隧道监控量测专项工程施工设计方案.docx

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隧道监控量测专项工程施工设计方案

云南省半角至新村公路工程

隧道监控量测

施工方案

编制：

复核：

审核:

批准:

中铁七局集团有限公司乌东德水电站

半角至新村公路工程一标项目经理部

二O一四年三月

一、编制依据

《公路隧道施工技术细则》

《公路工程质量检验评定标准》

云南省半角至新村公路工程第一标段设计图纸、招标文件及工程量清单等。

国家、省部和中国中铁集团有限公司现行设计规范、施工规范、验收标准及实施细则等。

我方自行踏勘本标段施工现场和调查周边环境所获得的资料。

我方拥有的人员和机械设备情况、施工技术、管理水平、科技创新成果以及多年来在工程实践中积累的施工和管理经验。

二、编制原则

严格按照设计文件、设计图纸进行施工，遵守相关施工规范、标准及实施细则，确保本工程施工质量符合《公路工程质量检验评定标准》的要求。

根据业主对工程工期的要求，合理地配置施工队伍、机械设备和工程材料等资源，以满足现场施工需要。

加强安全管理，采用切实可行的安全保证措施，确保本工程无重大安全事故和人身伤亡事故。

精心组织，科学管理，缩短工艺衔接时间，合理优化施工流程。

积极推广应用新工艺、新技术和新设备，提高现场施工的机械化作业水平。

积极应用先进的科技成果，提高劳动生产效率。

加强环境保护力度，减少环境污染。

本着“永临结合、节约用地”的原则，临时工程用地尽量利用既有道路和施工正线线路。

工程竣工后，对临时施工用地进行复耕和绿化。

尊重当地居民风俗习惯，确保文明施工。

三、工程概况

隧道设计标准

公路等级：

三级公路；

设计时速：

40km/h;

隧道行车宽度：

7.5m；

隧道建筑界限：

净空9m（宽度）×5.5m（高度），紧急停车带净空12.25m（宽度）×5.5m（高度）。

3.1地形与地貌

工程区地处我国地势第一阶梯的川、滇山地地貌区，属山原峡谷地貌类型，地势总体上西北高东南低，为切割的高中山、中低山，北面分割为山顶面高程多在2500-3000m，南面普遍保留有高程2000-2500m高原面。

金沙江、太平小河深切于高原面和分割山顶面之下，岸坡高陡，临江高差多在1000m以上，河谷呈狭窄的“V”型，两岸谷坡基本对称，谷底宽一般为50-150m。

路线顺金沙江右岸的之流太平小河布置，沿线为典型的侵蚀构造地貌，半角至龙头山段为太平小河河谷右岸谷坡，水系分布多与构造线一致，河谷深切，坡降大，谷坡陡峻，呈狭窄的“V”字型。

在白云岩分布区见零星的溶蚀构造地貌，有少量的蜂丛及槽谷。

3.2地质条件

漂水崖隧道起讫里程为K3+695～K4+551，隧道长856m；进出口段为第四系崩坡积碎、块石土，松散堆积，洞身段主要为筇竹寺组页岩夹粉砂岩。

全洞围岩为Ⅳ2～Ⅴ2级，其中Ⅳ2级围岩洞长260m，Ⅴ1级围岩洞长483m，Ⅴ2级围岩洞长113m。

隧道围岩岩层产状平缓，岩性软弱，稳定条件较差，在进口段存在偏压现象。

隧道进出口为第四系崩积碎块石夹土层（Qcol）,地表松散块石较多。

施工时，边坡开挖频率为1：

1，做好支护措施。

在进口洞段，距洞口70-80m上部边坡陡崖发育危岩体，进行清除处理，设置防护措施。

金银坳隧道起讫里程为K5+495～K5+625，隧道长130m，洞室围岩为崩积碎块石夹土层（Qcol），结构松散，呈散体结构，成分及结构不均匀，洞室围岩稳定性极差，成洞困难，围岩级别为Ⅴ2级。

