国家级经济技术开发区五号路道路工程隧道施工监控量及超前地质预报项目
实施方案
贵州工大土木工程试验检测股份有限公司
二○一四年十一月
国家级经济技术开发区五号路道路工程隧道施工监控量及超前地质预报项目
实施方案
方案编写：
方案审核：
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贵州工大土木工程试验检测股份有限公司
二○一四年十一月
目录
第一部分技术方案 (1)
1 工程概况 (2)
3 编制依据及原则 (2)
4 隧道施工监控量测 (2)
5 超前地质预报 (23)
6 围岩级别评定 (25)
7监测成果报告 (28)
第二部分组织管理方案 (30)
1 组织机构 (31)
2 项目实施管理流程 (32)
3 质量保证措施 (32)
4 及时性保证措施 (33)
5 按期完成任务措施 (34)
6 监控仪器、设备 (34)
7 人员进场 (35)
8 施工配合 (47)
附录一、超前地质预报格式 (48)
附录二、隧道监控量测月报格式 (55)
附录三隧道周边收敛、拱顶下沉和地表沉降监测数据统计表与图 (72)
附录四、原始数据记录格式 (78)
第一部分技术方案
1工程概况
国家级经济技术开发区五号路道路工程全长1200米，规划道路宽度40米，一期按21米实施。道路等级为城市I级主干道，沥青混凝土路面。建设内容包括土石方挖填、房屋拆迁安置，道路路基、路面、人行道、给排水、绿化、桥梁、隧道、照明及交通等附属设施等。隧道全长210米。
3编制依据及原则
3.1 编制依据
(1)《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）；
(2)《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60-2009）
(3)《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；
(4)《工程测量规范》（GB50026-2007）；
(5)《公路工程物探规程》(JTG/T C22-2009)
(6)隧道施工图设计文件；
3.2编制原则
(1)根据工程实际情况，合理安排预报，做到既能满足施工需要，又尽可能减少对隧道施工的影响；
(2)长距离预报宏观控制，短距离预报确保预报的准确性。
(3)监控量测计划根据设计文件进行，根据地质超前预报、施工开挖结果做调整，确保监测信息为正确调控施工决策和调整、验证支护设计参数提供科学依据，确保隧道安全施工。
4隧道施工监控量测
4.1监控量测的目的和项目
4.1.1隧道施工监控量测的目的
1、通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性。
2、用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈给设计及指导施工，为修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据。
3、通过监控量测对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控。
4、通过监控量测进行隧道日常的施工管理，确保施工安全和施工质量。
5、通过施工现场的监控量测，确定二次衬砌合理施作时间。
6、通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。
4.1.2隧道施工监控量测项目
隧道施工监控量测项目有：地质及支护状态观察、周边位移、拱顶下沉、洞口浅埋段地表下沉、锚杆轴力及抗拔力、开挖轮廓测量、围岩体内位移(洞内设点)、围岩体内位移(地表设点)、土体侧向变形（有偏压的洞口段）、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力监测、初衬及二衬混凝土应力和裂隙、渗透水压力监测等。见表5-1和表5-2所示。
