沈海復線仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金鐘1號、2號隧道監控量測方案中南大學土木工程檢測中心二○一一年六月目錄1隧道施工監控的必要性 22方案編制依據 43工作項目與數量 44量測項目、儀器方法、測點布置與量測頻率 104．1掌子面地質觀察 114．2周邊收斂位移量測 134．3拱頂下沉量測 164．4地表下沉量測 174．5后行洞爆破震動速度 195隧道監測數據分析及處理 226組織與管理 241隧道施工監控的必要性由于巖石在生成條件和地質作用等方面的復雜性，并且在隧道的構筑過程中，開挖方式、支護方式、支護時機、支護結構剛度等因素對結構的穩定性都有影響，所以尋求能夠正確反映巖體狀態的物理力學模型是非常困難的。因此，監控量測是觀測設計和施工是否正確的眼睛，是判斷圍巖是否穩定，支護結構是否合理的重要手段。多年來，國內外一直通過地下工程圍巖的監控量測來監視圍巖變形和支護的穩定性，并已取得了重要的理論研究成果。但由于隧道工程受力特征極其復雜，加之對指導施工的作用和意義認識不足和具體施工方法、施工程序及管理方面的非科學化，致使隧道變形過大而釀成事故的事件不斷發生。通過隧道施工變形的監測及其分析研究，掌控圍巖變形動態，優化設計以改善支護穩定狀況，為以后的設計提供類比依據，并為進一步深化理論研究提供原始依據，具有不可忽視的作用和意義。國際隧協（ITA）（1988）對隧道設計準則進行了調研，提出現場監測應為隧道設計整體的一部分。監控量測的主要目的是：（1）控制隧道變形和穩定；（2）檢驗選擇的施工方法是否適當；（3）控制地表沉陷；（4）量測結構構件中的應力發展；（5）掌握隧道圍巖變形情況，并指出是否需要對圍巖和支護進行加固。監測工作具有以下作用：（1）保證隧道圍巖的穩定，確保施工安全，因此需要掌握圍巖和支護結構的動態，按照動態的管理量測斷面的信息，正確而經濟地施工；（2）量測數據經過分析處理與必要的計算和判斷，預測和確定隧道最終穩定時間，指導施工工序和施作二次襯砌的時間；（3）信息反饋修正設計。根據隧道開挖后圍巖穩定性的施工信息，進行綜合分析，檢驗和修正施工前的預設計；（4）積累資料，己有工程中的量測結果可以應用到其他類似工程中，作為設計和施工的依據。同時，隧道是地下的隱蔽工程，地下地質條件復雜，存在許多潛在、無法預知的地質因素，稍有不慎，就會造成塌方、沉陷、突泥涌水、支護結構變形、人員和設備傷亡等，進而嚴重影響施工進度和工程形象。因此必須對開挖掌子面前方圍巖進行超前地質預報，提早掌握隧道開挖掌子面前方圍巖的地質情況、不良地質體的位置、工程性狀、水文地質狀況等信息，從而為施工階段修正設計、施工支護材料的提早準備、防止可能的工程險情、確保合理的施工措施，進而加快工程進度，降低工程風險，促使施工技術更趨科學合理。因此，有必要做好隧道的施工監控量測工作。2方案編制依據沈海復線仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金鐘1號隧道監控量測主要根據如下有關規范、文獻進行編制：《公路工程技術標準》JTGBO1－2003；《公路勘測規范》JTJ061－99；《公路隧道設計規范》JTGD70－2004；《公路隧道通風照明設計規范》JTJ026.1－1999；《公路隧道施工技術規范》JTJ042－94；《公路工程抗震設計規范》JTJ004－89；《公路工程地質勘察規范》JTJ064－98；《錨桿噴射混凝土支護技術規范》GB50086－2001；《地下工程防水技術規范》GB50108－2001；《混凝土結構設計規范》GB50010－2002；《工程測量規范》GB50026－2007；呂康成，隧道工程試驗檢測技術，人民交通出版社，2000；李曉紅著，隧道新奧法及其量測技術，2002，科學出版社；隧道工程地質勘察報告、補充勘察報告與隧道施工設計圖。