岩石隧洞施工安全监测.doc

岩石隧洞施工安全监测

岩石隧洞监测的项目和所用仪器             
监 测 类 型
监   测   项   目
监   测   仪   器
位    移
地表沉降
地表水平位移
拱顶沉降
拱脚基础沉降
围岩位移〔径向〕
围岩位移〔水平〕
洞周收敛
水准仪
经纬仪
水准仪，电子水平尺
水准仪，电子水平尺
单点、多点位移计，三维位移计
测斜仪，三维位移计
收敛计，巴塞特系统
压    力
围岩内压力
衬砌混凝土内压力
衬砌钢筋应力
围岩与衬砌接触压力
锚杆轴力
钢拱架压力
地下水渗透压力
压力盒，压力枕，应变计
压力盒，压力枕，应变计
钢筋应力计，应变计
压力盒，压力枕
钢筋应力计，应变片，应变计，环式测力计
钢筋应力计，应变片，应变计，轴力计
渗压计
其它物理量
围岩松动圈
前方岩体性态
爆破震动
声发射
弹性波，形变电阻法
弹性波，超前钻，探地雷达
测震仪
声发射检测仪
7.10.1、洞内观察
洞内观察是不借助于任何量测仪器，而用肉眼凭经验推断围岩、锚杆、衬砌和隧道安全性的最直观方法，关于各别现象和特别状况的发现尤其重要。其目的是核对地质资料，判别围岩和支护系统的稳定性，为施工管理和工序安排提供依据，并检验支护参数。因此，监测人员在用仪器监测之前，首先是细致地观察隧道内地质条件的变化状况，裂隙的发育和扩展状况，渗漏水状况，观察隧道两边及顶部有无松动岩石，锚杆有无松动，喷层有无开裂以及中墙衬砌上有无裂隙出现，尤其是中墙衬砌上的裂缝，如发现有裂缝则要用裂缝观察仪密切观测记录裂缝的展开状况。隧道内观察这项工作应与施工单位的工程技术人员配合进行，并及时交流信息和资料。此项工作贯穿于隧道施工的全过程，以便为施工提供直观的信息。
7.10.2、位移监测
在隧洞入洞口一定范围内及埋深较浅的隧洞，必需监测地表沉降和水平位移。拱顶沉降通常采纳水准仪监测，隧洞拱顶一般较高，用通常使用的标尺不能测量，可在拱顶用短锚杆设置挂钩，悬挂长度略小于隧洞高度的铟钢丝，下面悬挂标尺的方法监测。
1、单点位移计
单点位移计实际上是端部固定于钻孔底部的一根锚杆加上孔口的测读装置，位移计安装在钻孔中，锚杆体可用直径22mm的钢筋制作，锚固端用楔子与钻孔壁楔紧，自由端装有测头，可自由伸缩，测头平整平滑。定位器固定于钻孔孔口的外壳上，测量时将测环插入定位器，测环和定位器上都有刻痕，插入测量时将两者的刻痕对准，测环上安装有百分表、千分表或深度测微计以测取读数。测头、定位器和测环用不锈钢制作。单点位移计结构简单，制作容易，测试精度高，以及钻孔直径小。受外界因素影响小，容易保护，因而可紧跟爆破开挖面安设，目前应用较多。
由单点位称计测得的位移量是洞壁与锚杆固定点之间的相对位移，假设钻孔足够深，则孔底可视为位移很小的不动点，故可视测量值为绝对位移。不动点的深度与围岩工程地质条件、断面尺寸、开挖方法和支护时间等因素有关。在同一测点处，假设设置不同深度的位移计，可测得不同深度的岩层相关于洞壁的位移量，据此可画出距洞壁不同深度的位移量的变化曲线。单点位移计通常与多点位移计配合使用。
2、多点位移计
多点位移计按位移监测仪器的不同有机械式和电测式两类。机械式位移计一般采纳深度测微计千分表或百分表，电测式位移计采纳的位移传感器常用的有电阻式、电感式、差动式、变压式和钢弦式等多种。
1〕并联式多点位移计 多点位称计由锚固器和位移测定器组成，锚固器安装在钻孔内，起固定测点的作用，位移测定器安装在钻孔口部，与锚固器之间用钢丝杆联结。同一钻孔中可设置多个测点，一个测点设置一个锚固器，各自与孔口的位移测定器相联，监测值为这些测点相关于洞壁的相对位移量。这种将位移传感器固定在孔口上，用金属杆或金属丝把不同埋深处的锚头的位移传给位移传感器的位移计，称作并联式多点位移计。
