1、第四节 岩石地下工程的监测 一、地压监测概述一、地压监测概述 岩石工程监测有以下的特点： 实效性 环境复杂 监测信息的时空要求 空间的制约v二、岩体变形与位移的监测二、岩体变形与位移的监测 1、围岩表面位移的测量、围岩表面位移的测量 1）裂隙位移的人工观测 2）围岩表面位移的仪表观测 围岩表面位移可用收敛计、测杆、测枪、滑尺等进行测量。 3）围岩表面位移监测预警方法 围岩表面监测预警可按极限位移与极限位移速度值予以预报。 前一种方法是当围岩表面位移达到极限位移值时立即预警；后一种方法的实例是：围岩的位移使顶板下沉速度报警仪的齿轮机构旋转，使终端的光电转盘获得较大的转速，并将转速变换为电脉冲信号
2、，该信号的频率反映了围岩顶板下沉的速度，当此速度达到极限值时实现自身报警。 设计标高拱顶下沉测桩隧道中心线水平收敛测桩ACEO1O2O2（a） 全断面开挖时1.5m拱顶下沉测桩隧道中心线B水平收敛测桩AO2设计标高O1CO21.5m2.0mED（b） 上下台阶开挖时JSS30A20m型型收敛计（数显式）收敛计（数显式）精度：精度：0.01mm铟钢尺水准仪普通钢卷尺拱顶测桩（倒三角环）标准高程点图13 拱顶下沉测试示意图DSZ2型精密水准仪FS1平板测微器精度：0.01mm 2 围岩内部位移量测围岩内部位移量测0123400u t( )0u t( )0u t( )0u t( )0u t( )12
3、34si(t0)210t0u (u1tu432(tu t(3u t(4)si(t )1234(a) t 0 时 刻(b) t 时 刻图9 内部位移分析图通过多点位移计，量测不同深度点相对不动点的位移。通过多点位移计，量测不同深度点相对不动点的位移。1 锚杆内力锚杆内力A、分离式隧道、分离式隧道1.5mO2O1O2234114 3 21 2 3 423411 2 3 4隧道中心线设计标高0.37m1.10m1.83m2.56m分离式隧道测力锚杆布置断面7.2 支护结构受力量测支护结构受力量测14 3 22341234114 3 21 2 3 41 2 3 43214123O1O2设计标高设计标高
4、O1O2初支二衬0.37m1.10m1.83m2.56m连拱隧道测力锚杆布置断面B、连拱式隧道、连拱式隧道2 锚杆拉拔锚杆拉拔锚杆初期支护油缸锚具油管压力指示器手柄ZY30最大拉拔最大拉拔力力300KN初期支护钢弦式压力传感器围岩压力传感器布置示意图XYJ40.2MPa 3 围岩压力围岩压力A、围岩对初期支护压力、围岩对初期支护压力初喷与二衬之间接触压力传感器布置示意图二衬钢弦式压力传感器初期支护XYJ40.2MPa B 初期支护与二衬之间压力初期支护与二衬之间压力钢拱架内力传感器布置示意图初期支护钢拱架钢弦式钢筋计XJG222 4 钢支撑受力钢支撑受力初期支护钢弦式应力计初衬内应力传感器布置
5、示意图XJH220MPa 4 混凝土内应力混凝土内应力A、喷射混凝土内应力、喷射混凝土内应力二衬初期支护二衬内应力传感器布置示意图钢弦式应力计XJH220MPa B、二衬混凝土内应力、二衬混凝土内应力 2、围岩内部位移的测量 这种测量通常采用钻孔多点位移计。 多点位移计主要由在孔中固定测点的锚固器（压缩木锚固器、弹簧锚固器、卡环锚固器、水泥砂浆锚固器等）、传递位移量的连接计（由钢丝、圆钢或钢管制成）和孔口测量头与量测仪器组成。 测量连结件位移量的常用方法有直读式和电传感式两种。 图622 钻孔多点位移计测量围岩位移 1为钻孔 2为为测点锚固器； 3为连接件；4为量测头；5为保护盖；6为测量计；
6、7为测量基准板 3、围岩松动圈的弹性波测定、围岩松动圈的弹性波测定 1）弹性波在岩体中的传播特性 弹性波在以下条件传播较快：坚硬的岩体；裂隙不发育和风化程度低的岩体；孔隙率小、密度大、弹性模量大的岩体；抗压强度大的岩体；断层和破碎带少或其规模小的岩体；在岩体受压的方向上。 2）测试仪器 声波仪是进行声波测试的主要设备，其主要部件是发射机和接收机。 3）弹性波测定围岩松动圈 松动圈是设计支护强度和参数的重要依据。图623 隔河岩水电站引水隧顺围岩松动附测定 4、围岩破坏的声发射监测 1）围岩破坏的声发射 当岩体内积累的变形能释放时，应力波同时出现向外传播，形成一系列声发射信号（也称为岩音或地音）
