外，在软岩与极其破碎的岩体中，有时无法取出原状岩块，不能测出其纵波速度，这时可用相对完整系数Kx代替Kv。
三、现场量测计划
现场量测计划是现场量测的蓝图和依据。它必须在初步调查的基础上，依据隧道所处的地质条件、工程概况、量测目的、施工方法、工期和经济效果而编制。
(一)量测项目的确定及量测手段的选择
量测项目的确定主要是依据围岩条件、工程规模及支护方式。量测项目通常分为必测项目A和选测项目B。必测项目指施工时必须进行的常规量测，用来判别围岩稳定及衬砌受力状态，指导设计施工的经常性量测。A类量测主要包括洞内观察、隧道净空变形和拱顶下沉量测等。浅埋隧道尚应作地表沉陷量测。这类量测方法简单、可靠，对修改设计和指导施工起重要作用。选测项目是指在重点和有特殊意义的隧道或区段进行补充的量测，用来判断隧道开挖过程中围岩的应力状态、支护衬砌效果。B类量测主要包括围岩内部变形、地表沉陷、锚杆轴力和拉拔力、衬砌内力、围岩压力和围岩物理力学指标等。这类量测技术较复杂，费用较高，通常根据实际需要，选取部分项目进行量测。
量测项目及其要求见表7-5-2。

表7-5-2 量测项目及要求
序号
量测项目
类别
要求掌握的主要内容
1
观察
A
1.开挖面围岩的自立性(无支护时围岩的稳定性)；2.岩质、断层破碎带、褶皱等情况；3.支护衬砌变形、开裂情况；4.核对围岩类别；5.洞口浅埋段地表建筑物变形、下沉、开裂情况
2
净空变形
A
根据变形值、变形速度、变形收敛情况等判断：1.围岩稳定性；2.初期支护设计和施工方法的合理性；3.模筑二次衬砌时间
3
拱顶下沉
A
监视拱顶的绝对下沉值，了解断面变化情况，判断拱顶的稳定性，防止塌方
4
地表、地层内部沉陷
A、B
判断隧道开挖对地表产生的影响及防止沉陷措施的效果，推测作用在隧道上的荷载范围
5
围岩内部变形
B
了解隧道周边围岩松弛区范围，判断锚杆设计参数的合理性
6
锚杆轴力
B
根据锚杆应变分布状态，确定锚杆轴力大小，用以判断锚杆长度和直径是否合适
7
围岩压力和两层衬砌间压力
B
了解围岩形变压力和两层衬砌间接触压力的大小和分布规律，检验支护衬砌受力情况
8
衬砌、钢架应力
B
根据衬砌和钢架应力情况，判断衬砌和钢架设计参数是否正确，进一步推求围岩压力大小和分布规律
9
锚杆拉拔试验
B
根据拉拔力确认锚杆锚固方法及其长度的合理性
10
底部鼓起量测
B
判断是否需要仰拱和仰拱的效能
11
围岩弹性波测试
B
1.校核围岩类别2.了解松弛区范围3.探明岩体强度、节理裂隙和断层情况、岩石变质程度
量测手段的选用，应根据量测项目和国内仪器的现状来选用。一般应选择简单、可靠、耐久、成本低的量测手段，并要求被测的物理量概念明确，量值显著，量测范围大，测试数据便于分析，易于实现对设计、施工的反馈。在通常的情况下，选择机械式手段与电测式手段相结合使用。
(二)测试断面的确定
进行测试的断面有两种，一是单一的测试断面，二是综合的测试断面。在隧道工程测试中各项量测内容与手段，不是随意布设的。把单项或常用的几项量测内容组成一个测试断面，了解围岩和支护在这个断面上各部位的变化情况，这种测试断面即为单一的测试断面。另一种，把几项量测内容有机地组合在一个测试断面里，使各项量测内容、各种量测手段互相校验，综合分析测试断面的变化，这种测试断面称为综合测试断面。
应测项目按一定间隔设置量测断面，常称为一般量测断面。由于各量测项目要求不同，其量测断面间隔亦不相同，在应测项目中，原则上净空位移与拱顶下沉量测应布置在同一断面上。量测断面间距视隧道长度、地质条件和施工方法等确定，具体可参考表7-5-3。
对于土砂、软岩地段的浅埋隧道要进行地表下沉量测，沿隧道纵向布置测点的间距可视地质、覆盖层厚度、施工方法和周围建筑物的情况确定。其量测断面间距可按表7-5-4选用。
表7-5-3 净空位移、拱顶下沉的测试断面间距
条件
量测断面间距(m)
洞口附近
10
埋深小于2B
10
施工进展200m前
20(土砂围岩减小到10m)
施工进展200m后
30(土砂围岩减小到10m)
注：B为隧道开挖宽度。