3工作項目與數量沈海復線仙游至南安金淘高速公路莆田段A2合同段金鐘1號隧道右洞里程YK71+670~YK73+740，長2070m，左洞里程YK71+637~YK73+770，長2133m；金鐘2號隧道右洞里程YK73+815~YK76+563，長2748m，左洞里程YK73+841~YK76+533，長2692m，總長度為表1金鐘1號隧道右洞基本情況一覽表里程范圍圍巖級別分段長度（m）YK71+670YK71+761Ⅴ級91YK71+761YK71+787Ⅳ級26YK71+787YK71+807Ⅲ級20YK71+807YK71+842Ⅱ級35YK71+842YK71+852Ⅲ級10YK71+852YK71+868Ⅳ級16YK71+868YK71+879Ⅲ級11YK71+879YK71+901Ⅳ級22YK71+901YK71+911Ⅲ級10YK71+911YK72+457Ⅱ級546YK72+457YK72+487Ⅲ級30YK72+487YK72+695Ⅱ級208YK72+695YK72+715Ⅲ級20YK72+715YK72+772Ⅳ級57YK72+772YK72+792Ⅲ級20YK72+792YK73+237Ⅱ級445YK73+237YK73+247Ⅲ級10YK73+247YK73+267Ⅳ級20YK73+267YK73+281Ⅴ級14YK73+281YK73+291Ⅳ級10YK73+291YK73+302Ⅲ級11YK73+302YK73+315Ⅳ級13YK73+315YK73+323Ⅲ級8YK73+323YK73+336Ⅳ級13YK73+336YK73+346Ⅲ級10YK73+346YK73+433Ⅱ級87YK73+433YK73+453Ⅲ級20YK73+453YK73+463Ⅳ級10YK73+463YK73+473Ⅴ級10YK73+473YK73+481Ⅳ級8YK73+481YK73+488Ⅴ級7YK73+488YK73+500Ⅳ級12YK73+500YK73+520Ⅲ級20YK73+520YK73+710Ⅱ級190YK73+710YK73+730Ⅲ級20YK73+730YK73+740Ⅳ級10表2金鐘1號隧道左洞基本情況一覽表里程范圍圍巖級別分段長度（m）YK71+637YK71+749Ⅴ級112YK71+749YK71+775Ⅳ級26YK71+775YK71+795Ⅲ級20YK71+795YK71+833Ⅱ級38YK71+833YK71+843Ⅲ級10YK71+843YK71+883Ⅳ級40YK71+883YK71+893Ⅲ級10YK71+893YK72+465Ⅱ級572YK72+465YK72+495Ⅲ級30YK72+495YK72+729Ⅱ級234YK72+729YK72+749Ⅲ級20YK72+749YK72+768Ⅳ級19YK72+768YK72+788Ⅲ級20YK72+788YK73+235Ⅱ級447YK73+235YK73+245Ⅲ級10YK73+245YK73+265Ⅳ級20YK73+265YK73+280Ⅴ級15YK73+280YK73+299Ⅲ級19YK73+299YK73+313Ⅳ級14YK73+313YK73+319Ⅲ級6YK73+319YK73+335Ⅳ級16YK73+335YK73+345Ⅲ級10YK73+345YK73+432Ⅱ級87YK73+432YK73+452Ⅲ級20YK73+452YK73+462Ⅳ級10YK73+462YK73+473Ⅴ級11YK73+473YK73+480Ⅳ級7YK73+480YK73+489Ⅴ級9YK73+489YK73+500Ⅳ級11YK73+500YK73+520Ⅲ級20YK73+520YK73+738Ⅱ級218YK73+738YK73+758Ⅲ級20YK73+758YK73+770Ⅳ級12表3金鐘2號隧道右洞基本情況一覽表