隧道进出口位于金银坳崩塌堆积体中，开挖后将会形成土质高边坡，边坡开挖坡率为1：

1，施工时做好防护措施。

老鹰窝隧道起讫里程为K5+856～K10+429，隧道长4564m，隧道围岩为白云岩，微裂隙、断层发育，主要为Ⅲ～Ⅴ1级围岩，Ⅲ级围岩长2529m，Ⅳ1级围岩长550m，Ⅳ2级围岩长1000m，Ⅴ1级围岩长445m。

隧道进口边坡下部为岩质边坡，边坡岩体为白云岩，岩层产状├NE∠5°～10°，为岩质侧向坡，边坡岩体稳定性较好，边坡开挖坡比1：

0.3，上部为第四系巨厚土质边坡，自然边坡坡度为23°，地形较为平缓，边坡整体稳定性较好，边坡开挖坡度为1：

1。

3.3地震效应

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB1836-2001），工程区的地震动峰值加速度0.15g（50年超越概率10%），相应地震基本烈度为Ⅶ度。

3.4主要设计参数

漂水崖隧道起点中心桩号为K3+695，洞口起点路面高程为2147.31m；隧道终点中心桩号为K4+551，洞口终点路面高程2122.26m，隧道设计全长856m。

金银坳隧道起点中心桩号为K5+495，洞口起点路面高程为2074.19m；隧道终点中心桩号为K5+625，洞口终点路面高程2070.29m，隧道设计全长130m。

老鹰窝隧道起点中心桩号为K5+865，洞口起点路面高程为2056.8m；隧道终点中心桩号为K5+625，洞口终点路面高程1925.33m，隧道设计全长4564m。

洞口边仰坡采用喷、锚、网防护。

临时边坡在土层和全、强风化层中为1：

1；在岩石的弱、微风化层中采用1：

0.75。

临时边坡采用锚网喷支护，支护参数为：

Φ22砂浆锚杆，长3m，间距2.0x2.0m；Φ8钢筋网，网距25x25cm；喷C20砼，厚15cm。

除明洞结构外，其余洞身衬砌按照新奥法的原理进行设计，采用复合式衬砌结构，初期支护采用锚杆、C20喷射混凝土、格栅钢架或钢拱架，二次衬砌采用C30模筑混凝土或C30钢筋混凝土支护。

隧道路面基层采用25cm厚C35混凝土基层，横坡采用2.0%人字坡。

四、监控量测专项施工方案

4.1隧道监控量测目的

4.1.1为设计和修正支护结构形式及参数提供依据

进行隧道工程设计时必须依靠工程地质调查和试验来提供必要的依据和信息，但由于岩体地质情况千差万别，使得工程地质调查和试验取得的数据很难正确反映岩体的真实性。

所以在施工过程中必须通过围岩与支护的变形和围岩压力、钢架内力、喷射混凝土内力等应力的监测结果，对原设计予以修正，或者为重新计算和设计提供依据。

4.1.2为正确选择开挖方法和支护施作时间提供依据

通过分析量测数据，可以确定符合具体工程要求和地质条件的施工方法和支护结构的施作措施，以充分利用围岩自承能力，然后通过量测分析，当量测数据趋于稳定的时候，最终确定适宜的二次支护时间；在软弱围岩的地层中，利用量测数据，分析仰拱沉降情况，数据显示沉降减小并趋于平稳时，为最佳的仰拱施作时间。