下沉以及超前地质预报为必测项目，其它选择项目根据需要与业主另行商议。
1.洞内外观察
洞内外观察包括工作面（掌子面）地质情况、支护结构以及地表观察。通过洞内外观察，了解围岩的工程地质和水文地质情况、结构面的产状、支护状态和裂缝的发展情况以及地表的开裂情况，预测开挖面前方的地质条件，为判断隧道施工过程中围岩稳定性提供地质依据。
1）、监测仪器
地质罗盘、地质锤和照相机。
2）、观察频率
开挖及初期支护后进行。每一循环进尺，每次爆破后，都必须进行一次工作面观察，并作好客观详尽的记录。在地质变化不大地段，可每天按一个工作面记录，对已成洞地段主要是支护效果的观察，频率同工作面。
3）、观察内容
(1)工作面工程地质和水文地质情况观察和描述：地层、岩性、结构、构造、颜色、岩层产状；岩石的坚硬程度，岩石单轴抗压强度，自稳情况，风化程度和蚀变程度；地质结构面（节理、裂隙、层理和片理）产状、组数、每组结构面的频度（平均间距、延伸长度），充填物状况；断层产状，位置，破碎程度及范围，渗、漏水及涌水位置及出水量，以及实际围岩级别。并以表格和素描形式记录；
(2)工作面附近初期支护状态观察和已成洞的支护效果观察：包括锚杆锚固效果，喷层开裂部位、宽度、长度及深度，喷射混凝土的脱落情况，渗水情况以及钢架的变形情况等，以表格和素描形式记录下来。
（3）洞外观察重点应在洞口段、岩溶发育区段地表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、地表植被变化等的开裂位置，宽度、长度以及随时间的发展变化情况。
2 隧道周边位移与拱顶下沉量测
1）、监测仪器与方法
周边位移量测采用数显式SWJ-IV收敛计（见图5-1）进行量测，量测精度为0.001mm，主要由钢卷尺、百分表测量拉力装置及与锚栓测点相连的挂钩组成。
图5-1 SWJ-IV数显式隧道收敛计
测量时将收敛计一端连接挂钩与测点锚栓上不锈钢环（钩）相连，展开钢尺使挂钩与另一测点的锚栓相连。张力粗调可把收敛计测力装置上的插销定位于钢尺穿孔来完成。张力细调则通过测力装置微调至恒定拉力为止。在弹簧拉力作用下钢尺固紧，高精度的百分表可测出细调值。记下钢尺读数加上（减去）测微读数，即得到测点位移值。
在实施中，隧道开挖后在设计的监测点位埋置监测挂钩，测量初始值，然后根据施工的进程监测收敛值，直到稳定为止。将量测结果进行分析，可以得出累计洞周净空收敛与时间的关系曲线，对曲线进行拟合分析，可以对隧道最终变形进行预测，从而达到指导施工的目的。
隧道拱顶下沉所用的量测仪器包括：精密水准仪、钢尺、塔尺（与精密水准仪配套）等。
在量测断面的拱顶埋设测点，将钢尺或收敛计挂在拱顶测点作为标尺，后视点可设在稳定衬砌上，用精密水准仪进行观测，通过计算求出连续两次量测的拱顶高程，将前后两次量测的数据相减得拱顶下沉值。图5-2示出了拱顶下沉的量测原理。
图5-2 拱顶下沉量测示意图
拱顶沉降用精密水准仪，钢尺进行量测，与隧道施工共用高程控制网。对监测结果进行分析，可以得出累计沉降、单次沉降等曲线，并可对其进行拟合，进而可以对其最终沉降做出预测，来指导施工。
2）测点布设
《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）和《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60-2009）规定净空位移量测(收敛量测)的测线数，可参照表5-3执行。
a)
b)
c)d)
12
12
图5-3 净空变形量测和拱顶下沉量测的测线布置示例
1-起拱线；2-施工基面
a)1条水平测线示例；b)2条水平测线示例；c)3条测线示例；d)6条测线示例
