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第七讲地下工程监测技术第一节监测的目的与意义第二节监测的方法与监测设计第三节监测工程的实施第四节资料整理分析第五节工程实例第一节监测的目的与意义地下工程是修建在具有原岩应力场、由岩土和各种结构面组合的天然岩土体中的建筑物，是靠围岩和支护的共同作用保持其稳定性的。因此，工程的安全在很大程度上取决于围岩本身的力学特性及自稳能力，取决于其支护后的综合特性。由于地下工程是埋藏在地下一定深处，而这种天然地质体材料中存在着节理裂隙、应力和地下水，因此，地下工程的兴建比地面工程复杂得多。特别是在地下工程开挖之前，其地质条件、岩体形态不易掌握，力学参数难于确定，人们不得不借助现场监测，获取建筑物性状变化的实际信息，并及时反馈到设计和施工中去，直接为工程服务。第一节监测的目的与意义地下工程按用途可分为：交通运输、输水、公共事业以及地下贮库、地下工厂、地下冷暖气管道、地下街道、地下发电站等：按工程地点分，有山岭隧道、城市隧道、水下隧道；按开挖介质分，有岩石隧道、土质隧道；按施工方法分，有山岭隧道、盾构隧道、明挖隧道、深埋隧道等。按照我国通常的习惯，把用于交通的地下通道叫隧道，如铁路隧道、公路隧道等；把用于输水的地下通道叫隧洞．如有压隧洞、无压隧洞等。因此，地下工程稳定性安全监测计分为：洞室、隧道、输水隧洞、城市地铁以及竖井、斜井等。监测目的：评估与诊断、反馈与预测、信息化设计与施工控制、研究与技术进步。地下洞室与工程实践人类对地下空间的开发与利用；工程实践提出的要求；地下洞室围岩稳定的研究；理论的指导。研究内容：原岩应力测试；围岩的应力、变形与破坏；围岩压力的计算；围岩与支护的相互作用的现场测试与模型试验；支护的设计与计算；围岩的稳定性及分类；围岩破坏的防治与加固。平面应变问题地下长隧洞（铁路隧洞、公路隧洞、引水发电隧洞）地下洞室与工程实践工程实践：水电工程引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室（井）、水利：引水长隧洞、地下泵站等采矿：竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场交通：铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等军备：防空洞、地下军备库、发射井等民用：地下商场、地铁、仓库等地下洞室的施工方法：1、人工或机械开挖2、钻爆法3、全断面掘进（TBM）修建地下工程时必须进行开挖和建造维护结构工程，开挖将打破周围岩体的自然平衡状态，产生应力重分布Redistribution，形成次生应力场（SecondaryStress)，如果岩体内的应力小于其承载能力，围岩稳定，如岩体内的应力大于其承载能力，围岩会产生失稳（破坏、冒落或产生较大变形），此时应支护。实现围岩(应力重分布影响范围内的岩体）稳定的条件：σmax＜Sumax＜U稳定性问题的研究关系到：1、安全可靠（施工期和运行期安全）2、工程布置（工程位置选择、断面大小等）3、经济合理（开挖方式、支护强度等）4、环境保护应研究围岩的应力与变形特征地下工程的稳定性研究(1)前期监测：1)利用勘探平洞进行。随勘探洞的开挖岩体的力学参数，建立计算模型。或进行位移、应力及声波等量测2)利用原位模型试验洞，进行系统的位移、应力、围岩松动范围及声波量测，反演岩体力学参数，建立计算模型，为地下洞室稳定性研究、支护设计提供依据。(2)施工期监测。随施工的进展，对围岩和支护进行位移、应力、应变、裂缝开合、地下水、爆破影响和环境等监测，并及时反馈，以保证施工安全和修改设计、指导施工。(3)运行期监测。对围岩及支护进行现场监测，监测结构构件的安全、检验设计的正确性以及为地下工程技术研究积累资料。地下工程监测的阶段：第二节监测的方法与监测设计一、地下工程安全监测设计原则：1、监测仍应以洞室的安全为主要目的。2、监测设计应在围岩条件和工程性状预测的基础上进行，以施工期监测、围岩稳定性和支护结构的工作状态为重点。3、布置应合理并注意时空关系，控制关键部位。