隧道试验检测考试辅导—6.14

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1、公路隧道试验检测与监控测量,交通运输部公路科学研究所 桥梁技术研究中心 2013.6.14,王陶,一、隧道设计理论的发展及存在的问题 二、支护在隧道结构受力承担的作用 三、隧道工程监控测量 四、隧道建设中存在的问题及检测技术,一、隧道设计理论的发展及存在的问题,1.1、隧道设计理论的发展 （1）早期围岩压力理论（浅埋）垂直应力是 ；而侧压系数有不同认识： Haim认为是1， Rankine认为是 ， 金尼克认为是 。 （2）散体压力理论随着埋置深度增加，认为作用在支护结构上的压力是围岩塌落拱内松动岩体重量： 太沙基认为塌落拱是矩形； 普氏认为是抛物线。,（3）支护与围岩共同作用理论新奥法施工、

2、支护结构的减少。（4）考虑围岩缺陷的计算理论节理裂隙、软弱夹层、软土隧道与海底隧道。（5）考虑环境影响的计算理论地下水渗流、化学侵蚀、抗震等。,1.2、隧道工程理论与实践中存在的若干问题 隧道围岩缺陷的探测和描述不清楚，施工阶段地质判释技术不完善 现有隧道理论计算结果与实际的差异较大，计算理论不完善 地质岩体性质的时间和空间变异性问题 地质结构与围岩类别的识别问题 隧道施工中控制超欠挖和开挖振动问题,隧道净空的合理布置与经济性问题 隧道内防水问题始终是薄弱环节 隧道通风与污染问题 隧道病害原因研究与处治问题 隧道建造与运营的环保及生态问题，目前意识薄弱 隧道路面的设计、施工、养护和维修问题（目

3、前还没有规范）,1.3、隧道理论研究及对检测、监测的要求 地层原岩应力状态及测试技术 隧道围岩的分类及其稳定性 各种围岩及洞形的围岩应力、变形及破坏规律 岩石和土体的力学性质及力学参数的测试与确定 围岩压力计算理论研究 支护结构应力及变形的现场测试、模型实验和理论研究 支护结构的设计和计算 隧道围岩破坏的防治和加固处理,2.1 锚杆的力学作用 （1） 悬吊作用将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。 （2）减跨作用在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。,二、支护在隧道工程中承担的作用,（3）组合梁作用在岩层中打入锚杆，将若干薄弱岩层

4、锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。 （4）整体加固作用锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。,2.2 有关锚杆的计算,（1）锚杆承载力计算块体坠落时，除使锚杆受拉外，还对锚杆产生剪切作用。 （2）锚杆锚固长度确定根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的等强度原则，可确定锚杆的锚固深度 （3）锚杆直径的确定抗拉强度2倍 （4）锚杆间距的确定每根锚杆所负担的岩体重量即为所受荷载。,2.3、喷混凝土支护结构,（1） 喷射砼的作用局部稳定 充填裂隙、加固围岩、找平、封闭围岩防止围岩风化；整体稳定 与岩体表

5、面粘结，使表面岩体形成平顺的整体； 喷砼与围岩组成共同承载结构； 依靠结合面的抗拉、压、剪能力，与岩体密贴，组成“组合结构”或“整体结构物”。,（2） 有关喷射砼的计算厚度的计算 抗冲切； 抗撕裂。厚度确定 按照抗冲切和抗撕裂分别计算，取其最大值； 还必须满足构造要求：不小于5cm，不大于20cm。,3.1、监测在隧道工程中的地位地面结构工程：“调查设计施工”流程，设计途径是“荷载结构物”模型出发而进行力学计算。隧道设计：(1).理论计算法；(2)工程类比法；(3)现场监测。单独使用力学方法或经验法都不能取得较好的效果。隧道工程设计一方面使经验法科学化；另一方面要使设计中的力学计算具有实际背景