7、。 2）声发射测试系统 声发射监测具有灵敏度高、测试范围广、可实现远距离监测、定时或全天候连续监测、简便适用等优点。 3）岩体声发射的监测 初始期（）生发射信号稀少；随后进入活动期（），生发射频度逐渐达到峰值，渐次下降后形成次峰值；以后进入频度呈单调下降的下降期（），同时岩体的宏观破坏裂纹在本期出现；最后进入沉寂期（）。三、围岩应力与支架压力监测三、围岩应力与支架压力监测 1、围岩应力变化的光弹测量 2、锚杆测力计 3、岩柱与支架压力监测7.3 数据处理数据处理1 围岩变形与位移围岩变形与位移1111 nnnnnnnnLTTDLDLu)()()( niiuu0拱顶下沉按以下公式进行预处理拱顶下
8、沉按以下公式进行预处理)()(12110210 nnnnnHHHHHHH周边位移按以下公式进行预处理周边位移按以下公式进行预处理 niiHH0然后采用以下的负指数方程进行非线性回归，然后采用以下的负指数方程进行非线性回归，ktbeau 000 tktbeau以上回归采用以上回归采用Origin 6.0软件完成。软件完成。 根据以下的边值条件，可推断得出初测前的累根据以下的边值条件，可推断得出初测前的累计位移计位移u u0 0和时间趋向无穷时的最大位移和时间趋向无穷时的最大位移 umaxmaxmaxubeautkt 0 根据上述公式可进一步得到根据上述公式可进一步得到t t= =T T（以天为单
9、位）（以天为单位）时刻的位移速度时刻的位移速度v和之前的累积位移占最大推断位和之前的累积位移占最大推断位移的百分比移的百分比Iu Ttktbkev %/ )(max1000 ubeauITtktu2 支护结构受力支护结构受力 锚杆内力和选测项目均采用钢弦式传感器，原锚杆内力和选测项目均采用钢弦式传感器，原始实测数据为传感器钢弦震动频率，根据每个传感始实测数据为传感器钢弦震动频率，根据每个传感器出厂率定表，可按以下公式转换为力或应力器出厂率定表，可按以下公式转换为力或应力)(202ffKP K为率定系数，为率定系数，f0为初频（为初频（Hz），），f为实测频率（为实测频率（Hz）7.4 资料分析
10、与反馈资料分析与反馈 隧道围岩周边位移是围岩动态的显著表现，是隧道围岩周边位移是围岩动态的显著表现，是判定围岩稳定性的最主要现场量测项目。根据我国判定围岩稳定性的最主要现场量测项目。根据我国现行公路隧道施工技术规范（现行公路隧道施工技术规范（JTJ04294）规定，）规定，隧道周边允许相对位移值如下表。隧道周边允许相对位移值如下表。 1 周边位移、拱顶下沉周边位移、拱顶下沉 二次衬砌的施作需满足：二次衬砌的施作需满足： （1 1）周边位移明显收敛，围岩基本稳定；）周边位移明显收敛，围岩基本稳定； （2 2）已发生的位移达到预计总位移的）已发生的位移达到预计总位移的808090%90%； （3
11、3）周边位移速率小于）周边位移速率小于0.1 0.1 0.2mm/d0.2mm/d，或拱顶，或拱顶下沉速率小于下沉速率小于0.07 0.07 0.15mm/d0.15mm/d隧道周边允许相对位移值隧道周边允许相对位移值(%) 覆覆盖盖层层厚厚度度 围围岩岩类类别别 50m 50300m 300m 0.10.3 0.20.5 0.41.2 0.150.5 0.41.2 0.82.0 0.20.8 0.61.6 1.03.0 注注： 相相对对位位移移值值是是指指实实测测位位移移值值与与两两侧侧点点距距离离之之比比，或或拱拱顶顶下下沉沉与与隧隧道道宽宽度度比比； 脆脆性性围围岩岩取取表表中中较较小小
12、值值，塑塑性性围围岩岩取取表表中中较较大大值值； 类类围围岩岩可可按按工工程程类类比比初初步步选选定定允允许许值值范范围围； 本本表表所所列列数数值值可可在在施施工工过过程程中中通通过过实实测测和和资资料料积积累累作作适适当当修修正正。 2 锚杆轴力锚杆轴力 锚杆轴向力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据，锚杆轴向力是检验锚杆效果与锚杆强度的依据，可根据锚杆极限抗拉强度与锚杆应力的比值可根据锚杆极限抗拉强度与锚杆应力的比值K（安（安全系数）做出判断。通常应保证全系数）做出判断。通常应保证K1。否则应。否则应增加增加锚杆数量或加粗锚杆直径锚杆数量或加粗锚杆直径。3 围岩压力围岩压力 围岩压力大小与围岩