4、力求全过程控制，可能情况下考虑预埋仪器。5、监测设计应纳入总体设计，并考虑施工监测与永久监测的结合、仪器监测与巡视观察的结合等，预留自动化监测。6、与地质的结合，研究围岩的稳定性问题。第二节监测的方法与监测设计二、大型地下洞室的监测方法与监测设计(一)监测设计所需资料：在搜集资料时，应针对工程规模、不同设计阶段以及关键问题等选用表中的资料。第二节监测的方法与监测设计(二)监测项目选定与仪器选型。1．项目选择原则监测项目的选择，应以工程条件确定之后所进行的工程性状预测为基础，同时考虑下述原则。(1)根据监测目的分别选定重点项目。以安全监测为主要的监测项目，一般应以能监控影响安全的主要因素为目的选定。整体安全监测项目要系统、局部安全监测项目较单纯，但都要有针对性。一般情况下均以变形和支护结构的应力为主要项目。若以设计和施工方法校核为目的，则选择与其相关的项目。如选取锚杆轴力和围岩松动范围监测，校核锚杆参数。选取衬砌应力监测，校核混凝土、钢拱支护设计参数和检验施工方法。若用于新技术研究和对影响围岩稳定性因素的探索，则可选取与研究、探索内容密切相关的项目。第二节监测的方法与监测设计表7—2观测项目一览表-围岩变形监测第二节监测的方法与监测设计(2)根据工程阶段分别选定。工程前期应根据工程性状预测的需要选择有关的项目。施工期在充分利用永久性观测项目的基础上，补选一些能为施工安全监控快速获取资料的项目。运行阶段应根据工程远行性状预测选择系统的项目。问题明确的可有针对性地选择项目。(3)根据工程的规模、等级(重要性)、经费的承受能力等因素综合确定。在满足需要的前提下，项目力求精简。但对于重要的项日、部位应考虑平行监测项目，以便比较、印证。如变形项目，在对顶拱和底板采取收敛监测的同时，也可采取水准监测。第二节监测的方法与监测设计(4)根据覆盖层的厚度、岩性及断裂构造，岩体变形、破坏机制，从而应采取的支护方式选取监测项目。如对覆盖层强的软岩或土中的地下工程，地面建筑对其存在影响，需采取刚性高的衬砌，尽量控制其变形。重点应监测建筑物变形的变化、围岩应力、支护结构应力等。如果覆盖层厚，但围岩强度低，围岩可能发生挤出、膨胀变形，应重点监测围岩变形、压力和支护结构应力等。当覆盖层厚、围岩坚硬、裂隙发育，喷混凝土仅起防止岩体表面风化，填平表面凹凸不平的作用，喷混凝土无需监测，但需加强巡视调查，并在洞室收敛前，在混凝土衬砌中进行应力和压力监测。2．仪器选型仪器选型应按照以下一般原则进行。1)根据确定的监测项目选择相应的仪器，仪器数量宜少而精；2)监测仪器的精度和量程应满足具体工程的要求，此要求应根据岩性、计算值或模型试验值等进行的预测的昀大和昀小值确定仪器的精度和量程；第二节监测的方法与监测设计3)仪器应准确可靠，坚固耐用，能适应潮湿甚至涌水、爆破振动和粉尘等恶劣环境下工作；4)仪器轻便，布置简单，埋设安装快捷，操作读数方便，占用掌子面时间短，对施工干扰少。(三)监测设计1．监测断面的选择(1)监测断面应按工程的需求、地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面，通常按洞室的稳定性可分为系统布置与随机布置；按工程的部位来分，可分为对称型、非对称型以及局部型。(2)监测断面布置要合理，注意时空关系。采取表面与深部结合、重点与一般结合、局部与整体结合，务使测网、断面、测点形成一个系统，能控制整个工程的各关键部位。(3)在断面的选择上应注意埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物尺寸及形状、预计的变形及应力以及施工方法、施工程序等。第二节监测的方法与监测设计(4)断面可分为主要监测断面和辅助监测断面，主断面可埋设多种仪器，进行多项监测；在主断面附近设辅助断面，辅助断面埋设仪器少，用于监测个别有重大意义的参数，这种布置既保证了重点，又简化了工作面，降低了费用。(5)城区地下施工，需要预测地基变化和爆破层动对邻近建筑物的影响，注意研究开挖中的深层滑移和地层失稳，以及支护的设置。