表7-5-4 地表下沉测试断面间距
覆盖层厚度H
测点间距(m)
H＞2B
20~50
2B＞H＞B
10~20
H＜B
5~10
注：①当施工初期、地质变化大、下沉量大、周围有建筑物时取最低值；②B为隧道开挖宽度。

(三)测点的布置
在测试断面上测点的布置，主要是依据断面形状、围岩条件、开挖方式、支护类型等因素进行布置。在量测中，可根据具体情况决定布设数量，进行适当的调整。
1.净空位移量测的测线布置
由于观测断面形状、围岩条件、开挖方式的不同，测线位置、数量亦有所不同，没有统一的规定，具体实施中可参考表7-5-3和图7-5-11。
拱顶下沉量测的测点，一般可与净空位移测点共用，这样既节省了安设工作量，更重要的是使测点统一，测试结果能够互相校验。
(a)一条测线
(b)两条测线
(c)三条测线
(e)六条测线
(f)七条测线
图7-5-11 净空位移测线布置
(d)五条测线
2.围岩内部位移测孔的布置
围岩内部位移测孔布置，除应考虑地质、隧道断面形状、开挖等因素外，一般应与净空位移测线相应布设，以便使两项测试结果能够相互印证，协同分析与应用。一般每100~500m设一个量测断面，测孔布置见图7-5-12。
3.锚杆轴力量测的布置
量测锚杆要依据具体工程中支护锚杆的安设位置、方式而定，如局部加强锚杆，要在加强区域内有代表性的位置设量测锚杆。全断面系统锚杆(不包括仰拱)，量测锚杆在断面上布置可参见图7-5-12方式进行。
4.喷层(衬砌)应力量测布置
喷层应力量测，除应与锚杆受力量测孔相对应布设外，还要在有代表性部位设测点，如拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚等部位，并应考虑与锚杆应力量测作对应布置。另外，在有偏压、底鼓等特殊情况下，则应视具体情形，调整测点位置和数量。以便了解喷层(衬砌)在整个断面上的受力状态和支护作用，见图7-5-13。

表7-5-5 净空位移量测的测线数
开挖方法
地段
一般地段
特殊地段
洞口附近
埋深小于2B
有膨胀压力或偏压地段
实施B项量测位置
全断面开挖
一条水平测线

三条或五条

三条或五条、七条
短台阶法
两条水平测线
三条或六条
三条或六条
三条或六条
三条或五条、六条
多台阶法
每台阶一条水平测线
每台阶三条
每台阶三条
每台阶三条
每台阶三条
注：B为隧道开挖宽度。

图7-5-12 围岩内部位移测孔布置
(a)三测孔
(b)五测孔
(c)七测孔

图7-5-13 喷层应力量测点布置
(a)三测点
(b)六测点

5.地表、地中沉降测点布置
图7-5-14地表下沉量测范围及地中沉降测点布置
2~5m间隔
地中沉陷计
不动点
倾斜计
450

地表、地中沉降测点，原则上主要测点应布置在隧道中心线上，并在与隧道轴线正交平面的一定范围内布设必要数量的测点，见图7-5-14。并在有可能下沉的范围外设置不会下沉的固定测点。
6.围岩压力量测测点布置
围岩压力量测的测点一般埋设在拱顶、拱脚和仰拱的中间，其量测断面一般和支护衬砌间压力以及支护、衬砌应力的测点布置在一个断面上，以便将量测结果相互印证。
7.声波测孔布置
声波测孔宜布置在有代表性的部位(图7-5-15)。另外，还要考虑到围岩层理、节理的方向与测孔方向的关系。可采用单孔、双孔两种测试方法；或在同一部位，呈直角相交布置三个测孔，以便充分掌握围岩结构对声波测试结果的影响。
(四)量测仪器(测点)的安设与量测频率
各项量测内容的仪器(测点)安设，一要快，二要近。快——要求在开挖爆破后24h(最好图7-5-15 声波测试孔布置
(a)五测孔
(b)九测孔
(c)十三测孔
12h)内，在下一循环爆破前完成全都埋设，并测取初读数。在安设由多项内容、多种手段组成的综台测试断面时，互相干扰大，时间要拖长，对施工与量测结果都有不利影响；这时可把综合量测断面分为几个亚断面分开设置，只要围岩沿隧道轴线方向变化不大，基本不会影响测试结果的综合分析与应用。近——仪器(测点)埋设，要尽量靠近开挖掌子面，要求不超过2m，有的安设在距开挖掌子面0.5m左右的断面上，观测效果更好，不过需要加强仪器(测点)的保护。
仪器(测点)安设后的量测频率，是由变化速度(时间效应)与距工作面距离(空间效应)确定的。表7-5-5给出了净空变形与拱顶下沉的量测频率与位移速度、距工作面距离的关系。