里程范圍分段長度（m）YK73+815YK73+83015YK73+830YK73+87040YK73+870YK73+89020YK73+890YK74+191301YK74+191YK74+25968YK74+259YK74+28021YK74+280YK74+29616YK74+296YK74+31519YK74+315YK74+34530YK74+345YK74+36520YK74+365YK74+835470YK74+835YK74+90065YK74+900YK74+94040YK74+940YK74+97636YK74+976YK74+99822YK74+998YK75+102104YK75+102YK75+14442YK75+144YK75+342198YK75+342YK75+36321YK75+363YK75+516153YK75+516YK75+53620YK75+536YK75+60165YK75+601YK75+63029YK75+630YK75+66535YK75+665YK75+782117YK75+782YK75+80523YK75+805YK76+296491YK76+296YK76+435139YK76+435YK76+44813YK76+448YK76+47527YK76+475YK76+53055YK76+530YK76+56333表4金鐘2號隧道左洞基本情況一覽表里程范圍分段長度（m）YK73+841YK73+85615YK73+856YK73+87620YK73+876YK73+89620YK73+896YK74+171275YK74+171YK74+22857YK74+228YK74+23810YK74+238YK74+25517YK74+255YK74+27621YK74+276YK74+30832YK74+308YK74+32820YK74+328YK74+845517YK74+845YK74+92378YK74+923YK74+94421YK74+944YK74+98541YK74+985YK75+621YK75+6YK75+9892YK75+98YK75+14143YK75+141YK75+352211YK75+352YK75+37321YK75+373YK75+520147YK75+520YK75+55131YK75+551YK75+62069YK75+620YK75+63818YK75+638YK75+66830YK75+668YK75+800132YK75+800YK75+82020YK75+820YK76+288468YK76+288YK76+395107YK76+395YK76+40813YK76+408YK76+43527YK76+435YK76+48045YK76+480YK76+53353根據有關勘察設計資料，隧道監控量測項目與數量初步布置如表5~表7所示。表5金鐘1號隧道圍巖情況統計表隧道名稱圍巖級別圍巖長度（m）金鐘1號隧道右洞Ⅴ級122Ⅳ級217Ⅲ級220Ⅱ級1511左洞Ⅴ級147Ⅳ級175Ⅲ級215Ⅱ級1596表6金鐘2號隧道圍巖情況統計表隧道名稱圍巖級別圍巖長度金鐘2號隧道右洞Ⅴ級67Ⅳ級333Ⅲ級969Ⅱ級1379左洞Ⅴ級73Ⅳ級275Ⅲ級952Ⅱ級1392表7金鐘1號、2號隧道監控量測項目工作量統計表工作內容單位金鐘1號隧道右洞金鐘1號隧道左洞金鐘2號隧道右洞金鐘2號隧道左洞掌子面地質觀察斷面1563126015871523周邊收斂位移量測斷面64688179拱頂下沉量測斷面64688179地表下沉量測斷面20251712斷面14112120注：1．對于地質條件特殊的地段，適當對工作量進行調整；2．待開挖后發現地質情況異常，應相應增減表中工作量。4量測項目、儀器方法、測點布置與量測頻率表8為量測項目、儀器方法、測點布置與量測頻率簡表。