岩石地下工程4.pptx

6-5 6-5 岩石地下工程的监测岩石地下工程的监测监测意义监测意义 保证工程设计、施工科学合理和安全生产的重要措施保证工程设计、施工科学合理和安全生产的重要措施（著名的隧道新奥法施工技术把监测作为施工过程中的重要原则）（著名的隧道新奥法施工技术把监测作为施工过程中的重要原则）监测特点监测特点（1）时效性）时效性 岩石工程的服务年限一般都较长，岩石具有流变特岩石工程的服务年限一般都较长，岩石具有流变特性，因此，测试设备应保持长期稳定；性，因此，测试设备应保持长期稳定；（2）环境复杂。地下工程环境恶劣，设备具有防潮、防爆、防电）环境复杂。地下工程环境恶劣，设备具有防潮、防爆、防电磁干扰等性能磁干扰等性能（3）监测信息的时空要求。现代大型岩石工程监测的网络化已日）监测信息的时空要求。现代大型岩石工程监测的网络化已日益显示其必要性与可能性，在监测的信息量和反馈速度上的要求益显示其必要性与可能性，在监测的信息量和反馈速度上的要求日渐提高；日渐提高；（4）空间的制约。地下空间有限，监测设备微型化并尽可能地隐）空间的制约。地下空间有限，监测设备微型化并尽可能地隐蔽，减少对施工的干扰，并避免施工对监测设备的损坏。蔽，减少对施工的干扰，并避免施工对监测设备的损坏。监测对象 可表征地压活动的物理量、自然现象。6.5.1 岩体变形与位移的监测岩体变形与位移的监测 6.5.2.1 围围 岩岩 表表 面面 位位 移移 的的 测测 量量 1）裂隙位移的人工观测）裂隙位移的人工观测 依据依据 岩体的破坏过程中，有裂隙的扩展或新裂隙生成，或是沿原结岩体的破坏过程中，有裂隙的扩展或新裂隙生成，或是沿原结构面张开滑动（观察这些缝隙的发展过程，可圈定地压活动的范围，判构面张开滑动（观察这些缝隙的发展过程，可圈定地压活动的范围，判断其发展趋势）。断其发展趋势）。观测点观测点 选择在地压活动地段易于发生移动的岩体结构面处，或是在其选择在地压活动地段易于发生移动的岩体结构面处，或是在其影响范围内的其他构筑物处。影响范围内的其他构筑物处。方法方法 黄泥、铅油等涂抹在裂缝上，或用木楔插入缝中楔紧；或把玻璃黄泥、铅油等涂抹在裂缝上，或用木楔插入缝中楔紧；或把玻璃条用渴滥固定在裂缝两端（如在裂缝的两边布置三个测点，定期测量三条用渴滥固定在裂缝两端（如在裂缝的两边布置三个测点，定期测量三个点之间的距离，用三角形关系测定裂缝的发展速度和移动趋势个点之间的距离，用三角形关系测定裂缝的发展速度和移动趋势.2）围岩表面位移的仪表观测）围岩表面位移的仪表观测 仪器仪器 用收敛计、测杆、测枪、滑尺等，其中收敛计是测量精度相对较高，用收敛计、测杆、测枪、滑尺等，其中收敛计是测量精度相对较高，使用比较方便而应用广泛的一种仪器。使用比较方便而应用广泛的一种仪器。1为壁面埋腿；为壁面埋腿；2为球形测点；为球形测点；3为本体球铰；为本体球铰；4为张紧力指示百分表；为张紧力指示百分表；5为张紧弹簧；为张紧弹簧；6为调距螺母；为调距螺母；7为距离指示百分表为距离指示百分表 8为钢带尺限位销；为钢带尺限位销；9为带孔钢带尺；为带孔钢带尺；10为尺头球铰；为尺头球铰；11为钢带尺架为钢带尺架 地下工程周边各点趋向中心的变形地下工程周边各点趋向中心的变形称为称为收敛。收敛。用收敛计测量可以确定地下工程相用收敛计测量可以确定地下工程相对两个壁面上两点间的相对位移对两个壁面上两点间的相对位移（图（图621），假设中心点相对不），假设中心点相对不动，获得单面相对位移。动，获得单面相对位移。通过两次测量比较，就可以获得岩通过两次测量比较就可以获得岩壁的收敛变形（两点问的相对变形）壁的收敛变形（两点问的相对变形）大小量、变形速度等规律。