锚固器的结构有多种形式，最简单的是用注浆锚固的锚固器，锚固头用长约30cm的φ25的螺纹钢加工而成，在远离孔口的一端钻一小孔，穿细钢丝固定注浆管，锚固头的另一头加工成长3cm，外径为φ20的平滑圆柱状，中心攻有螺孔，铟钢丝杆可拧入螺孔，铟钢丝杆外面用PVC管保护，内径为φ20PVC管插入平滑圆柱状头中，铟钢丝杆和PVC管均约2m一节，铟钢丝杆用螺纹逐节连接，两节PVC管间套一长15cm的套管，用PVC胶水粘结。待锚固头下到预定位置后，用砂浆灌满钻孔，待砂浆凝结后，锚固头与围岩一起运动，而铟钢丝杆由PVC管与砂浆和四周岩体隔离，不随围岩一起运动，因此，将锚固头处围岩的位移直接传递到孔口。机械方法锚固的锚固器有 A 液压式锚固器，当锚固头下到预定位置时，注入液压将锚固器脚撑开；b卡式锚固器，它是用专门的安装杆送入预定位置后，旋转上紧螺栓，借助支撑侧铁向两侧扩张并压紧钻孔孔壁，即可形成锚固。当岩层发生相对位移时，锚固点的位移通过钢丝传递到滑杆，钢丝从滑杆中心穿过，用压紧螺钉和夹线块将钢丝与滑杆夹住，压簧顶紧滑杆使钢丝撑紧，压簧簧座固定在外壳的底部，用深度测微计测出滑杆的滑动距离，便可算得围岩各测点的相对位移。
2〕串联式多点位移计是采纳电感式位移传感器的串联式多点位移计，它由位移传感器、锚固头、连接锚头和金属杆及二次仪表组成，位移传感器的线圈安装在锚头的内壳中，锚头用三片互成120°角的弹簧片固定在孔壁上，金属杆上安装有铁芯，作为位移传感器的一部分，金属杆的一端固定在孔口或孔底，从而组成电感式多点位移计。当岩体产生位移时，各测点上铁芯在线圈中的位移量也是不一样的，因而引起不同的电感的变化，用与之配套的二次仪表测读。这种传感器串联在金属杆上，并固定在孔内不同深度的基准点上，传感器或其差动构件的另一部分与锚头直接连在一起的多点位移计，称为串联式多点位移计。
3〕滑动式位移计 滑动多点位移计是一台高精度的位移计，用于测定的岩土和混凝土中沿某一测线的轴向位移的分布状况。它主要由测头、测读仪、操作杆以及套管组成。套管通常为外径60mm，壁厚5mm的塑料管或铝合金管，沿套管轴向每隔1m放置一个具有特别定位功能的锥形测量标志，带有PVC保护套。测头用操作杆送入，探头做成球形，测标下部做成圆锥形，在测量位置时，两者可形成球面和圆锥面间的精密接触。两者都有锲口，当探头转动到滑动位置时，探头能沿着测标滑动，从滑动位置把探头转动45°就转到测量位置，往回拉紧导杆，就能使探头的两个测头在两个相邻的测标间张紧。当张紧力达到一定值时，探头中的线性位移传感器〔LVDT〕被触发，测得数据并通过电缆传送到数字式读数器，也可以用一台手提式计算机经过RS-232接口来记录数据。松开导杆，把探头转动45°就转到滑动位置，移到下一个测标位置继续测量。如此可由外向里逐点测试各测点的位移。测头主体长1m，内装有电感式位移传感器〔LVDT〕，并装有遥测温度计，以作温差矫正。在上述仪器中，假设在该位移计探头上部安设两个测斜探头，测斜方向互为正交，就可同时测定钻孔的轴向和两个互为正交的横向变形，即为三向位移计，从而可测定沿钻孔各测点的三向位移分量。
该种位移计由于不必在钻孔中埋设传感元件，克服了多点位移计测试费用高、测点少、位移计可靠性不易检验及测头易损坏等特点，具有一台仪器对多个测孔进行巡回检测，而每孔中的测点数不受限制的优点。可应用于大坝、隧道以及岩土工程中位移，也可通过测量桩和隔墙的两侧的测线的应变量确定其曲率，从而估算其弯矩或偏位曲线。
3、收敛位移监测
隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化，常称为收敛位移。收敛位移监测所必需进行的工作比较简单，以收敛位移监测值为推断围岩稳定性的方法比较直观和明确，所以是隧洞监测中的常规监测项目。
1〕穿孔钢卷尺式收敛计，监测的粗读元件是钢尺，细读元件是百分表或测微计，钢尺的固定拉力可由重锤实现，或用弹簧、测力环配百分表实现。由于百分表的量程有限，钢卷尺每隔数厘米宜打一小孔，以便依据收敛量的变化状况调整粗读数。
2〕铟纲丝弹簧式收敛计，收敛位移量由读数表读取，固定拉力由弹簧提供，并由拉力百分表显示拉紧程度，采纳铟钢丝制作收敛计，可提升收敛计的温度稳定性，从而提升监测精度。