4.1.3为隧道施工和长期使用提供安全信息

通过对围岩稳定性与支护可靠性的量测监控和分析评定，可以发现施工中隐藏的不安全因素和隧道有可能失稳的区段或局部薄弱的部位，从而采取相应的加固或其它措施。

总之，隧道监控量测是为了完善隧道设计，正确地指导施工，以保证隧道工程的安全性和经济性。

4.2隧道监控量测项目及方法

4.2.1隧道监控量测项目

隧道监控量测项目如表1中内容。

表1隧道监控量测项目

序号

监测内容

方法及工具

布置

1

地质和支护状况观察

地质罗盘

按Ⅳ级/20m、Ⅲ级/30m的距离设置断面

2

地表沉降量测

全站仪

洞口地段的地表测试范围内每10m距离埋设

3

净空收敛量测

全站仪

每30m设置一个监测断面

4

拱顶下沉量测

全站仪

每30m设置一个监测断面

4.2.2监控量测方法

对地质及支护状态进行观察，主要观察内容有：

（1）地质及支护状态观察内容

对开挖后没有支护的围岩：

岩质种类和分布状态，近界面位置的状态；

岩性特征：

岩石的颜色、成分、结构、构造；

地层时代归属及产状；

节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性，断面状

态特征，充填物的类型和产状等；

断层的性质、产状、破碎带宽度、特征；

地下水类型、涌水量大小，涌水压力、水的化学成分，湿度等；

开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。

开挖后已支护段：

初期支护完成后对喷层表面的观测及裂缝状况的描述和记录；

有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的形象；

喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏；

钢拱架有无被压曲现象；

是否有底鼓现象。

（2）地质及支护状态观察目的

预测开挖面前方的地质条件；

为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据；

根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度；

（3）地质及支护状态观察方法

利用地质素描、照相或摄像技术将观测到的有关情况和现象进行详细记录，观测中，如发现异常现象，要详细记录发现的时间、距开挖工作面的距离以及附近测点的各项量测数据。

（4）洞内外观察测试仪器

地质罗盘、地质锤、钢卷尺、放大镜、秒表、手电、照相机或摄像机。

（5）地质及支护状态观察频率

目测应在隧道开控工作面每次爆破后，通过人工观察、地质罗盘和锤击检查各隧道掌子面，描述和记录围岩地质情况、岩层产状、裂隙、地表水，以及支护效果，每个监测断面应绘制隧道开挖工作面及两帮素描剖面图。

4.2.3周边位移监测

（1）周边位移监测量测内容

隧道周边收敛量测，是量测隧道内壁两点连接方向的相对位移。

（2）周边位移监测量测目的

a、周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息；

b、根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机；

c、判断初期支护设计与施工方法选取的合理性，用以指导设计和施工。

（3）周边位移监测量测方法

按每30m的距离设置监控测断面，每个断面分别在侧墙设置测点，利用全站仪，通过三维坐标法测读和计算隧道周边某两点相应位置的变化。

测点应距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证开挖后12h内取得初始读数，最迟不得超过24h，并且在下一循环开挖前必须完成。

在周边埋设测点，测点为钢筋进行制作，采用HRB335Φ18钢筋埋设，钢筋埋入围岩深度不小于20cm，且不应直接焊接于钢支撑或格栅钢架上，外露部分应有保护装置。

（4）周边位移监测测试仪器

用全站仪进行两点相对位置的测量。

（5）周边位移监测测点布置

台阶法施工,周边位移监测测点每个断面布置两条侧线,左右侧拱墙距路面1.5m处各布置一个测点，起拱线上1.5m处各布置一个测点。

（6）周边位移监测量测频度

宜根据位移速度和工作面距离选取，见隧道监控量测频率控制表2。

4.2.4拱顶下沉监测

（1）量测内容

拱顶下沉及仰拱隆起量量测，是指对隧道拱顶的实际位移值进行量测，是相对于不动点的绝对位移。

图1:

台阶法测点布置示意图

（2）量测目的

a、通过拱顶及仰拱位移量测，了解支护结构的可靠性，判断隧道拱顶围岩的稳定性；

b、根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机；

c、指导现场设计与施工。

（3）量测方法

按每30m的距离设置监控测断面，在拱顶布设固定测点，使用全站仪免棱镜法进行观测,首先测读后视水准点高程读数,然后测度拱顶下沉点高程读数,最后计算拱顶下沉点标高,并与上次测读标高进行对比,计算本次下沉量。

（4）监测频率

同隧道周边收敛量测，见隧道监控量测频率控制表2。

（5）监测仪器

使用拓普康-102R全站仪进行检测。

4.2.5隧道地表下沉监测

（1）量测内容

在隧道浅埋地段的地表测试范围内每10m距离埋设沉降观测点，用精密水准仪监测观测点的绝对下沉，并计算出当天的沉降量。

（2）量测目的

通过地表下沉监测，了解地面的变化状态，判断隧道拱顶的稳定性；

根据下沉速度判断隧道围岩的稳定程度。

指导现场设计与施工。

（3）量测方法

在施工过程中可能产生的地表塌陷之处设置观测点，并在预计下沉断面以外4倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观测点的下沉量。