6、。为了做到这一点，现场监测就不能不起到特别重要的作用。,三、隧道工程监控量测,3.2、现场监控量测的目的和意义 通过现场监控量测可达到以下目的：（1）确保安全：掌握围岩支护动态,管理量测断面的信息，确定施工对策和措施，防患于未然；（2）指导施工：预测、确认隧道围岩最终稳定时间，优化结构设计、支护参数和施工工艺、指导施工顺序和施作二次衬砌时间； （3）修正设计：结合围岩力学状态，修正围岩预留变形量、变更围岩级别以及调整相应围岩设计参数，反馈给设计、施工单位，优化支护、衬砌结构设计，保障隧道运营阶段安全； （4）积累资料：已有的测量结果，可以直接应用到后续同类地质条件工程中，也可为其他类似工程积累

7、资料。,3.3、依据的标准规范,公路隧道设计规范（JTG D70-2004） 公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009 ） 公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1-1999） 公路工程质量检验评定标准（JTG F80-2004） 铁路隧道衬砌质量无损检测规程（TB 10223-2004 J 341-2004） 铁路隧道监控量测技术规程（ TB 10121-2007 J 721-2007） 隧道施工图设计,3.4、监控量测的内容,监控量测可分为必测项目和选测项目。必测项目是必须进行的常规测量：是判断围岩稳定状态、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测，这类量测方法简单、费用少

8、，但对修改设计、指导施工所起的作用却非常大。是新奥法量测的重点项目。选测项目是对具有特殊意义的区段进行的补充量测：是以判断隧道围岩松动状态、判断喷锚支护效果和为以后设计积累资料为目的的量测。这类量测在方法上比较麻烦，因量测项目过多而造成费用大，因此，除了有特殊量测任务的地段外，只选其中一些必不可少的项目进行量测。,3.5、现场监测的主要手段方法,（1）周边位移量测在内壁每个断面采用收敛尺2点对测。 测点应在隧道断面开挖或初喷后24小时内尽快安设，并进行初始读数； 测点标记，并防止爆破和初喷时扰动、损坏。,（2）拱顶下沉量测拱顶下沉采用精密水准仪量测，满足0.1mm最小精度要求。近年来，光学免棱

9、镜测量系统也逐渐应用于周边位移、拱顶下沉测量。,（3）锚杆拉拔力锚杆所能承受的最大拉力，它是锚杆材料、加工和安装质量的综合反映，是锚杆质量检测的一项基本要求。 安装拉拔设备时，避免偏心受拉；加载一般以10kN/min的速率匀速增加，防止忽快忽慢；如无特殊需要，可不作破坏性试验，拉拔到设计拉力即停止加载。,（4）锚杆轴力目的是监测锚杆实际工作荷载。埋设前应记录传感器初始频率，编号传感器，并标记对应接头，埋设时注意导线保护。,（5）地表下沉测量此项工作主要针对隧道进出洞口、浅埋段，采用水准测量方法进行。 每断面横向3B范围内设置37个测点，并在5B范围外设置临时水准点； 测点采用15cm15cm混

10、凝土浇注，埋深40cm，中心点埋置10钢筋头，露出1cm头。,（6）断面尺寸测量包括：开挖断面、初期支护断面、二次衬砌断面。一般采用激光断面仪进行测量，近年来出现许多自动化段面扫描测量系统。,Step2.定位和处理 TMS Scancloud,隧道扫描的工作流程,Step1.扫描过程的控制 TMS Office,Step3.断面直接评估 TMS Profit,Step4.表面分析 TMS Scansurf,隧道描数据间隔0.5m提取的单个断面的分析,提取的断面集合,（7）围岩内部位移监测 利用传感器将围岩深部位移信息传导至表面，以获取围岩松动范围信息。埋设前应记录初始位移值，编号测点，并标记对

11、应接头。,（8）钢拱架应力监测 目的：了解钢支撑应力的大小；判断围岩和支护结构的稳定性；预防衬砌偏压 ，保证隧道安全。方法：型钢支撑：多采用表面应变计；格栅支撑：多采用钢筋应力计。,（9）围岩压力、初支与衬砌间压力量测 隧道衬砌上的围岩压力分布形式，大小，作用力方向以及随时间增长的变化情况的获得，可谓“梦寐以求”。可为隧道设计和施工以及围岩压力理论研究提供实验数据。 隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，在此间埋设压力盒可直接量测围岩压力。,（10）混凝土应力量测 包括初喷、二衬混凝土。其目的主要为： 了解砼层的变形特性以及砼的应力状态； 掌握喷层所受应力的大小，判断喷射