3〕铟钢丝扭矩平衡式收敛计，收敛位移是由读数表读取，固定拉力由微型电机提供，电机由控制器操纵，达到一定扭矩后能自动停转。收敛测试的固定端一般采纳短锚杆，并应设置保护装置。
4〕关于跨度小、位移较大的隧洞，可用测杆监测收敛量，测杆可由数节组成，杆端一般装设百分表或游标尺，以提升监测精度。关于拱顶绝对下沉量，可用精密水准仪监测。一些跨度和位移均较大的洞室。也可用精密经纬仪观测。
5〕洞周收敛位移也可用巴塞特收敛系统,它是一种测量隧洞横断面轮廓线的仪器,由多组首尾相接内设倾角传感器的杆件组成,杆件之间用活动铰连接,隧洞壁上任一点的位移通过杆件的转动使倾角传感器产生角度变化,已知各杆件的长度和一个杆件一端的坐标点及各倾角传感器的起始倾角,就能以此为起点用以后各随时测得的杆件倾角计算各点的变化值和坐标位置。巴塞特收敛系统配备有一个专用的数据采集系统，即可用串行口与计算机相连，也可用 线经调制解调器与计算机相连，采集的数据可自动处理。
6〕测试设备应依据估计位移量的大小进行选择，位移较小或精度要求较高时，可采纳锢钢丝收敛计，其精度为0.01mm，穿孔钢卷尺式收敛计的精度也相当高，亦可以采纳。洞室断面较大时，可采纳光电测距仪测取读数，精度可达0.2mm。
7.10.3、压力监测
压力监测包括地下洞室内部和支衬结构内部的压力，以及围岩和支衬结构间接触压力的监测。压力监测通常采纳应力计或压力盒。在支衬内部及围岩与支衬接触面上的压力盒的埋设，只必需要浇注混凝土前将其就位固定，监测围岩压力的压力盒则必需专门的钻孔，将压力盒放入钻孔内预定的深度后，用速凝砂浆充填密实。
7.10.3、液压枕
液压枕主要有枕壳、注油三通、紫铜管和压力表组成，为了安设时排净系统内空气，设有球式排气阀。液压枕必需在室内组装，经高压密封性试验合格后才能埋设使用。
液压枕在埋设前用液压泵往枕壳内充油，排尽系统中空气，埋入测试点，待四周包裹的砂浆达到凝固强度后，即可打油施加初始压力，此后压力表值经24h后的稳定读数定为该测试液压枕的初承力，以后将随地层附加应力变化而变化，定期观察和记录压力表上的数值，就可得到围岩压力或混凝土层中应力变化的规律。
在混凝土结构和混凝土与围岩的接触面上埋设，只必需在浇注混凝土前将其定位固定，待浇注好混凝土后即可。在钻孔内埋设时，则必需先在试验位置垂直于岩面钻估计测试深度的钻孔，孔径一般为43~45mm，埋设前用高压风水将孔内岩粉冲洗干净，然后把液压枕放入，并用深度标尺矫正其位置，最后用速凝砂浆充填密实。一个钻孔中可以放多个液压枕，按必需要分别布置在孔底中间和孔口。液压枕常要紧跟工作面埋设，对外露的压力表应加罩保护，以防爆破或是其它人为因素损坏。
液压枕又称油枕应力计，可埋设在混凝土结构内，岩体内或结构与围岩的接触面处，长期测试结构、围岩或它们的接触面的应力。
液压枕测试直观可靠、结构简单、防潮防震、不受干扰、稳定性好、读数方便、成本低、不要电源能在有瓦斯的隧洞工程中使用等优点，故是现场测试常用的手段。
2、锚杆轴力的监测
支护锚杆在岩石隧洞支护系统中占有重要地位，为监测施工锚杆的受力状态及大小，必需以锚杆的应力进行监测。其原理通常是利用锚杆受力后，锚杆发生变形，采纳应变片或应变计测量锚杆的应变，得出与应变成比例的电阻或频率的变化，然后通过标定曲线或公式将电测信号换算成锚杆应力。监测锚杆应力用的应变计主要有电阻式、差动电阻式和钢弦式。
电阻式锚杆应变计由内壁按一定间距粘贴有电阻片的钢管或铝合金管组成，电阻片粘贴后必需做严格的防潮处理。也有直接采纳工程锚杆，对粘贴应变片的部位经过特别的加工，粘贴应变片后经防潮处理，并加密封保护罩制成。这种方法价格低廉，使用灵活，精度高，但由于防潮要求高，抗干扰能力低，大大限制了它的使用范围。
差动电阻式和钢弦式锚杆应变计是将应变计装入钢管，或装入锚杆加粗段的槽孔中，然后与锚杆连接而成，一根锚杆上可连接多节，其中的钢弦式应变计由于环境适用性强，测读仪器轻巧方便，故可适用于不同地质条件和环境条件的锚杆应力观测。