当采用全断面开挖时，可将测得的净空垂直位移来代替拱顶下沉量测。斜测线的设置有助于了解垂直方向的变化情况。同时亦可通过三角计算同多点位移计测得的结果进行对比。
拱顶下沉量测的测点原则上设置在拱顶中心线上。当洞跨较大时，亦可在拱顶设置三个测点。 本次标段周边收敛和拱顶下沉的测点布设如图5-4。
拱顶
图5-4 周边收敛和拱顶下沉测点不设图
3）测点间距
地表下沉量测的测点应与净空水平收敛和拱部下沉量测的测点布置在同一横断面上（如表5-4）。
4）、量测频率
量测频率按表5-5和表5-6进行。
各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15～20d结束。
3 浅埋段地表下沉监测
1）、监测仪器
为了保证测量成果准确、可靠，达到精度要求，采用NA2自动安平水准仪及其配套的3m钢尺。在作业前，对仪器和钢尺进行有关检校，使各项指标全部符合国家有关规定。
2）、沉降观测点标志的构造
沉降观测点标志的构造见图5-5所示。
φ20×300钢筋
地面
图5-5地表监测点布置示意图
3）、监测断面及监测点的布置
对于洞口段、浅埋段(h0＞2b)，地表下沉的量测尽量与洞内拱顶下沉量测、周边位移量测在同一横断面内，当地表有建(构)筑物时，应在建(构)筑物周围增设地表下沉测点。
地表下沉监测范围横向应延伸至隧道中线两侧(1~2)(b/2+h+h0)，纵向应在掌子面前后(1~2)(h+h0)(b 为隧道开挖宽度，h为隧道开挖高度，h0为隧道埋深)。
一般情况，横向布置间距范围2-5m, 布置7-11个测点，隧道中线附近密些，远离隧道中线处疏些。
地表下沉监测是采用精密水准测量的方法进行的，为此应建立高精度的高程变形监测控制网。其具体做法是：在地面布设一条闭合水准线，再由水准环中的固定点测定各监测点的高程，这样每隔一定周期进行一次精密水准测量，对外业观测成果严密平差，求出各水准点和沉降点的高程平差值。某一沉降监测点的沉降量即为首次观测求得的高程与本次复测求得的高程之差。
为了确保观测质量，争取最佳观测条件，在第一次观测前用钢尺选量好仪器站位和标尺位,并做好标记，以后观测按固定路线、固定仪器设备、固定作业人员方式进行作业。基准点首次均作了两次测量，取其平均值作为初始值。精密水准仪对震动十分敏感，在布设水准路线时，应当尽量远离震动较大的地方。同时因其对光线的强度也十分敏感，在强光、逆光、阴天光线不足时，经常会出现无法读数或误差较大，所以一般选择光线均匀、车辆较少的时候进行监测。
5）、量测频率
地表沉降量测频率根据距开挖工作面距离确定，详见表5-7所示：
表5-7地表沉降量测频率
地表下沉量测应与洞内拱顶下沉和周边位移量测频率相同。
地表下沉监测应在隧道开挖前开始，到二次衬砌全部施工完毕，且下沉基本停止时为止。
6）、沉降监测的技术要求
(1)仪器和标尺要按照规范要求定期进行检校，已知水准点要联测检查，以便保证沉降监测成果的正确性。
(2)每次沉降监测工作，均需采用环线闭合或往返闭合方法进行检查，闭合差的大小应根据不同建筑物的监测要求确定。
(3)每次沉降监测应尽可能使用同一类型的仪器和标尺，尽可能地采用相同的观测路线和观测方法。
(4)观测记录应清晰完整，准确无误。每期观测结束后，应及时提供成果资料。
7）、监测数据处理与成果分析
野外观测完毕以后，在对外业观测记录进行认真检查的前提下，首先对观测数据进行预处理，并保证无粗差，各项外业观测指标均满足规范要求，水准监测线路闭合差均在规范要求的限差之内。根据观测数据汇总表，以观测时间为横坐标，以累计沉降值为纵坐标，绘制出主要沉降点的沉降过程线，它可以明显地反映出沉降的趋势、规律和幅度。沉降趋势预报是沉降测量的重要环节；通过大量的沉降观测后，获得对地表沉降规律的理性认识，确定未来的沉降趋势，这是确保隧道安全施工的可靠保证。