12、砼层的稳定状况； 判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度； 检验二次衬砌设计的合理性。,（1）监控量测数据整理 监测数据管理要做到规范、统一。所有原始记录表格应反映量测数据的属性、位置、时间、单位及其当时的地质和施工情况，确保原始量测数据的真实性、可靠性、完整性、规范性，并且做到资料签署齐全。 监测资料包括：监测数据、监测方案、监测报告（半月报、月报、预警报告、总报告）、监测日记、监测工程联系单以及监测会议纪要。并实行文档集中化管理。,3.6、现场监测数据的处理,（2）监测控制标准、警戒值,（3）隧道稳定性综合评价标准极值判别实测最大值或回归预测值最大值应不大于允许值或设计最大值。根据位移速

13、率判别 当周边位移速率小于0.10.2mm/d时或拱顶下沉速率小于0.070.15mm/d时，则认为围岩位移达到基本稳定； 当周边位移或拱顶下沉速率大于1.0mm/d时，表明位移不稳定，应加强观测； 当周边位移或拱顶下沉速率大于5.0mm/d时，应报警，进行加固。根据位移时态曲线的形态判别 当位移速率不断下降时（d2u/dt20）表示趋于稳定状态； 当位移速率保持不变时（d2u/dt2=0）表示不稳定，应考虑加强措施； 当位移速率不断上升时（d2u/dt20）表示进入危险状态，应立即停止施工。,四、隧道工程建设中存在的问题及检测技术,4.1、隧道施工建设存在问题（1）变形过大侵入限界（2）施工

14、塌方（3）施工中突水、涌泥 （4）支护衬砌背部存在空洞（5）衬砌厚度不足（7）衬砌开裂及渗漏水（8） 照明效果差亮度不足 （9） 通风效果差能见度低,4.2、隧道工程试验检测的主要内容,4.3、探地雷达在隧道工程中的应用 （1）探地雷达系统组成： 发射机和接收机 电缆 天线 控制台 笔记本电脑,目前成熟的商用雷达系统：,（2）基本原理 介质电磁波速度和穿透深度取决于介质电磁参数； 电磁参数不同导致反射； 记录反射时间，层析成像。,探地雷达数据采集模式,双曲线的形成：,（3） 地质雷达探测有效性1）雷达探测分辨力 垂直分辨力是指对采样目标的垂直定位准确度，准确度在于接收波形的时间分辨力。水平分辨

15、力是指对两个同等深度的地下目标的分辨程度，取决于脉冲电磁波在地下的扩散程度。 2）目标体与周围介质电性差异目标体与周围介质的相对介电常数和视电阻率的差异越大，界面反射系数越大，探测效果越好。,3）探测深度探测深度是指对目标体顶界面埋藏深度的探测能力。高频天线分辨率、精度较高，但能量衰减较快、探测深度较浅；低频天线分辨率、精度相对较低、能量衰减较慢、探测的深度较深。当目标体埋藏深度超过探测深度的50%时，雷达探测法不应被采用。,不同天线的穿透深度,隧道检测与天线频率选择对照表,选用天线时，应根据隧道混凝土厚度及检测要求来确定天线的频率。,（4）探地雷达信号处理,信号处理方法：,杂波抑制； 合成孔

16、径成像； 波速估计； 目标识别。,数据采集,去除天线等的系统误差:天线串扰传递函数不同非线性效应,参数估计数据插值 抑制表面杂波去背景合成孔径成像（ SAR）三维成像,空间特征时域特征频域特征,去除虚警目标识别,（5） 地质雷达使用示例1）管线探测,2）隧道衬砌厚度检测,3）隧道衬砌空洞检测,衬砌空洞处理前 衬砌空洞处理后,4）隧道超前地质预报（短期2030m）,5）隧道钢拱架,（5）探地雷达优缺点,1）优点 是无损探测手段、携带相对方便； 数据采集速度快； 水平和垂直位置精度高。 2）缺点 探测深度和分辨能力依赖于介质特性，高导电率介质会使 失效（如海水、盐碱地、金属矿、粘土层等）； 目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电阻率）GPR数据的解释 因人而异，依赖经验。,部分检测现场照片,4.4、地震波法在长距离超前地质预报中的应用,