大小量、变形速度等规律。3）围岩表面位移监测预警方法）围岩表面位移监测预警方法预警围岩（主要是顶板）冒落的危险性。围岩表面位移监测预预警围岩（主要是顶板）冒落的危险性。围岩表面位移监测预警按警按极限位移值与极限位移速度值极限位移值与极限位移速度值预报。预报。极限位移值极限位移值预报：当围岩表面位移达到极限位移值时立即预警。预报：当围岩表面位移达到极限位移值时立即预警。（具体操纵：报警器预先调定极限位移值，把报警器固定在测（具体操纵：报警器预先调定极限位移值，把报警器固定在测孔内，当位移到达此值时，发射无线电磁波信号，接收机接此孔内，当位移到达此值时，发射无线电磁波信号，接收机接此信号后发出预警信号。信号后发出预警信号。该法关键是确定合适的极限位移值该法关键是确定合适的极限位移值）极限位移速度值极限位移速度值预报：围岩顶板位移下沉速度达到设定的极限预报：围岩顶板位移下沉速度达到设定的极限值时自动报警（该法运用原理：围岩的位移使顶板下沉，速度值时自动报警（该法运用原理：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，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，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动报警）。速度，当此速度达到极限值时实现自动报警）。6.4.2.2 围 岩 内 部 位 移 的 测 量 目的：了解围岩体内部位移、破裂情况。目的：了解围岩体内部位移、破裂情况。测量工具：钻孔多点位移计测量工具：钻孔多点位移计测量原理：在钻孔岩壁的不同深度位置固定若于个测点，每个测点测量原理：在钻孔岩壁的不同深度位置固定若于个测点，每个测点分别用连接件连接到孔口，在孔口测量到连接件随测点移动所发生分别用连接件连接到孔口，在孔口测量到连接件随测点移动所发生的移动量。在孔口的岩壁上设立一个稳定的基准板，的移动量。在孔口的岩壁上设立一个稳定的基准板测量（足够精测量（足够精度的测量仪器）基准板到连接件外端的距离，孔壁某点连接件的两度的测量仪器）基准板到连接件外端的距离，孔壁某点连接件的两次测量差值；就是该时间段内该次测量差值；就是该时间段内该 测点到孔口的深度范围岩体的相对测点到孔口的深度范围岩体的相对位移值，通过不同深度测点测得的相对位移量的比较，可确定围岩位移值，通过不同深度测点测得的相对位移量的比较，可确定围岩不同深度各点之间的相对位移以及各点相对位移量随岩层深度的变不同深度各点之间的相对位移以及各点相对位移量随岩层深度的变化关系。化关系。如孔中最深的测点相对较深，认为该点是在影响圈以外的如孔中最深的测点相对较深，认为该点是在影响圈以外的不动点不动点，就能计算出孔内其它各点（含岩壁面）的绝对位移量。就能计算出孔内其它各点（含岩壁面）的绝对位移量。不同位移计不同位移计 6.4.2.3 围 岩 松 动 圈 的 弹 性 波 测 定 1）弹性波在岩体中的传播特性）弹性波在岩体中的传播特性 弹性波在以下条件传播较快：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；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；孔隙率小、密度大、弹性模量大的岩体；抗压强度大的庩体；抗压强度大的庩体；断层和破碎带少或其规模小的岩体；在岩体受压的方向断层和破碎带少或其规模小的岩体；在岩体受压的方向上上反之，弹性波的传播速度较慢。