巖土工程測試技術(shù)(第七章)

第7章地下工程監(jiān)測和監(jiān)控1監(jiān)測的目的與意義地下工程是修建在具有原巖應(yīng)力場、由巖土和各種結(jié)構(gòu)面組合的天然巖土體中的建筑物，是靠圍巖和支護(hù)的共同作用保持其穩(wěn)定性的。因此，工程的安全在很大程度上取決于圍巖本身的力學(xué)特性及自穩(wěn)能力，取決于其支護(hù)后的綜合特性由于地下工程是埋藏在地下一定深處，而這種天然地質(zhì)體材料中存在著節(jié)理裂隙、應(yīng)力和地下水，因此，地下工程的興建比地面工程復(fù)雜得多。特別是在地下工程開挖之前，其地質(zhì)條件、巖體形態(tài)不易掌握，力學(xué)參數(shù)難于確定，人們不得不借助現(xiàn)場監(jiān)測，獲取建筑物性狀變化的實(shí)際信息，并及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工中去，直接為工程服務(wù)地下工程監(jiān)測的目的（1）監(jiān)視地層、支護(hù)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，驗(yàn)證支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性（2）保障監(jiān)控變形在允許范圍之內(nèi)，保障地層穩(wěn)定和施工安全（3）通過量測數(shù)據(jù)的分析處理，掌握各種數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，提供地層和支護(hù)系統(tǒng)襯砌最終穩(wěn)定的信息（4）積累量測數(shù)據(jù)，為今后的設(shè)計(jì)與施工提供工程類比的依據(jù)水利：引水和泄洪隧洞、地下廠房、調(diào)壓室（井）、引水長隧洞、地下泵站等采礦：豎井、斜井、斜坡道、平巷、采場交通：鐵路隧洞、地下車站、公路隧洞等軍備：防空洞、地下軍備庫、發(fā)射井等民用：地下商場、地鐵、倉庫等地下工程類型

監(jiān)控量測實(shí)施流程監(jiān)測與工程施工關(guān)系協(xié)調(diào)修改或繼續(xù)按設(shè)計(jì)要求施工判斷數(shù)據(jù)采集、分析監(jiān)控量測測點(diǎn)安裝編制監(jiān)測方案現(xiàn)場調(diào)查，收集基本資料監(jiān)測的核心作用模型和參數(shù)選擇力學(xué)計(jì)算修改參數(shù)、模型反分析設(shè)計(jì)施工監(jiān)測竣工地質(zhì)調(diào)查室內(nèi)試驗(yàn)圍巖分類經(jīng)驗(yàn)類比專家系統(tǒng)(1)前期監(jiān)測：1)利用勘探平洞進(jìn)行。隨勘探洞的開挖巖體的力學(xué)參數(shù)，建立計(jì)算模型?；蜻M(jìn)行位移、應(yīng)力及聲波等量測

2)利用原位模型試驗(yàn)洞，進(jìn)行系統(tǒng)的位移、應(yīng)力、圍巖松動(dòng)范圍及聲波量測，反演巖體力學(xué)參數(shù)，建立計(jì)算模型，為地下洞室穩(wěn)定性研究、支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)施工期監(jiān)測隨施工的進(jìn)展，對(duì)圍巖和支護(hù)進(jìn)行位移、應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫開合、地下水、爆破影響和環(huán)境等監(jiān)測，并及時(shí)反饋，以保證施工安全和修改設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。(3)運(yùn)行期監(jiān)測對(duì)圍巖及支護(hù)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性以及為地下工程技術(shù)研究積累資料。地下工程監(jiān)測的階段地下工程監(jiān)測的內(nèi)容與項(xiàng)目（1）現(xiàn)場觀測掌子面附近的圍巖穩(wěn)定性、圍巖構(gòu)造情況、支護(hù)變形與穩(wěn)定情況及校核圍巖分類（2）巖體力學(xué)參數(shù)測試抗壓強(qiáng)度、變形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比（3）應(yīng)力應(yīng)變測試巖體原巖應(yīng)力、圍巖應(yīng)力、應(yīng)變、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及圍巖與支護(hù)間的接觸應(yīng)力（4）壓力測試支撐上的圍巖壓力和滲水壓力（5）位移測試圍巖位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及圍巖與支護(hù)傾斜度（6）溫度測試巖體溫度、洞內(nèi)溫度及氣溫（7）物理探測彈性波（聲波）測試和視電阻率測試圍巖松動(dòng)范圍監(jiān)測孔布置圖(根據(jù)北京十三陵蓄能電站廠房觀測)2圍巖壓力量測2.1圍巖應(yīng)力應(yīng)變量測2.1.1測試原理在開挖前進(jìn)行鉆孔或在開挖后在洞室內(nèi)緊跟掌子面鉆孔，在孔中按要求埋設(shè)各種類型的應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)，對(duì)圍巖應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行觀測，能夠及時(shí)、較好的掌握圍巖內(nèi)部的受力與變形狀態(tài)，進(jìn)而判定圍巖的穩(wěn)定性。2.1.2測試手段（1）圍巖應(yīng)力應(yīng)變測試1）鋼弦式應(yīng)變計(jì)2）差動(dòng)式電阻應(yīng)變計(jì)3）電阻片測桿（2）接觸應(yīng)力量測

