围岩应力与支架压力监测

第四节岩石地下工程的监测一、地压监测概述岩石工程监测有以下的特点：①实效性②环境复杂③监测信息的时空要求④空间的制约二、岩体变形与位移的监测1、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，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JSS30A—20m型收敛计（数显式）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：0.01mm2围岩内部位移量测0123400ut()0ut()0ut()0ut()0ut()1234si(t0)210t0u((u1tu432(tut(3ut(4)))))si(t)1234(a)t0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。1锚杆内力A、分离式隧道1.5mO2O1O223411432123423411234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1432234123411432123412343214123O1O2设计标高设计标高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2锚杆拉拔锚杆初期支护油缸锚具油管压力指示器手柄ZY—30最大拉拔力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XYJ—40.2MPa3围岩压力A、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XYJ—40.2MPaB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XJG—2φ224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示意图XJH—220MPa4混凝土内应力A、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XJH—220MPaB、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6．22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；7为测量基准板3、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6．23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）。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（Ⅰ）生发射信号稀少；随后进入活动期（Ⅱ），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（Ⅲ），同时岩体的宏观破坏裂纹在本期出现；最后进入沉寂期（Ⅳ）。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1围岩变形与位移1111nnnnnnnnLTTDLDLu)()()(niiuu0拱顶下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niiHH0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Origin6.0软件完成。根据以下的边值条件，可推断得出初测前的累计位移u0和时间趋向无穷时的最大位移umaxmaxubeautkt0根据上述公式可进一步得到t=T（以天为单位）时刻的位移速度v和之前的累积位移占最大推断位移的百分比IuTtktbkev%/)(max1000ubeauITtktu2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)(202ffKPK为率定系数，f0为初频（Hz），f为实测频率（Hz）7.4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（JTJ042—94）规定，隧道周边允许相对位移值如下表。1周边位移、拱顶下沉二次衬砌的施作需满足：（1）周边位移明显收敛，围岩基本稳定；（2）已发生的位移达到预计总位移的80～90%；（3）周边位移速率小于0.1～0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d隧道周边允许相对位移值(%)覆盖层厚度围岩类别＜50m50～300m＞300mⅣ0.1～0.30.2～0.50.4～1.2Ⅲ0.15～0.50.4～1.20.8～2.0Ⅱ0.2～0.80.6～1.61.0～3.0注：①相对位移值是指实测位移值与两侧点距离之比，或拱顶下沉与隧道宽度比；②脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值；③ⅠⅤⅥ类围岩可按工程类比初步选定允许值范围；④本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料积累作适当修正。2锚杆轴力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K（安全系数）做出判断。通常应保证K≥1。否则应增加锚杆数量或加粗锚杆直径。3围岩压力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：（1）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；（3）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。4喷层内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、起鼓等现象，则应作处理，一般是适当增加初始喷层厚度。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。5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。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理浅埋偏压隧道工程的对策与量测的研究。图6．26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10mm，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：（6－90）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f0f20ffRPf图6．27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6．28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图6．29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0.01～0.001MPa位移达mm量级，压力0.01～0.001MPa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1～2年监测费用在同一精度与测试量程内，为电磁法的1/2~1/3较高2410~102410~10NextsectionFormersectionReturn