第四章地下工程监测

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工程实施第四节监测资料整理分析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。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。第二节监测的方法与监测设计(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。(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。(2)根据工程阶段分别选定。(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。(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。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的᳔大和᳔小值确定仪器的精度和量程；(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。(2)监测断面布置要合理，注意时空关系。(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。(4)断面可分为主要监测断面和辅助监测断面。(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。2．监测孔(点)的布置(1)收敛测线(点)的布置(2)多点位移计测孔(点)的布置a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。b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。c测点布置应考虑围岩应力分布、岩体结构等地质条件。(3)钻孔测斜仪测孔的布置a测斜仪布置，应根据围岩应力分布状态和岩体结构，重点布置在位移᳔大、对工程施工及运行安全影响᳔大的部位。同时兼顾其他比较典型或有代表性的部位。b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。(4)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。(5)锚杆应力计测孔(点)的布置a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。b按断面布置，按需要或在变形᳔大的部位随机布置，布置数量一般不作硬性规定。c选定的观测锚杆应具有代表性。(6)应变计和钢筋计布置应变计和钢筋计主要用于支护结构、桥梁等结构物的应力、应变观测。有时也用来观测围岩的应力、应变。(7)压力(应力)计布置压力(应力)计一般布置在围岩与支护结构的接触界面上。围岩内部和结构内部的压力计应根据压力分布和方向布置。(8)渗流观测布置a在水文地质具有代表性或预计渗压大的地方，布置渗流观测仪器。b对覆盖层浅的洞室，可从地表平行洞壁钻孔，埋设测压管或渗压计；对覆盖层厚的洞室，可从洞内向围岩钻孔埋设渗压计；可利用周围有排水洞、勘探平洞等，向大型地下洞室钻孔埋设。c在渗水处可设排水孔集中将水引至洞室下游适当位置处设量水堰，监测渗水量大小及其变化。(9)精密水准测量a为观测大型地下洞室的顶拱下沉、仰拱上抬(隆起)、覆盖层薄的地表或房屋建筑物的沉陷及洞室顶拱下沉，常采用精密水准测量。b为量测上述垂直位移，测点应分水准基点、起测基点及位移标点三级。c水准基点是垂直位移观测的基础，是假设的不动点。如该点超标变动，则影响整个观测精度，在布置时要适当远离测区，埋设在基岩内，避免各种人为活动对基点频繁的影响，保证埋设质量。d起测基点通常布置在欲观测断面的两侧3倍洞径以远，靠近边墙部位，避免施工干扰，尽可能地不影响架设仪器施测。e垂直位移(沉降)标点一般布置在顶拱，与多点位移计测孔、收敛计标点相衔接的部位；防止爆破损坏，应进行保护；不宜设于阻碍视线通视的地方。(10)围岩松动范围观测布置围岩松动范围观测是指测定由于爆破的动力作用、洞室开挖岩体应力释放引起的岩体扩容二者共同作用下导致的围岩表层岩体的松动厚度。监测成果可以作为锚杆及其他支护设计和围岩稳定分析的依据。通常采用声波法(用声波仪观测)和地震波法（用地震波仪观测)。开挖前后都要观测，以便对比分析，确定松动范围。a声波法根据围岩应力、变形情况和洞室几何形状，考虑不向岩性、不同施工方法选定观测断面，一般应在预测的松动范围᳔大᳔小厚度的部位布置测孔。测孔应垂直围岩表面，呈径向布置；孔深应超过预测厚度；孔径应大于换能器的直径。测孔数一般应满足圈定松动范围界线的要求。b地震波法(地震剖面法)(11)爆破影响监测布置a爆破影响监测，指介质质点速度、加速度和动应变监测。b监测内容上包括：爆破对开挖洞室围岩、衬砌支护的影响和对相邻洞室围岩、衬砌支护的影响。第三节工程实施一、监测仪器的组装、检验、率定专用仪器的率定检验，可参照仪器说明书。(1)仪器率定前进行系统编号，同时建立档案和记录，号牌应牢固耐腐。(2)仪器到场后，进室内率定检验。安装埋设过程中，每道工序都应检验并记录，合格后再进行下一道工序施工。