表8監控量測項目及方法表注：B表示開挖寬度。4．1掌子面地質觀察觀測中，應對巖質種類和分布狀況、分界面位置和狀態、節理裂隙發育程度和方向性、節理裂隙的填充物的性質和狀態進行一定的描述，對開挖工作面的穩定狀態作出初步的判斷，對涌水、涌水量的大小、位置和壓力等項目進行仔細的觀察，如果發現異常現象，要詳細紀錄發現時間、距開挖工作面的距離以及附近測點的各項量測數據，并及時匯報給負責技術的人員、項目負責人，必要時會同設計人員對出現的情況進行分析處理。觀察目的①預測開挖面前方的地質條件。②為判斷圍巖、隧道的穩定性提供地質依據。觀察內容巖石種類和產狀巖性特征：巖石的顏色、成分、結構、構造地層時代及產狀節理性質、組數、間距、規模，節理裂隙的發育程度和方向性，斷面狀態特征，充填物的類型和產狀等；斷層的性質、產狀、破碎帶寬度、特征地下水類型，涌水量大小、涌水位置、涌水壓力開挖工作面的穩定狀態，頂板有無剝落現象圍巖類型觀察頻率每次隧道開挖工作面爆破后立即觀察，按要求及時記錄和整理。觀測斷面布置按照相關規范及技術要求，洞內外觀測在每次隧道開挖工作面爆破后立即進行。相關資料及實際施工經驗，對Ⅴ級圍巖每隔0.5m布置一個觀測斷面；Ⅳ級圍巖每隔0.8m布置一個觀測斷面；Ⅲ級圍巖每隔2.0m布置一個觀測斷面；Ⅱ級圍巖每隔2.5m布置一個觀測斷面。所有項目的觀察應做到及時，對觀察結果的描述和記錄應詳細，必要時還應進行拍照。具體實施時可以填寫如下隧道掌子面地質狀況素描記錄卡（表9）。表9隧道掌子面地質狀況素描記錄卡隧道名稱里程位置距洞口距離（m）埋深（m）施工情況圍巖狀態描述巖石堅硬程度堅硬巖較堅硬巖較軟巖軟巖極軟巖風化程度未風化微風化弱風化強風化全風化地質構造影響程度輕微較重嚴重很嚴重地質結構面巖體完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎間距（m）>1.00.4～1.00.2～0.40.06～0.2<0.06張開性（mm）密閉<0.1微張0.1～0.5張開0.5～1.0無充填張開>1.0黏土充填粗糙度明顯臺階狀粗糙波紋狀平整光滑平整光滑有擦痕地下水滲水量[L/（min.10m）]干燥<10濕潤10～25偶有滲水25～125經常滲水簡要說明圍巖類別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ備注掌子面素描觀測日期編錄日期4．2周邊收斂位移量測量測目的①周邊位移是隧道圍巖應力狀態變化的最直觀反映，量測周邊位移可為判斷隧道空間的穩定性提供可靠的信息。②根據變位速度判斷隧道圍巖的穩定程度以便為二次襯砌提供合理的支護時機。③指導現場設計與施工。量測儀器洞周收斂用SL-2型鋼尺式收斂計量測。埋設測點時，先在測點處用電錘鉆出孔徑為10mm，深為35mm的孔。然后埋入一頭帶膨脹螺絲的掛鉤，擰緊掛鉤后即可量測斷面布置根據圍巖類別、隧道埋深、開挖方法及實際施工經驗，對Ⅴ級圍巖每隔8m布置一個觀測斷面；Ⅳ級圍巖每隔20m布置一個觀測斷面；Ⅲ級圍巖每隔40m布置一個觀測斷面；Ⅱ級圍巖每隔50m布置一個觀測斷面。測點布置與要求圍巖周邊收斂可采用收斂儀進行量測。在預設點的斷面，隧道開挖爆破以后,沿隧道周邊有代表性部位分別埋設測樁。測樁的埋設方法和拱頂下沉測樁的埋設方法相同。圍巖周邊收斂與拱頂下沉布置在同一斷面上，以便進行數據分析。隧道拱頂下沉和圍巖周邊收斂斷面測點布置如圖1、圖2、圖3、圖4。圖1全斷面法施工周邊位移、拱頂下沉量測測線布置圖圖2臺階法施工周邊位移、拱頂下沉量測測線布置圖圖3CD或CRD法施工周邊位移、拱頂下沉量測測線布置圖圖4雙側壁導坑法施工周邊位移、拱頂下沉量測測線布置圖在特殊地段，根據具體情況，可另增設測線。量測資料記錄與整理及應用量測原始記錄應呈表格形式，注明斷面編號、測點設置時間，量測內容并填寫具體量測數值，以便記錄施工情況，另外還應有量測人員與記錄人員的簽名。