洞内必测项目，各测点应在不受到爆破影响的范围内尽快安设，并应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，并且在下一循环开挖前必须完成。选测项目测点埋设时间根据实际需要进行。测点应牢固、可靠、易于识别，应能真实地反应围岩、支护的动态变化信息。洞内必测项目各测点应埋入围岩中，深度不应小于0.2m，不应焊接在钢支撑上，外露部分应有保护装置。
4 锚杆轴力及抗拔力监测
1）、监测的意义
(1)了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小；
(2)结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限；
(3)修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。
2）、监测仪器
锚杆应力量测采用的主要仪器是锚杆应力传感器、测频仪。锚杆应力传感器是由几个钢筋应力传感器串联而成，主要用于观测初始应力变化和二次应力的形成和变化。锚杆应力传感器的钢弦振动频
率是由频率仪测定的，它主要由放大器、示波管、振荡器和激发电路等组成，若为数字式频率仪，则还有一数字显示装置。
3）、监测点布置
锚杆应力计的布置及传感器在锚杆上的分布见图5-7所示。
图5-7锚杆应力计的布置及传感器在锚杆上的分布
4）、监测方法
(1)根据设计要求造孔，钻孔直径应大于锚杆应力计的最大直径，钻孔方位应符合设计要求。 (2)钻孔应冲洗干净，并严防孔壁沾染油污。
(3)锚杆计的组装，应按照设计要求将锚杆应力计连接起来，在连接过程中要保持锚杆应力计同轴。 (4)组装完毕的锚杆应力计应检查是否合格，检查的内容包括：锚杆的同轴度，锚杆连接部分是否牢固可靠，锚杆应力计的初始频率读数，电缆是否破损等。
(5)将检查合格后的锚杆计缓慢地送入钻孔中，安装时要确保锚杆应力计不产生弯曲，锚杆根部应与孔口平齐。
(6)锚杆应力计入孔后装好灌浆管，用水泥沙浆封闭孔口。并再次检测锚杆的初始频率读数。 (7)安装检测合格后，进行安装灌浆埋设，一般水泥砂浆的配合比为：灰砂比为1：1~1：2 , 水灰比为0.38 ~0.40。灌浆时，应在设计规定的压力下进行，灌至孔内停止吸浆时，持续10min ，即可结束。砂浆固化后，测其初始频率值。
(8)在锚杆受力发生变形后，通过测频仪量测与之相连的锚杆应力计的频率变化，然后根据标定曲线或公式将其换算成锚杆的应力。
5）、监测频率 监测频率按表5-8。
表5-8 锚杆轴力监测频度表
单位：cm
电缆线长度起算点
：代表锚杆应力计
单位：cm
6）、监测数据处理与分析
换算出每个传感器的轴力值后，就可得到一根锚杆不同部位的轴力值，图5-8即为锚杆内轴力值在不同测试阶段沿锚杆长度方向上的分布。根据轴力值的大小评价支护的合理性，从而指导设计与施工。
（a）（b）
（c）（d）
图5-8 锚杆内轴力值在不同测试阶段沿锚杆长度方向上的分布
7）、监测中应注意的问题
(1)注意锚杆应力计的组装质量。
(2)注意锚杆应力计的初始频率。从组装、埋设、灌浆、固化都要进行检测。
(3)注意电缆引线的保护，电缆引线不能破损，更不能折断。
5 围岩体内位移(洞内设点)
围岩内部位移量测是监测隧道周边某点及围岩内部不同深度处各点的位移状态,其主要有以下两个目的：其一是判别浅埋、偏压和强构造岩体中隧道围岩稳定性和支护效果，确保施工安全和工程质量；其二是判别围岩松驰范围，优化锚杆设计参数。
目前围岩内部位移量测的仪器，主要使用多点位移计。量测断面设在有代表性的地质地段，在一般围岩条件下（深埋均质岩体）每隔200~500m设一个量测断面较为合适。其测点可在拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚和两侧边墙等7个部位埋设围岩内部位移量测元件，其量测频率见表5-15。
6 围岩体内位移(地表设点)