13、变形及支护结构的刚度密切围岩压力大小与围岩变形及支护结构的刚度密切相关。分三种情况：相关。分三种情况： （1）围岩压力大变形量也大，此时应加强支护，）围岩压力大变形量也大，此时应加强支护，以限制围岩变形和控制围岩压力的增长；以限制围岩变形和控制围岩压力的增长； （3）围岩压力很小，但其变形量却很大时，则）围岩压力很小，但其变形量却很大时，则围岩将会失去稳定，此时应立即停止开挖，加强围围岩将会失去稳定，此时应立即停止开挖，加强围岩支护和采取辅助施工措施进行加固处理。岩支护和采取辅助施工措施进行加固处理。 （2）围岩压力大，但变形量并不很大，这表明）围岩压力大，但变形量并不很大，这表明支护时机和支
14、护的封底时间可能过早或支护尺寸及支护时机和支护的封底时间可能过早或支护尺寸及刚度太大，这时应作适当修正支护设计参数。刚度太大，这时应作适当修正支护设计参数。4 喷层内应力喷层内应力 喷射混凝土层应力是指其切向应力。喷层应力喷射混凝土层应力是指其切向应力。喷层应力值与围岩压力值及位移量大小有密切关系。喷层应值与围岩压力值及位移量大小有密切关系。喷层应力大的原因是围岩压力和位移量大及支护力度小。力大的原因是围岩压力和位移量大及支护力度小。 若喷层应力太大，或出现明显裂损或剥落、起若喷层应力太大，或出现明显裂损或剥落、起鼓等现象，则应作处理，一般是适当增加初始喷层鼓等现象，则应作处理，一般是适当增加
15、初始喷层厚度。如果喷层厚度已较厚时，仍然出现明显裂损、厚度。如果喷层厚度已较厚时，仍然出现明显裂损、起鼓等，则应增强锚杆支护、改变封底时间、调整起鼓等，则应增强锚杆支护、改变封底时间、调整施工措施，选择二次支护衬砌的最佳时机等，并要施工措施，选择二次支护衬砌的最佳时机等，并要继续加强监控量测。继续加强监控量测。 5 浅埋隧道地表下沉浅埋隧道地表下沉 若量测结果表明地表下沉量较大，或出现增加的若量测结果表明地表下沉量较大，或出现增加的趋势，则应采取加强支护和调整施工措施，可考虑趋势，则应采取加强支护和调整施工措施，可考虑适当加喷混凝土、增设锚杆、加挂钢筋网、加钢支适当加喷混凝土、增设锚杆、加挂钢
16、筋网、加钢支撑、超前支护、或缩短开挖循环进尺、提前封闭仰撑、超前支护、或缩短开挖循环进尺、提前封闭仰拱、甚至预注浆加固围岩等。拱、甚至预注浆加固围岩等。 另外，在浅埋偏压地段隧道可能发生横向地表另外，在浅埋偏压地段隧道可能发生横向地表位移加下沉，处理较为复杂，应加强量测分析与治位移加下沉，处理较为复杂，应加强量测分析与治理浅埋偏压隧道工程的对策与量测的研究。理浅埋偏压隧道工程的对策与量测的研究。 图626 光弹应力计的测片（左）及其组装1为测片；2为啥；3为镀层；4为冷凝剂;5为红丹漆；6为玻璃片；7为木锥陀内径10 mm，厚度20mm，配以反射镀层、木锥陀和防潮密封层组装而成 3、岩柱与支架
17、压力监测 1）钢弦压力盒测定压力 根据弹性振动理论，刚弦受拉力作用的自振频率 可表示为压力盒底膜所受压力P（kN）的函数： （690） 式中， 与 为压力盒受压前后刚弦的振动频率（Hz）；R为压力盒系数。 2）压力枕（囊）测定压力f0f20ffRPf图627 钢弦压力盒结构图1为工作薄膜 2为底座；3为钢强栓；4为铁芯；5为电磁线圈 6为封盖；7为钢投；8为塞子；9为套管；10为防水材料；11为电缆；12为钢强支架图628 压力枕结构示意图 1为腹腔，2为枕环，3为进油嘴，4为排气阀 1、光电传感的特点(见表) 2、光纤传感技术原理 3、光纤传感技术在岩体地下工程监测中的应用 1）光纤刚环式位
18、移计 2）光纤刚弦传感器 3）分布式光纤传感技术四、光电技术在地下工程监测中的应用四、光电技术在地下工程监测中的应用图629 光纤芯内的光传递示意图比较项目光纤传感技术电磁传感技术监测环境可用在水下、潮湿、易燃易爆、电磁干扰、高辐射等环境不适于复杂环境，如作特殊防护，可作短期监测灵敏度位移达 mm量级，压力0.010.001MPa位移达 mm量级，压力0.010.001MPa联接成网虚作无源联接，联接部件价格较贵，修复较复杂易于联接与修复，费用低廉区域控制易于作大范围联网监测，无需作前置放大或中继放大，并可作分布式监测大于200m的信号传输需作前置放大，远距离传输需作中继放大施工干扰体积小易于隐藏，元件损坏难于修复设备需要空间较大，故障易于排除服务年限10年12年监测费用在同一精度与测试量程内，为电磁法的1/21/3较高241010241010Next sectionFormer sectionReturn