每次量測后，將原始記錄及時整理成正式記錄，對每一測量斷面內的每條測線進行整理計算，整理后的量測資料包括：①原始記錄及實際測點布置圖②位移隨時間以及距離開挖面間距的變化圖③位移速度、位移加速度隨時間以及距離開挖面間距的變化圖這四條曲線，不一定每條測線都要繪制，一般情況下有第一條即可。當位移—時間曲線趨于平緩時，應進行數據處理或回歸分析，推算最終位移和掌握位移變化曲線，可選用對數、指數和雙曲線函數等。根據這些函數關系可判斷位移趨勢值。區別位移與時間的正常與反常曲線。其中反常曲線是指非工序變化所引起的位移急劇增長現象，此時應加密監測，必要時應立即停止開挖并進行施工處理。在上述圖表中應同時記入開挖、噴混凝土、錨桿施工工序和時間，并將位移警戒線和極限值算出來。4．3拱頂下沉量測量測目的①拱頂下沉是是隧道圍巖應力狀態變化的最直觀反映，量測拱頂下沉可為判斷隧道空間的穩定性提供可靠的信息。②根據變位速度判斷隧道圍巖的穩定程度以便為二次襯砌提供合理的支護時機。③指導現場設計與施工。量測方法在拱頂布設固定測點，將鋼尺掛在拱頂測點上，讀鋼尺讀數，后視點設在穩定襯砌或者穩定的基準點上，讀標尺讀數，用水準儀進行觀測。量測斷面布置拱頂下沉量測斷面的布置與周邊位移量測的布置一致，對Ⅴ級圍巖每隔8m布置一個觀測斷面；Ⅳ級圍巖每隔20m布置一個觀測斷面；Ⅲ級圍巖每隔40m布置一個觀測斷面；Ⅱ級圍巖每隔50m布置一個觀測斷面。測點埋設隧道開挖施作初期支護后，在隧道的拱頂設置帶掛鉤的預埋件作為測樁，埋設前先用小型鉆機在待測部位成孔，然后將測樁放入，用快凝水泥或早強錨固劑固定，測樁頭需設保護罩。對于較差的圍巖，錨樁可在錨噴支護后布置。量測儀器頂下沉量測采用精密水準儀(精度0.1mm)、鋼圈尺及精密因瓦水準尺進行量測。在量測頻率拱頂下沉的量測頻率，與周邊位移量測的量測頻率一致。選用表7與表4的量測頻率，從兩表中選擇較高的一個量測頻率。量測資料記錄與整理及應用量測原始記錄應呈表格形式，注明斷面編號、測點設置時間，量測內容并填寫具體量測數值，以便記錄施工情況，另外還應有量測人員與記錄人員的簽名。每次量測后，將原始記錄及時整理成正式記錄，對每一測量斷面內的每條測線，整理后的量測資料包括：①原始記錄及實際測點布置圖②位移隨時間以及距離開挖面間距的變化圖③位移速度、位移加速度隨時間以及距離開挖面間距的變化圖這四條曲線，不一定每條測線都要繪制，一般情況下有第一條即可。當位移—時間曲線趨于平緩時，應進行數據處理或回歸分析，推算最終位移和掌握位移變化曲線，可選用對數、指數和雙曲線函數等。根據這些函數關系可判斷位移趨勢值。區別位移與時間的正常與反常曲線。其中反常曲線是指非工序變化所引起的位移急劇增長現象，此時應加密監測，必要時應立即停止開挖并進行施工處理。在上述圖表中應同時記入開挖、噴混凝土、錨桿施工工序和時間，并將位移警戒線和極限值算出來。4．4地表下沉量測量測目的①了解地表下沉的范圍以及下沉量的大小。②地表下沉量隨工作面推進的變化規律。③地表下沉穩定的時間。量測方法及測點布置量測方法用全站儀量測，其量測精度為±1mm。從水準點起測量測點得高程，通過計算前、后兩次地表沉降觀測點高程得變化值即可算得地表沉降值。（b）測點布置根據設計要求，地表沉降量測布置原則為：當2B<H<2.5B時，縱向測點間距為20~50米；當B<H≤2B時，縱向測點間距為10~20米；當H≤B時，縱向測點間距為地表下沉測點布置見圖4和圖5。圖4隧道地表下沉量測斷面布置圖圖5隧道小凈距段地表下沉量測斷面布置圖（c）測點埋設方法在地表鉆20~50cm深的孔，豎直放入22mm左右的鋼筋，鋼筋和孔壁之間可填充水泥砂漿，鋼筋頭露出地面量測頻率：地表下沉量測在量測區間內，當開挖面距離前后距離d<2D時，每天1~2次，2D<d<5D時，每兩日量測一次，當d>5D時，當時，每周量測一次。4．