采用分层沉降仪、测斜仪在埋设的沉降管、测斜管内进行测试。
沉降管、测斜管采用钻孔埋设，沉降管、测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。
沉降管安放就位后回填粗砂以确保监测用磁环位置的稳定。测斜管安放就位后调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。调整方向后盖上顶盖，保持测斜管内部的干净、通畅和平直。管顶高出地面约10~50cm。钻孔和测斜管之间要回填。回填应选用粗砂缓慢进行，注意采取措施避免塞孔使回填料无法下降形成空洞，回填后通过灌水和间隔一定时间后的检查，在发现回填料有上深时，再进行回填，回填工作要确保测斜管与土体同步变形。埋设时间应在隧道开挖之前，并至少提前两周完成，同时应清楚标示和作好可靠的保护措施。
7 土体侧向位移(有偏压的洞口段)
采用分层沉降仪、测斜仪在埋设的沉降管、测斜管内进行测试。
沉降管、测斜管采用钻孔埋设，沉降管、测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。沉降管安放就位后回填粗砂以确保监测用磁环位置的稳定。
测斜管安放就位后调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。调整方向后盖上顶盖，保持测斜管内部的干净、通畅和平直。管顶高出地面约10~50cm。钻孔和测斜管之间要回填。回填应选用粗砂缓慢进行，注意采取措施避免塞孔使回填料无法下降形成空洞，回填后通过灌水和间隔一定时间后的检查，在发现回填料有上深时，再进行回填，回填工作要确保测斜管与土体同步变形。埋设时间应在隧道开挖之前，并至少提前两周完成，同时应清楚标示和作好可靠的保护措施。
8 围岩压力
隧道开挖后，围岩将向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，这样就会产生围岩作用于支护结构上的围岩压力。围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。
其方法是在围岩与支护、两次支护之间埋设各种压力盒等传感器。了解围岩压力的量值及分布壮态，判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。
1）、埋设断面内测点布置
每一测试断面内，埋设9个压力盒。压力盒分布的位置是：在拱顶设1个、左右拱脚各设1个、左右边墙各设1所示：
2）、量测方法
在初支钢架架立好后，将待测围岩压力部位的围岩表面或初支表面凿平或用水泥砂浆抹平，以使压力盒能与围岩充分接触，然后用预制的混凝土垫块将压力盒按图5－6所示位置垫牢、固定，并将导线沿钢架引至边墙距墙脚1.5米高处，线头从预埋的铁盒里引出。埋设时将压力盒编号与测试点所对应位置记好记录。
将铁盒内线头插入测频仪中，测试读数并作好记录。每次每个压力盒的测量应不少于3次，力求测量数值可靠、稳定。
3）、量测频率
根据距开挖工作面距离关系，围岩接触应力量测频率如表5-9所示：
表5-9 围岩接触应力测试频率
注：B为隧道宽度。
9 钢支撑应力监测
1）、测试元件
监测钢支撑应力采用钢筋应力传感器，其基本组成如图5-10所示。主要技术指标如表5-10。
图5-10应用于钢支撑监测的钢筋应力传感器
表5-10表面应变传感器的主要技术指标
2）、测点布置
测点布置如图5-11所示。
图5-11主隧道有仰拱断面测点布置
3）、元件埋设方法及数据采集
采用与衬砌钢筋直径相同的钢筋应力计，钢筋计分别安装在钢架或格栅的内外两侧。
钢筋应力计两端配有拉杆，可将钢筋直接焊在拉杆上。在焊接前应对钢筋应力计的初始频率进行测试，测试结果应和标定表的零点频率相同，方可进行焊接，在焊接时必须对钢筋应力计进行水冷却，以免由于焊接时的高温传到钢筋应力计上，损坏钢筋应力计内部电器元件。当钢筋应力计拉杆与钢筋焊完后，用二次仪表测试钢筋应力计初始频率二次仪表显示的频率是否正确，如正确便可将其装到工程部位。