弹性波在岩体中的传播反之，弹性波的传播速度较慢。弹性波在岩体中的传播还受岩体湿度的影响，特别是裂隙中含水程度的影响。还受岩体湿度的影响，特别是裂隙中含水程度的影响。2）测试仪器）测试仪器 声波仪声波仪，主要部件是发射机和接收机。发射机向声波测试探头输，主要部件是发射机和接收机。发射机向声波测试探头输出电脉冲，接收机探头将所抬得的微量讯号放大，在示波器上反出电脉冲，接收机探头将所抬得的微量讯号放大，在示波器上反映出来，并能直接测得从发射到接收的时间间隙。映出来，并能直接测得从发射到接收的时间间隙。换能器换能器即声波测试探头，按其功能可分为发射换能器和接收换能即声波测试探头，按其功能可分为发射换能器和接收换能器，其主要元件均为压电陶瓷，主要功能是将声波仪输出的电脉器，其主要元件均为压电陶瓷，主要功能是将声波仪输出的电脉冲变为声波能或将声波能变为电讯号输入接收机。冲变为声波能或将声波能变为电讯号输入接收机。为了使换能器很好地与岩体为了使换能器很好地与岩体耦合耦合以正常发挥其功能，在岩壁上进以正常发挥其功能，在岩壁上进行声波测试时，一般用黄油作耦合剂将换能器端面紧贴于岩面；行声波测试时，一般用黄油作耦合剂将换能器端面紧贴于岩面；在钻孔中则用水作为耦合剂，以保证良好的耦合。在钻孔中则用水作为耦合剂，以保证良好的耦合。清江隔河岩电厂清江隔河岩电厂 隔河岩水电站引水隧峒围岩松动圈测定隔河岩水电站引水隧峒围岩松动圈测定6.4.2.4 围岩破坏的声发射监测依据依据：岩体开挖引起应力重分布，使岩体变形，当岩体岩体开挖引起应力重分布，使岩体变形，当岩体内部积累的变形能释放时，应力波同时向外传播，形内部积累的变形能释放时，应力波同时向外传播，形成声发射信号。岩体破坏前，发射信号急剧增加，因成声发射信号。岩体破坏前，发射信号急剧增加，因此通过对声发射监测，可以预测围岩稳定性。常用来此通过对声发射监测，可以预测围岩稳定性。常用来预报岩爆。预报岩爆。1-40通道便携式数字声发射仪通道便携式数字声发射仪40-100通道数字声发射仪通道数字声发射仪声发射检测仪前置放大器声发射检测仪前置放大器声发射传感器声发射传感器声声发射检测仪信号采集软件发射检测仪信号采集软件 武山铜矿大理石岩体声发射试验（I）声发射信号稀少；（）声发射信号稀少；（）活动期：声发射频度逐渐达到峰）活动期：声发射频度逐渐达到峰值，渐次下降后形成次峰值；（值，渐次下降后形成次峰值；（）下降期：频度呈单调下降）下降期：频度呈单调下降，同时岩体的宏观破坏裂纹出现；（，同时岩体的宏观破坏裂纹出现；（IV）沉寂期：岩体的破坏裂）沉寂期：岩体的破坏裂纹贯通。纹贯通。上述研究表明：上述研究表明：在围岩破裂过程中，声发射高潮比宏观位移早出现，预示了围岩在围岩破裂过程中，声发射高潮比宏观位移早出现，预示了围岩失稳即将来临，为预报岩体失稳留出了时间；失稳即将来临，为预报岩体失稳留出了时间；初始阶段低频信号占主导地位，高频多在初始阶段低频信号占主导地位，高频多在1kHZ左右，之后主频左右，之后主频基本呈离散状态分布，且高频成分在传播过程中衰减迅速；基本呈离散状态分布，且高频成分在传播过程中衰减迅速；声波信号衰减特征：能率（单位时间内声发射活动释放能量的累声波信号衰减特征：能率（单位时间内声发射活动释放能量的累计值）衰减最快，大事件（单位时间内振幅较大的声发射事件次计值）衰减最快，大事件（单位时间内振幅较大的声发射事件次数）次之，总事件（单位时间内振幅达到一定量级的声发射事件数）次之，总事件（单位时间内振幅达到一定量级的声发射事件总数）衰减较慢。