洞外地表沉降监测测点布置如图4所示。

（4）监测频率

见隧道监控量测频率控制表2。

（5）监测仪器

仪器为精密水准仪、铟钢尺等仪器。

图2隧道洞口段地表沉降监测布置图

表2隧道监控量测频率控制表

序号

项目名称

方法及工具

量测频率

1～15d

16d～1个月

1～3个月

大于3个月

必

测

项

目

1

洞内外观测

岩层、岩性，结构面产状及支护裂缝观察或描述,数码相机、地质罗盘及规尺等

每次爆破后进行观察

2

周边位移

收敛计、全站仪

1～2次/天

1次/2天

1～2次/周

1～3次／月

3

拱顶下沉

全站仪、铟钢尺

1～2次/天

1次/2天

1～2次/周

1～3次／月

4

地表下沉

全站仪、精密水平仪、水准尺

开挖面距量测断面前后<2B,1～2次/天

开挖面距量测断面前后<5B,1次/2～3天

开挖面距量测断面前后>5B,1次/3～7天

按速率和距离量测频率

变形速度（mm/d）

量测断面距开挖面的距离（m）

监控量测频率

≥5

（0-1）B

2次/d

1-5

（1-2）B

1次/d

0.5-1

（1-2）B

1次/2-3d

0.2-0.5

（2-5）B

1次/3d

＜0.2

＞5B

1次/周

地表下沉量测断面间距表

隧道埋深H（m）

量测断面间距（m）

H>2B

20～50

B

10～20

H

10

4.3隧道测点、断面的布置

隧道的测点和断面的布置严格按照规范和设计文件要求，及根据测点的布置原则，洞口附近及埋深小于2b（2倍隧道开挖宽度）时每10m布置一个监测断面，隧道进尺200m前，每20m布置一个检测断面，隧道进尺200m后每30m布置一个监测断面。

4.3信息处理与及时反馈方案

4.3.1数据采集

任何现场量测都不可避免地存在误差。

为得到更为真实、可靠的量测数据，在监控量测、采集数据时，应尽量减少各种误差：

（1）首先做到量测、采集数据专人专项负责，以减少随机误差。

（2）专项量测必须制定专项记录表。

对于手工记录资料要保存好原始记录表。

（3）各项数据采集频度与相应量测频度同步。

（4）各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15～20d后结束。

4.3.2量测数据的处理

现场量测数据应及时进行处理，绘制成位移、应力、内力和时间的关系曲线（或散点图），曲线的时间横坐标下应注明施工工序和开挖工作面距量测断面的距离，以便更准确的进行数据的回归分析，并对隧道的受力状态做出判断。