表7-5-5 收敛与拱顶下沉量测频率
变形速度
距开挖面距离
量测频率
＞10mm/d
(0~1)B
1~2次/d
5~10 mm/d
(1~2)B
1次/d
1~5mm/d
(2~5)B
1次/d
＜1mm/d
＞5B
1次/d
注：B为隧道开挖宽度。

在由位移速度决定的量测频率和由距开挖掌子面距离决定的量测频率中，原则上应采取频率高的。当变形稳定时，可不按照表7-5-5的要求。当同一个量测断面内各测线变形速度不同时，要以产生最大变形速度的测线确定全断面的量测频率。
量测期间的确定：在变形量小的隧道中(开挖后一个月内收敛)，因变形收敛快，在变形收敛至一定值后，再以每天测一次的频率测一周时间，观察其稳定状态。在变形量大的隧道中(开挖后经两个月以上，变形仍不收敛)，直至变形量收敛至一定数值后，再以每天测一次的频率测两周时间，以确认变形是否稳定。见图7-5-16。在塑性流变岩体中，如变形长期(两
个月以上)不收敛，量测要进行到1mm/30d为止。
在选测项目中，地表沉降量测频率，在量测区间内原则上1~2d一次，见图7-5-17。
图7-5-17 地表沉降量测区间
量测区间
上半
上半
下半
下半
(2~5)D
H+h3
D
450
H
h1
h2
围岩位移量测、锚杆轴力量测、喷层(衬砌)应力量测、围岩压力量测、格栅应力量测等的量测频率，原则上与同一断面内的应测项目量测频率相同。
图7-5-16 确定量测期间的方法
经过日数(d)
(变形量大)
(变形量小)
1周
2周
变形量(mm)
四、量测数据分析与反馈
量测数据反馈于设计、施工是监控设计的重要一环，但目前尚未形成完整的设计体系。当前采用的量测数据反馈设计的方法主要是定性的，即依据经验和理论上的推理来建立一些准则。根据量测的数据和这些准则即可修正设计支护参数和调整施工措施。量测数据反馈设计、施工的理论法，目前正在蓬勃兴起，那就是将监控量测与理论计算相结合的反分析计算法，这里，简要介绍根据对量测数据的分析来修正设计参数和调整施工措施的一些准则。
(一)地质预报
地质预报就是根据地质素描来预测预报开挖面前方围岩的地质状况，以便考虑选择适当的施工方案调整各项施工措施。包括：
(1) 在洞内直观评价当前已暴露围岩的稳定状态，检验和修正初步的围岩分类；
(2) 根据修正的围岩分类，检验初步设计的支护参数是否合理，如不恰当，则应予修正；
(3) 直观检验初期支护的实际工作状态；
(4) 根据当前围岩的地质特征，推断前方一定范围内围岩的地质特征，进行地质预报；防范不良地质突然出现。
(5) 根据地质预报，并结合对已作初期支护实际工作状态的评价，预先确定下循环的支护参数和施工措施；
(6) 配合量测工作进行测试位置选取和量测成果的分析。
(二)净空位移分析与反馈
如前所述，净空位移是围岩动态的最显著表现，所以隧道工程现场量测主要以净空位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断的指标。
一般而言，坑道开挖后，若围岩位移量小，持续时间短，其稳定性就好；若位移量大，持续时间长，其稳定性就差。
以围岩位移作为指标来判断其稳定状态，则有赖于对实际工程经验的总结和对位移量测数据的分析。
1.判断标准用围岩的位移来判断其稳定状态，关键是要确定一个“判断标准”(或称为“收敛标推”)，即是判断围岩稳定与否的界限。它包括三个方面：位移量(绝对或相对)、位移速率、位移加速度，见第五章第三节有关内容。
2.根据以上判断标准，如果围岩位移速度不超过允许值，且不出现蠕变趋势，则可以认为围岩是稳定的，初期支护是成功的。若表现出稳定性较好，则可以考虑适当加大循环进尺。
浅埋隧道暗挖法施工时，应特别注意对拱顶下沉及地表下沉量的控制，其控制标准可参见表7-5-6。