(6)在观测断面上，应根据围岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形和应力等物理量分布特征布置测点，应在考虑均匀分布、结构持性和地质代表性的基础上，依据其变化梯度来确定测点数量。梯度大的部位，点距要小；梯度小的部位，点距要大。第二节监测的方法与监测设计收敛观测一般在施工开挖过程中采用。当地下洞室已经支护或投入运行后则应用较少。由于当开挖空间(跨度和高度)已经很大时，观测的困难较大，因此，多在导洞开挖和拱部开挖边较矮时应用，用以观测围岩的初期变形。跟随施工过程，一般收敛测线(点)各种布置如图7—1。为了配合多点位移计观测，测点可布置在多点位移计孔口附近，同时可以利用收敛计贴近开挖面提前观测的条件，校核多点位移计孔口的位移释放量。2．监测孔(点)的布置(A)收敛测线(点)的布置图3—32美国带式伸长计1—锚固埋点；2—50英寸钢带（每隔2英寸穿一孔）；3—校正拉力指示器；4—压力弹簧；5—密封外壳；6—百分表（2英寸量程）；7—拉伸钢丝；8—旋转承轴；9—钢带卷轴CM-1CM-2CM-3CM-3CM-2CM-1ABCDE图2、7隧洞出口常规洞段收敛观测断面布置图Fig2.LayoutofConvergenceSectionsinConventionalTunnelatOutletofTunnel7##Open-cutSection明挖段收敛观测测点及测线布置示意图CM-1断面BC测线变形与隧洞下部台阶开挖进尺的关系曲线0.002.004.006.008.0010.0012.0005101520253035404550556065707580859095100105110115120下部台阶开挖进尺（m）收敛变形（mm）BC测线变形BC测线回归值第二节监测的方法与监测设计(B)多点位移计测孔(点)的布置(1)多点位移计用于观测岩体内深部两点之间沿钻孔轴线方向的相对位移。如果昀深测点距洞壁大于1倍洞跨以上，或超出卸荷影响范围，则某点相对于昀深点(若可近似视为不动)的位移可视为绝对位移。对于围岩中有预应力锚固的部位，埋设昀深点应超过锚固影响深度。(2)测孔一般布置在地下洞室的顶拱、拱座及边墙，有对称和非对称式布置，现埋和预埋孔两种方式。布置时应注意围岩变形的时空关系。(3)测点布置应考虑围岩应力分布、岩体结构等地质条件。同一孔中的测点可以是单点或多点，点距应根据围岩应力和变形梯度、岩体结构和断层部位等确定。测点(固定锚头)：灌浆式/机械式的、液压式等等。测点应避开裂隙、断层和夹层，放在较坚硬完整的岩石上。大的夹层、断层两侧宜各布置一个锚头。第二节监测的方法与监测设计(4)当洞室周围有排水平洞、勘探平洞或模型试验洞时，宜从这些洞向地下洞室提前钻孔，顶埋多点位移计：当覆盖层不厚时，宜从地面向洞室钻孔预埋仪器。(5)侧墙上的水平测孔宜略向上倾斜5°左右(当固定锚头为机械式)，便于渗水排出；或略向下成5°俯角倾斜(当固定钻头为灌浆式)，以便于灌浆和防浆液外流。多点位移计的布置第二节监测的方法与监测设计(C)钻孔测斜仪测孔的布置(1)测斜仪布置，应根据围岩应力分布状态和岩体结构，重点布置在位移昀大、对工程施工及运行安全影响昀大的部位。同时兼顾其他比较典型或有代表性的部位。(2)钻孔测斜仪常以铅垂钻孔布置于大型地下洞室的边墙附近，平行边墙或布置于大型地下洞室的出口正、侧面边坡内，观测岩体的挠度，监视边墙或出口边坡的稳定，详见图7—2(c)。(3)大跨度洞室的拱部可以通过附近洞室垂直洞室轴线布置水平测斜管，用水平型测斜仪观测拱部位移。(D)滑动测微计布置滑动测微计是观测岩体内部沿孔轴方向两点间相对位移的一种多点位移计，不同的只是可以每相隔lm一个测点。其布置方式可与多点位移计相同，测孔方向不限。(E)锚杆应力计测孔(点)的布置(1)用于观测轴向力的锚杆，既要起支护作用，又有监测随岩体变形锚杆内产生的应力的功能，为保证观测的真实性，观测锚杆的材质、截面面积都应与实际的相同。(2)锚杆应力计的测孔(点)的布置与多点位移计类似，除持殊要求外，一般与加固锚杆一致。布置方式有：按断面布置，按需要或在变形昀大的部位随机布置，布置数量一般不作硬性规定。(3)选定的观测锚杆