(3)在有渗透水压力环境下工作的仪器和电缆，如水工压力隧洞的观测仪器和电线，必须经过严格的压水检验。一般在具有1.2倍设计内水压力的容器中，压水24小时后测定仪器的抗水性能。(4)地下工程监测仪器一般是在距离爆破中心较近处埋设，同时又受开挖爆破长时期的振动，因此，需要考虑抗展性能的检验。二、观测断面和测点的定位放样(1)观测断面和测点的定位放样，可按照《施工测量规范》进行。(2)地下洞室仪器安装埋设的土建施工放样，应与地下洞室施工测量相同，以施工导线标定的轴线为依据。(3)埋入围岩中的仪器一般分为预埋与现埋两种．所谓预埋是指开挖前预先埋入围岩，以达到测量开挖全过程的岩体变化；所谓现埋是指在开挖面附近埋设仪器，这样可以测到大部分过程的岩体变化。因此，地下工程监测，定点放样有个时机问题，预埋的仪器孔点位置应在被测洞室的开挖面距离观测断面一倍洞径之前定位放样，现埋仪器孔点位置应在开挖面越过1.2m时放样。三、监测仪器安装埋设与观测地下工程的变形监测主要有：围岩表面和内部位移监测；各种结构物的变形监测；地表、地中沉降和由此引起的地震、地中建筑物变形的监测。观测的内容有：变形值、变形速率、变形分布、变形范围、变形空间效应、变形时间效应、围岩松动范围等。下面将介绍常用的变形监测方法，其中有些是岩土工程监测的常用方法，这里只说明为适应地下工程监测特点的技术要求。（一）收敛计安装埋设与观测地下洞室围岩收敛观测．是应用收敛计量测围岩表面两点在连线(基线)方向上的相对位移，即收敛值。收敛观测是岩体原位位移观测的重要方法之一，已广泛地应用于岩土工程安全监测。应用收敛计观测岩体位移，仪器结构简单，使用灵活，经济易行。收敛观测也适用于岩体表面两点问的距离变化的观测。收敛观测采用卷尺式收敛计、对于其他形式的收敛计，可参照使用。收敛观测受登高设备条件制约很大，如果登高问题能够解决，则收敛观测不受洞径大小的限制。(1)收敛观测断面的测线布置a当地质条件、洞室尺寸和形状、施工方法等已定时，地下洞室围岩的位移主要受空间和时间两种因素的影响。因此，围岩位移存在“空间效应”和“时间效应”。“空间效应”是掌子面的约束作用产生的影响。“时间效应”是指在掌子面约束作用解除后，收敛位移随时间的延长而增大的现象。这两种效应是围岩稳定情况的重要标志。可用来判断围岩稳定情况，确定支护时机，推算位移速率和᳔终位移值。因此，根据地质条件、围岩应力大小、施工方法、支护形式及围岩的时间和空间效应等因素，按一定间距选择观测断面和测点位置。观测断面间距宜大于2倍洞径。b初测观测断面应尽可能靠近开控掌子面，距离不宜大于1.0m。因为根据实测资料分析，一般情况下，当开挖掌子面距观测断面1.5~2.0倍洞径后，“空间效应”基本消除。距离掌子面越远，围岩位移释放量越大，距离1.0m时，位移释放约20％~30％。因此，要求测点埋设应尽量接近掌子面。c基线的数量和方向应根据围岩的变形条件和洞室的形状与大小确定。d测点布置要优先考虑拱顶、拱座和边墙，若围岩局部有稳定性差的岩体．也应该设置测点，遇软弱夹层时，应在其上下盘设测点。(2)测桩的埋设a为了使测点能代表围岩表面，测点应牢固地埋设在围岩表面，其深度不宜大于20cm。b清除测点埋设处的松动岩石。c用钻孔工具垂直洞壁钻孔，将测桩固定在孔内孔口设保护装置。(3)收敛观测对收敛观测的要求：a观测前应在室内进行收敛计标定。b观测前必须将测桩端头撩洗干净。c将收敛计两端分别固定在基线两端的测桩上，按预计的测距固定尺长，并保证钢尺不受拉。d不同的尺长应选用不同的张力。调节拉力装置，使钢尺达到巴选定的恒定张力，读记收敛值，然后放松钢尺张力。e重复第d条的程序两次，三次读数差，不应大于收敛计的精度范围。取三次读书的平均值作为计算值。f观测的同时，测记收敛计的环境温度。（二）多点位移计安装埋没与观测在地下工程监测中，多点位移计是测钻孔轴向变形的仪器，主要用于围岩表面和围岩内部位移观测；地表和地中沉降观测似及结构物的位移观测。多点位移计种类比较多，但在安装埋设方法上大同小异。因为其结构都是由传感器、锚固点、传感器与锚固点的联接件三部分组成的，不同的是锚固点锚固的方式有所不同，传感器有并联和串联两种方式。(1)多点位移计的埋设布置a每支多点位移计的位置、轴向、长度及锚固点的数量，要按照地下工程技术的特点选择。同时考虑预期的岩体位移方向和大小、所安装的其他仪器的位置和性能，以及仪器安装前后和安装过程中工程活动的过程和时间。b位移计的长度应考虑到围岩预期的松动范围。欲测绝对位移并以᳔深点为基准点时，᳔深一个锚固点应设置在工程影响范围以外。在有围岩锚固结构的部位，᳔深一个锚固点应固定在锚杆的内端点以外。总之锚固点的设置应使位移计能测到᳔大的变形值。软弱结构面、接触面、滑动面等部位，宜在两边各设置一个锚固点。位移计锚固点的间距要根据围岩位移变化梯度来确定，梯度大的部位，如靠近内表面部位，锚固点加密。c在地下工程中，位移计应尽可能在开挖之前埋设，或在开挖面附近1~2m之内埋设，或在导洞、耳洞内预先埋设，以便及早地测得开挖后的全变形，这对运行期的监测也是必要的。(2)多点位移计的安装埋设a埋设在拱部上斜或上垂孔内的位移计，要充分估计仪器安装埋设时孔口承受的荷裁(仪器自重和灌浆压力)。若孔口岩面较好，可用锚栓和钢筋作支撑；岩石差的孔口需专门搭设构架作孔口支撑，直至钻孔注浆固化后方能将构架拆除。对于水平孔和下斜孔，孔口固定件只需保证组装壳体不动即可，同