在进行数据处理过程中，对一些异常数据应根据测量误差的处理原则进行剔除，并及时进行复测校正。

4.3.3量测数据的分析及预测预报

在已有监测数据的基础上，必须对位移和应力的进一步发展进行分析，并做出较为准确的预测，才能及时对下一步的支护措施提出指导性意见。

对监测信息的分析和预测预报主要通过两个途径来实现。

回归分析法

是最常用的位移数据分析方法，根据实际监测信息，对位移可选用下列函数之一进行回归分析。

（1）对数函数，例如：

（2）指数函数，例如：

（3）双曲函数，例如：

式中

、

——回归常数；

——测点初读数后的时间（d）；

——位移值（mm）。

根据回归曲线（如图4），可以掌握位移的变化规律，推算出某时刻的位移值及最终的位移值，当位移—时间曲线趋于平缓时，隧道即趋于稳定。

对于应力和内力量测信息，同样可以采用回归分析的方法，建立回归曲线，从而对应力和内力的进一步发展作出预测，其具体的回归函数可根据实测数据拟合得到。

灰色预测分析法

灰色预测分析法同样是根据已有的量测数据对进一步的位移和内力的发展做出预测，并据此对隧道和围岩的受力状态和稳定性做出判断。

在预测分析中，该方法通过不断的数据更新，只根据最新测得的数据对下一步的变化做出预测，从而使预测更为准确。

在实际数据分析和预测中，以上两种方法将联合使用，以互相验证。

4.4信息反馈与监控

在复杂多变的隧道施工条件如何进行准确的信息反馈与监控是监控量测的主要目的和内容之一。

迄今为止，信息反馈与监控主要通过两个途径来实现。

4.4.1力学计算法

支护系统是确保隧道施工安全与进度的关键。

可以通过力学计算来调整和确定支护系统。

力学计算所需的输入数据则采用反分析技术根据现场量测数据推算得知，如塑性区半径、初始地应力、岩体变形模量、岩体流变参数、二次支护荷载分布等。

这些数据是对支护系统进行计算所需要的。

4.4.2经验法

此法也是建立在现场量测的基础之上的，其核心是根据经验建立一些判断标准，而后根据前述的回归函数可以预测最终的位移值（

）：

以及、来直接判断围岩的稳定性和支护系统的工作状态。

在施工监测过程中，数据“异常”现象的出现可以作为调整支护参数和采取相应的施工技术措施的依据。

何为“异常”，这就需针对不同的工程条件（围岩地层，埋深，隧道断面，支护，施工方法等）建立一些根据量测数据对围岩稳定性和支护系统的工作条件进行判断的准则。

（1）根据极限位移值判断

隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于表4（隧道周边允许相对位移值）所列数值。

该表所列数值是在统计和分析了国内许多隧道的量测数据后得到的，可作为应用中的依据，同时在使用过程中应根据对现场实测数据的分析及相应的数值计算等进行修正。

当位移速度无明显下降，而此时实测相对位移值已接近表中规定的数值，或者支护混凝土表面已出现明显裂缝时，必须立即采取补强措施，并改变施工方法或设计参数。

表3隧道周边允许相对位移值（%）

覆盖层厚度（m）

＜50

50～300

＞300

围岩级别

允许相对位移值（%）

允许相对位移值（%）

允许相对位移值（%）

Ⅲ

0.10～0.30

0.20～0.50

0.40～1.20

Ⅳ

0.15～0.50

0.40～1.20

0.80～2.00

Ⅴ

0.20～0.80

0.60～1.60

1.00～3.30

根据量测结果进行综合判断，确定变形管理等级，据以指导施工。

变形管理等级见表4。

表4变形管理等级

管理等级

管理位移

施工状态

Ⅲ

U0＜（Un/3）

可正常施工

Ⅱ

（Un/3）≤U0≤（2Un/3）

应加强支护

Ⅰ

U0＞（2Un/3）

应采取特殊措施

注：

U0：

实测变形值Un：

允许变形值。

（2）根据位移速率判断

工程实践表明：

各项位移达到基本稳定的时间一般是在一个月以内，且回归值与实测值很接近。

从其位移速度与时间关系曲线显示出，位移的发展具有明显的阶段性。

因此，可在实测资料的基础上，可依据位移速度划分为三个阶段，即变形急剧增长阶段：

变形速率大于1.0mm/d、变形缓慢增长阶段：

变形速率位于0.2～1mm/d、基本稳定阶段：

变形速率小于0.2mm/d，

（3）根据位移－时间曲线判断

如果位移时态曲线始终保持（），说明位移速率不断下降，这是稳定的标志。

当位移—时间曲线出现反弯点，也即位移出现反常的急剧增长现象时（），表明围岩和支护已呈不稳定状态或危险状态，应加密监测，并适当加强支护，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。

对于支护结构中的应力、内力以及接触压力等，目前还没有相对可靠的经验公式用以判断，通常通过实测数据同支护结构的极限承载力进行比较，并结合必要的理论计算来综合进行分析判断，并以此为依据对支护参数和施工方法进行优化。