5后行洞爆破震動速度（1）量測目的（a）通過對施工現場正常爆破作業時，測量爆破沖擊震動時不同距離處的震動速度；（b）分析開挖爆破對淺埋段地表震動的危害程度及其安全控制問題。（c）監測后行洞爆破對隧道襯砌結構破壞、連拱中墻穩定以及臨近隧道爆破荷載動力作用影響及控制爆破震害。（2）測振系統爆破震動監測系統采用的震動測量儀器是由國家地震局工程力學研究所生產的891型測振儀，該測振儀主要用于測量地面、結構物的脈動或工程震動。每套測振儀包括891型拾振器9臺，891型六線放大器1臺。該拾振器設有小速度、中速度、大速度和加速度4檔。放大器具有放大、積分、濾波和阻抗變換的功能。可根據需要，選取拾振器上微型開關及放大器上參數選擇開關選擇響應的檔位，即可獲取被測點的加速度、速度及位移參量。拾振器加速度的最大量程可達20m/s2，與891型放大器配接后的分辨率1×10-5，完全可以測到爆破對房屋的震動影響。采集分析系統采用的是由北京東方震動和噪聲技術研究所研制的DASP軟件，該軟件是一套完善的信號示波、實時頻譜分析軟件，各種采樣參數和分析參數可調，集成了最常用動態分析的測試和分析手段，其結果可以通過多種方式輸出，系統見圖6、圖7所示。拾振器拾振器放大器數據采集儀計算機圖6震動測試系統框圖圖7現場震動測試系統（3）測點布置為了分析震動場分布，了解震動隨距離的衰減情況，監測距離施工爆破點周邊范圍的地面震動三向速度、地面震動響應頻率，參考爆破施工路段現場踏勘及地勘報告分析，采用沿爆破地點由近及遠輻射布置測點，每個測點布置的三個速度傳感器，分別為垂直地面方向（垂向）、水平徑向（其長軸指向爆破源）、水平切向（垂直于徑向），所有測點處于同一高程位置。每個觀測點同時進行垂直和兩個水平方向的觀測。隧道爆破震動速度測點布置如圖8。圖8爆破震動速度測點布置圖（4）監控工作流程（a）按委托單位批準的監測方案組織人員、設備進場，組成現場監測項目辦公室；（b）每輪施工爆破前收集該輪爆破的裝藥參數、地質情況，由施工單位填好施工參數表格，送監測單位現場辦公室，并明確爆破時間；（c）監測單位根據施工參數選擇監測儀器參數，于爆破前40min進入測點現場，布設好監測網絡，爆破前20min監測一次環境振動，爆破期間應全程記錄該輪爆破的時程曲線；（d）上傳現場實測記錄，原始數據轉存，利用專用分析軟件取得該次爆破各測點不同段別的振動峰值時刻t，最大峰值振動強度（V或X），主振頻率f、最大合振動強度（V或X）；（e）將施工參數、測點參數、儀器參數、數據處理結果集中填寫爆破振動測試記錄表，并對以下要素予以明確：①該輪爆破引起的振動是否超過監測點設施的防振要求；②施工參數與測試結果的相關性；（5）監測成果（a）、各階段監測結果與分析報告。（b）、將每次監測結果提交給委托方，并明確振動強度是否超過監測點設施的防振要求，對后期施工參數提出建議。（c）、爆破振動監測總結報告。總結整個監測結果，并得出結論性評價。5隧道監測數據分析及處理為了真實、及時、準確的反映施工現場信息，監測數據需歷經以下過程：①測點埋設→②數據采集→③數據收集→④數據輸入→⑤繪制曲線→⑥輸入計算機→⑦生成圖表→⑧信息反饋。監控量測的信息反饋可按照圖7規定的程序進行。施工過程中應進行監測數據的實時分析和階段分析。實時分析即每天根據監測書籍及時分析，階段分析應按周、月進行，總結監測數據變化的規律，對施工情況進行評價，提交階段分析報告，指導后續施工。監測數據的分析及處理的要求如下：（1）應及時對現場量測數據繪制時態曲線（或散點圖）和空間關系曲線。（2）當位移－時間曲線趨于平緩時，應進行數據處理或回歸分析，以推算最終位移和掌握位移變化規律。根據現場量測的位移－時間曲線進行如下判斷：圖6位移—時間曲線圖當時，說明變形速率不斷下降，位移趨于穩定；當時，說明變形速率保持不變，應發出警告，及時加強支護系統；當時，則表示已進入危險狀態，須立即停工，