因此，以总事件为主要指标，结合大事件及能总数）衰减较慢。因此，以总事件为主要指标，结合大事件及能率综合分析，即可监测预报围岩的稳定性。率综合分析，即可监测预报围岩的稳定性。6.4.3 围岩应力与支架应力监测用光弹应力计来测量围岩应力的变化用光弹应力计来测量围岩应力的变化。光弹应力计的原理：具有反射层的玻璃中空扁圆柱体光弹应力计的原理：具有反射层的玻璃中空扁圆柱体（光弹片），使用时将其粘结在（孔中）岩壁上，（光弹片），使用时将其粘结在（孔中）岩壁上，当岩当岩体应力发生变化时光弹片处于受力状态，用反射式光弹体应力发生变化时光弹片处于受力状态，用反射式光弹仪可观测到光弹片上的等差条纹，把它与经过标定的标仪可观测到光弹片上的等差条纹，把它与经过标定的标准条纹进行比较，确定应力变化的比值与方向，再经过准条纹进行比较，确定应力变化的比值与方向，再经过有关测定与计算，即可得出岩体应力。有关测定与计算，即可得出岩体应力。当光入射到两种不同折射率的物质界面上时，发生反射与折射当光入射到两种不同折射率的物质界面上时，发生反射与折射现象。现象。由于导光介质对光的吸收，通常光线在传输过程中会很由于导光介质对光的吸收，通常光线在传输过程中会很快衰减。快衰减。光纤对光信号作低衰减传输主要是利用光的全反射原理光纤对光信号作低衰减传输主要是利用光的全反射原理。若。若传输入射光介质的折射率传输入射光介质的折射率n1大于第二种介质的折射率大于第二种介质的折射率n2，则当，则当入射角满足一定条件时，光在界面上将发生全反射而不会透射入射角满足一定条件时，光在界面上将发生全反射而不会透射到第二种介质；到第二种介质；光光 纤纤 传传 感感 技技 术术 原原 理理 若将两种介质作成如上图所示同心环状的光纤结构，则光线作折线式向若将两种介质作成如上图所示同心环状的光纤结构，则光线作折线式向前传递时，保证全反射。前传递时，保证全反射。常使阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角c之正弦值。发生全反射的条件：（1）光从光密介质射入光疏介质；（2）入射角大于或等于临界角。2）光纤钢弦传感器）光纤钢弦传感器 光纤钢弦传感器是利用了光纤传输钢弦测力计信号的光纤钢弦传感器是利用了光纤传输钢弦测力计信号的原理原理：用：用光纤向钢弦照射入射光，钢弦振动时，接收到的反射光为脉冲光纤向钢弦照射入射光，钢弦振动时，接收到的反射光为脉冲式的，由接收光纤传输到光脉冲计数器计量脉冲次数（弦的振式的，由接收光纤传输到光脉冲计数器计量脉冲次数（弦的振频），即可换算出钢弦承受的压力。频），即可换算出钢弦承受的压力。3）分布式光纤传感技术）分布式光纤传感技术 沿光纤传输的光，在纤芯折射率不匹配或不连续等情况下会产沿光纤传输的光，在纤芯折射率不匹配或不连续等情况下会产生后向反射光，如局部受到扭剪损伤甚至断裂，会产生菲涅尔生后向反射光，如局部受到扭剪损伤甚至断裂，会产生菲涅尔反射（菲涅尔反射是离散的反射反射（菲涅尔反射是离散的反射）；纤芯折射率微观不均匀，）；纤芯折射率微观不均匀，产生瑞利散射这些后向光有一部分可为纤芯俘获而返回光纤产生瑞利散射这些后向光有一部分可为纤芯俘获而返回光纤 的的入射端，并为入射端，并为“时域反射计时域反射计接收。因此，敷设在地下岩石工接收。因此，敷设在地下岩石工程监测区域内的分布光纤，能获取因外场作用导致光纤产生这程监测区域内的分布光纤，能获取因外场作用导致光纤产生这类缺陷的物理效应。这对控制岩体深部滑动等内容的监测是很类缺陷的物理效应。这对控制岩体深部滑动等内容的监测是很有效的。有效的。