为确保监测质量，加快信息反馈速度，全部监测数据由计算机管理，并绘制测点位移变化曲线。

监测数据的反馈程序见监测结果反馈程序图（图4）。

根据量测资料，及时以书面报告形式反馈与施工、监理、设计单位，以调整或加强支护措施，保证施工的安全。

书面报告内容包括量测数据的处理分析结果、隧道与围岩稳定性的评价，各类围岩地段二次衬砌合理施作时间的建议，以及进一步的施工方案的优化完善等。

图4隧道监控量测反馈程序图

五、质量保证体系及措施

5.1项目管理

隧道施工现场监控量测，要按照量测计划认真组织实施，并且与其他施工环节紧密配合，不能中断工作。

特别是各预埋测点应当牢固可靠，并且要易于识别和妥善保护，不得任意拆除和人为破坏。

监测过程中，监控量测小组，要负责监测、分析和监测数据的反馈及对设计和施工提出合理的建议。

项目启动，项目进度将与隧道施工同步；根据项目进度和工程实际情况，控制监控量测进度。

5.2监控量测工作的注意事项

（1）、确保量测仪器具有良好使用状态。

（2）、现场测试前要检查仪器准备数量、质量，检查设备是否完好，如发现问题应当及时修理、更换或补充，检查测点是否松动或人为破坏，确认测点状态良好时方可进行测试。

（3）、测试工作中的基本要求：

按照各项量测的操作规程安装好仪器、仪表，每测点一般测读3次，3次读数相差不大时，可取算术平均值；如果读数相差过大，应当检查仪器、仪表安装是否正确，测点是否松动，当确定无误后再进行测试。

每次测试都要做好记录，并且记录环境温度、掘进里程及其施工情况等，保持原始记录的准确性。

在现场进行初步计算，发现围岩与支护变形较大时，应当及时通知现场施工负责人。

收尾工作，检查仪器、仪表，作好保养和保管工作，及时进行资料整理。

5.3质量保证措施

施工监控量测严格按照有关规范、标准以及施工图设计文件进行，以确保隧道工程施工的安全，并根据量测信息进行及时反馈，优化设计。

具体保证隧道施工监控量测质量的措施有：

施工前应对现场进行调查，并做详细记录，必要时可拍照、摄影作为施工前档案资料；在施工前应进行初始观测，初始观测不少于二次。

全站仪初精度应满足要求，同时每年应由国家法定计量单位进行检验、校正，并出具合格证；在安装过程中应对仪器、传感器、材料、传输导线进行连续性检验，以保证仪器质量的稳定性；做好仪器安装过程的原始记录。

监测工作需固定观测人员和仪器，采用相同的观测方法和观测路线，在基本相同的情况下施测；监测期间应定期对基准点进行联测以检验其稳定性；在整个施工期内，采取有效保护措施，确保其在整个施工期间正常使用。

在测点周围设置明显的标志并进行编号，注意保护测点，严防施工时破坏；并在每次观测前检查测点是否松动；确认测点状态良好时方可进行测试。

及时埋设测点，测点应距开挖面2m范围内尽快埋设，并应保证爆破后24h或下一次爆破前初次读数。

观测时，应按仪器的操作规程和仪器生产厂家说明书的要求进行观测，根据观测设计对仪器进行基准读数和定期读数，确保与观测仪器相应的最高精度和观测资料的可靠性，每测点一般测读3次；每开始观测一组新读数前，应对观测仪表进行检验，以确保其良好的工作性能。

观测数据应记录在相应的表格中，并随时和上次观测的数据进行对比；当出现读数异常或可疑现象时，应进行重读，并检查仪器、仪表安装是否正确，测点是否松动，当确定无误后再进行测试，并和上次观测数据同时记录下来；在记录中应有环境温度、掘进里程及其施工情况等，保持原始记录的准确性。

在现场对观测数据进行初步计算，发现围岩与支护变形较大时，应当及时通知现场施工负责人；当监测值达到报警指标时，及时签发报警通知；对所有的不正常影响因素都应作文字记录。

观测数据应认真计算整理、仔细校核，及时提交当日报表及阶段性报告；在报表和报告中，应结合施工情况、掘进里程、天气情况、周围环境温度等进行综合分析判断，及时提出工程建议。

每次测试完成后，应检查仪器、仪表，作好保养和保管工作。