根据设计每个断面的元器件位置和数量进行埋设，并将元器件的传输缆线绑扎在钢筋上，集中在每个断面的集线箱处，每个断面设两个集线箱，以便于数据的采集，集线箱位于墙脚线上1~2m 处。采用钢弦式频率仪进行数据采集。
4）、测试数据处理
现场所测得的是传感器的荷载频率值，与初始频率相对应，根据厂家提供的标定公式和曲线可计算出相应的应变值。
钢筋应力：K A F F f f X )(-?-?= 式中：X —荷载（MPa ）； f —荷载频率； F —初始频率； A —截矩；
K —系数。 10 初支与二衬间压力监测
1）、测试元件及工作原理
初期支护与二次衬砌之间的压力量测采用的主要仪器是钢弦式土压力计，其主要由压力盒、压力传感器、油腔、承压膜、连接管和屏蔽电缆组成。压力盒由两块圆形或矩形的不锈钢板焊接而成。两块钢板间约有1mm 的间隙构成一空腔，腔内充满防冻的液体，油腔通过一根高强度的连接管与钢弦传感器连接形成封闭的承压系统。这种采用两次膜分离式结构的优点在于传感器只感应由压力盒连接管传递来的液体压力，而不直接测量土压力。因此，它对周围土体应力场的扰动不会影响到土压力盒。
又因设计使直径与厚度之比远远大于10倍，且空隙小，充满油，则刚度大。所以土压力计与土体匹配误差小，测值精度高。其主要组成示意如图5-12所示。
当土压力作用于压力盒承压膜（一次膜）上，承压膜即产生微小挠性变形，使油腔内液体受压，因液体不可压缩特性而产生液体压力，通过连接管传到压力传感器的受压膜即二次膜上而使钢弦式传感器的自振频率发生变化。钢弦式土压力计长期稳定性好，结构牢固，操作方便，容易实现采集自动化。它采用二次膜分离结构，可提高灵敏度和刚度，减少埋设中“拱效应”和边界应力集中。
1-膜盒；2-橡皮边；3-承压膜；4-油腔；5-连接管；6-传感器；7-屏蔽电缆
图5-12 钢弦式土压力计示意图
2）、测点布置
测点布置如图5-12所示。
式中：X—荷载（MPa）；
f—荷载频率；
F—初始频率；
A—截矩；
K—系数。
11 孔隙水压力监测
地下水对洞室围岩稳定性有很大的影响，静水压力作用于衬砌上，等于给衬砌增加了一定的荷载，因此，衬砌强度和厚度设计时，应充分考虑静水压力的影响。另一方面，静水压力使结构面张开，减小了滑动摩擦力，从而增加了围岩坍塌、滑落的可能性。应对施工过程中孔隙水压力进行监测，根据测量值的大小评价支护的合理性，从而指导设计与施工。
1）、观测仪器及工作原理
孔隙水压力测试时所需的主要设备有孔隙水压力计（探头）、导线、量测仪器，孔隙水压力计是其中的主要组成部分。孔隙水压力计一般由金属壳体和透水石组成，孔隙水压力计的工作原理是把多孔元件（如透水石）放置在土中，使土中水连续通过元件的孔隙，把土体颗粒隔离在元件外面而只让水进入有感应膜的容器内，再测量容器中的水压力，即可测出孔隙压力；量测仪器通常为一频率采集仪（孔隙水压力就是根据频率仪所读频率转换而得）。
孔隙水压力计大致分为电测式孔隙水压力计（包括振弦式、电阻式、差动变压式等），流体压力式（包括液压式、气压式等）两类。电测式孔隙水压力计（包括振弦式、电阻式、差动变压式等）适用于各种渗透性质的土层。流体压力式（包括液压式、气压式等）和开口式孔隙水压力计适用于渗透系数K大于1×10-5cm/sec的土层。
2）、监测点布置
孔隙水压力计的布置见图5-14所示。
孔隙水压力计
隧
道
内
表
面图
3）、监测方法
(1)孔隙水压力计安放前，必须排除孔隙水压力计内及管路中的空气；
(2)钻孔：根据设计要求钻孔，钻孔直径应大于孔隙水应力计的最大直径，钻孔方位应符合设计要求，钻孔应冲洗干净，并严防孔壁沾染油污。孔径根据所选孔隙水压力计直径而定，孔内应无沉淤和稠浆；