表7-5-6 量测数据管理基准参考值
指标内容
日本、法国、德国规范综合值
推荐基准值
城市地铁
山岭隧道
地面最大沉陷
50mm
30mm
60mm
地面沉陷槽拐点曲率
1/300
1/500
1/300
地层损失系数
5%
5%
5%
洞内边墙水平收敛
20~40mm
20mm
(0.1~0.2)B%
洞内拱顶下沉
75~229mm
50mm
(0.3~0.4) B%
注：B——开挖洞室最大跨度(m)

如果位移值超过允许值不多，且初期支护中的喷射混凝土未出现明显开裂，一般可不予补强。
如果位移与上述情况相反，则应采取处理措施，如在支护参数方面，可以增强锚杆，加钢筋网喷混凝上、加钢支撑、增设临时仰拱等；施工措施方面，可以缩短从开挖到支护的时间，提前打锚杆，提前设仰拱，缩短开挖台阶长度和台阶数，增设超前支护等。
3.二次衬砌(内层衬砌)的施作时间。按新奥法施工原则，当围岩或围岩加初期支护后基本达成稳定后，就可以施作二次衬砌。
应当特别指出的是，在流变性和膨胀性强烈的地层中，单靠初期支护不能使围岩位移收敛时，就宜于在位移收敛以前，施作模筑混凝土二次衬砌，做到有效地约束围岩位移。
(三)围岩内位移及松动区分析与反馈
与净空位移同理，如果实测围岩的松动区超过了允许的最大松动区(该允许松动区半径与允许位移量相对应)，则表明围岩已出现松动破坏，此时必须加强支护或调整施工措施以控制松动范围。如加强锚杆(加长、加密或加粗)等，一般要求锚杆长度大于松动区范围。如果与以上情形相反，甚至锚杆后段的拉应力很小或出现压应力时，则可适当缩短锚杆长度或缩小锚杆直径或减小锚杆数量等。
(四)锚杆轴力分析与反馈
根据量测锚杆测得的应变，即能算出锚杆的轴力。
(7-5-4)
式中：N——锚杆轴力；
——锚杆直径；
E——杆的弹性模量；
ε1、ε2——测试部位对称的一组应变片量得的两个应变值。
锚杆轴力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据，根据锚杆极限强度与锚杆应力的比值K(安全系数)即能作出判断。锚杆轴应力越大，则K值越小。一般认为锚杆局部段的K值稍小于1是允许的，因为钢材有一定的延性。根据实际调查发现锚杆轴应力在洞室断面各部位是不同的，表现为：
1.同一断面内，锚杆轴应力最大者多数在拱部45°附近到起拱线之间；
2.拱顶锚杆，不管净空位移值大小如何，出现压应力的情况是不少的。
锚杆的局部段K值稍小于1的允许程度应该是不超过锚杆的屈服强度。若锚杆轴应力超过屈服强度时，则应优先考虑改变锚杆材料，采用高强钢材。当然，增加锚杆数量或锚杆直径也可获得降低锚杆轴应力的效果。
(五)围岩压力分析与反馈
由围岩压力分布曲线可知围岩压力的大小及分布状况。围岩压力的大小与围岩位移量及支护刚度密切相关。围岩压力大，即作用于初期支护的压力大。这可能有两种情况：一是围岩压力大但变形量不大，这表明支护时机，尤其是支护的封底时间可能过早或支护刚度太大，可作适当调整，让围岩释放较多的应力；另一种情况是围岩压力大且变形量也很大，此时应加强支护，限制围岩变形，控制围岩压力的增长。当测得的围岩压力很小但变形量很大时，则应考虑可能会出现围岩失稳。
(六)喷层应力分析与反馈
喷层应力是指切向应力，因为喷层的径向应力总是不大的。喷层应力与围岩压力及位移有密切关系。喷层应力大的原因有二个方面，一是围岩压力和位移大；二是由于支护不足。
在实际工