通常指圍巖與支護(hù)或噴層與現(xiàn)澆混凝土間的接觸應(yīng)力的測試。

鋼弦式壓力盒、變磁阻調(diào)頻式土壓力傳感器、格魯茨爾壓力盒。2.2支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變量測2.2.1錨桿軸力量測目的在于掌握錨桿實(shí)際工作狀態(tài)，結(jié)合位移量測，修正錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)。機(jī)械式和電阻應(yīng)變片式2.2.2鋼支撐壓力量測測力計(jì)液壓式測力計(jì)液壓盒油壓枕應(yīng)變式鋼弦式差動(dòng)變壓式差動(dòng)電阻式2.2.3襯砌應(yīng)力量測目的在于研究復(fù)雜工作條件下的地壓問題，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、積累資料和指導(dǎo)施工，襯砌應(yīng)力量測是壓力量測。（1）壓力盒的類型（2）壓力盒的布置與埋設(shè)埋設(shè)壓力盒的要求：接觸緊密和平穩(wěn)，防止滑移，不損傷壓力盒及引線，且需在上面蓋一塊厚6-8mm、直徑與壓力盒直徑大小相等的鐵板。2.3壓力測量儀器（1）液壓枕

液壓枕埋設(shè)（2）錨桿應(yīng)力

3位移量測位移量測是最有意義和最常用的量測項(xiàng)位移量測穩(wěn)定可靠、簡便經(jīng)濟(jì)、測試成果可直接用于指導(dǎo)施工、驗(yàn)證設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)的穩(wěn)定性3.1凈空相對(duì)位移測試收斂：洞室內(nèi)壁面兩點(diǎn)連線方向的位移之和；收斂量測：收斂值為兩次量測的距離之差。測試裝置的基本構(gòu)成：壁面測點(diǎn)、測尺、測試儀器、連接部分。工程中常用的收斂測試手段：（1）位移測桿（2）凈空變化測定計(jì)（收斂計(jì)）：單向重錘式、萬向彈簧式、萬向應(yīng)力環(huán)式凈空相對(duì)位移計(jì)算測尺為普通鋼尺時(shí)，進(jìn)行溫度修正。當(dāng)需要換測試鋼尺孔位時(shí)，為消除鉆孔間距的誤差。若變形速率高，量測間隔期間變形量超過儀表量程。3.2位移監(jiān)測意義:判斷洞室圍巖的松弛范圍,為錨桿支護(hù)參數(shù)提供重要依據(jù)原理:參照點(diǎn)與測點(diǎn)之間相對(duì)位移參照點(diǎn)測點(diǎn)（1）單點(diǎn)位移計(jì)AB點(diǎn)間的相對(duì)位移AB

位移監(jiān)測儀器（2）并聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)

（3）串聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)

（4）滑動(dòng)式位移計(jì)

位移計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單點(diǎn)位移計(jì)構(gòu)造簡單，可以在開挖面附近布置一個(gè)孔內(nèi)只能測一個(gè)點(diǎn)多點(diǎn)位移計(jì)測量方便測試費(fèi)用高，測點(diǎn)少滑動(dòng)式位移計(jì)費(fèi)用低，測點(diǎn)多孔較深時(shí)測量不方便（5）收斂計(jì)收斂測量的意義:判斷圍巖的穩(wěn)定性收斂測點(diǎn)布置注意的問題:

A測點(diǎn)布置在隱蔽處,清理松動(dòng)巖石B孔口最好設(shè)保護(hù)裝置重錘式收斂計(jì)彈簧張力式收斂計(jì)扭矩平衡式（2）收斂計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)重錘式收斂計(jì)構(gòu)造簡單，造價(jià)低，操作方便精度不高,不易攜帶彈簧張力式收斂計(jì)扭距平衡式收斂計(jì)機(jī)械化程度高,精度高成本高種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鋼卷尺式收斂計(jì)操作方便精度不高,受溫度變化影響大鋼絲式收斂計(jì)受溫度影響小,精度高操作不便,不易保護(hù)3.3拱頂下沉量測拱頂下沉量值：隧道拱頂內(nèi)壁的絕對(duì)下沉量。拱頂下沉速度：單位時(shí)間內(nèi)拱頂下沉值3.3.1量測方法對(duì)于淺埋隧道，用撓度計(jì)或其他儀表測定拱頂相對(duì)于地面不動(dòng)點(diǎn)的位移值對(duì)于深埋隧道，用拱頂變位計(jì)3.3.2量測儀器隧道拱頂變位觀測計(jì)3.4地表下沉量測為了判定地下工程對(duì)地面建筑物的影響程度和范圍，并掌握地表沉降規(guī)律，為分析洞室開挖對(duì)圍巖力學(xué)形態(tài)的擾動(dòng)程度提供信息3.5圍巖內(nèi)部位移量測洞室開挖引起圍巖的應(yīng)力變化與相應(yīng)的變形，距臨空面不同深度處各不相同。圍巖內(nèi)部位移的量測，能較好的反映出圍巖受力的穩(wěn)定狀態(tài)、巖體擾動(dòng)與松動(dòng)范圍3.5.1測試原理埋設(shè)在鉆孔內(nèi)的各測點(diǎn)與鉆孔壁緊密連接，巖層移動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)測點(diǎn)一起移動(dòng)。3.5.2量測裝置的基本構(gòu)成（1）錨固部分：楔縫式、漲殼式、支撐式、壓縮木式、樹脂或砂漿澆注式及全孔灌注式等；（2）傳遞部分：直桿式、鋼帶式、鋼絲式；3.5.3工程中常用的測試儀器（1）機(jī)械式位移計(jì)：單點(diǎn)機(jī)械式位移計(jì)、機(jī)械式兩點(diǎn)位移計(jì)、多點(diǎn)機(jī)械式位移計(jì)。（2）電測式位移計(jì)：電感式位移計(jì)、差動(dòng)式位移計(jì)、電阻式位移計(jì)。4

現(xiàn)場量測方案設(shè)計(jì)4.1量測項(xiàng)目的確定地層基本參數(shù)巖體強(qiáng)度巖體應(yīng)力巖體彈模、變形模量巖體分類、完整性結(jié)構(gòu)基本參數(shù)襯砌厚度、混凝土強(qiáng)度噴混凝土與巖體的粘結(jié)力錨固力砂漿灌滿性地層結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)混凝土、鋼筋的內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)變隧洞、支護(hù)結(jié)構(gòu)的收斂位移圍巖松弛帶支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸應(yīng)力外界影響因素地表沉降4.2測試手段和儀表選擇精度范圍0.0025mm0.025mm0.25mm2.5mm靈敏度0.0025～0.010.025～0.10.25～1.02.5～10典型用途現(xiàn)場巖石試驗(yàn)或小變形堅(jiān)硬巖石的隧洞和淺基大洞室或開挖位移量較大量程5～2525～5050～80250重調(diào)范圍201503001000位移計(jì)的選擇4.3量測部位的確定和測點(diǎn)的布置（1）量測部位的確定圍巖質(zhì)量差和不穩(wěn)定塊體；代表性地段；特殊部位。洞周收斂位移、拱頂下沉、多點(diǎn)位移計(jì)和地表沉降測點(diǎn)應(yīng)盡量在同一斷面上。一般的鐵路和公路隧道中，根據(jù)圍巖分類位移量測斷面間距為：Ⅱ類5～20m；Ⅲ類20～40m；Ⅳ類40m以上。（2）測點(diǎn)的布置形式-收斂計(jì)

（3）測點(diǎn)的布置形式-位移計(jì)

(4)觀測及其頻度位移速度(mm/d)151~150.5~10.2~0.5<0.2觀測間隔(d)0.5～112715(5)量測數(shù)據(jù)的警戒值及圍巖穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)容許位移量保證隧洞不產(chǎn)生有害松動(dòng)和保證地表不產(chǎn)生有害下沉量的條件下，自隧洞開挖起到變形穩(wěn)定為止，在起拱線位置的隧洞壁面間水平位移總量的最大容許值巖體條件隧洞埋深斷面尺寸地表建筑物隧洞周邊允許相對(duì)位移值

錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范GB50086-2001隧洞埋深（m）<5050～300300～500圍巖類別Ⅲ0.1～0.30.2～0.50.4～1.2Ⅳ0.15～0.50