地下工程监测技术

第八讲地下工程监测技术第1节地下工程监测概述第2节地下工程－洞室的安全监测第3节地下工程－隧道的安全监测第4节地下工程－水工隧洞的安全监测第5节地下工程变形特征分析与安全预警第6节地下工程监测资料整理与信息反馈第7节工程实例成都理工大学环境与土木工程学院汪家林2009-12（4～5学时）第1节地下工程监测概述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既取决于围岩本身的力学特性及自稳能力，也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，故地下工程设计的不确定性更加明显。1.1地下工程概述E104R101R102E101E103E102R103R104R105R106R107R108NS101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、土质隧道等。我国通常的习惯，把用于交通的长地下通道叫隧道；把用于输水的长地下通道叫隧洞,把断面较大、轴线长度不太长（与隧洞比较）的叫洞室。因此，地下工程分为：洞室、隧道、输水隧洞、城市地铁以及竖井、斜井等。1.1地下工程概述工程实践：水电工程引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室（井）等水利：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、仓库等第1节地下工程监测概述人类对地下空间的开发与利用；工程实践提出的要求；经验的提炼，地下洞室围岩稳定的研究；理论的指导与实践的验证。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）等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1.2地下工程的稳定性研究与设计理论第1节地下工程监测概述研究内容：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。地下工程的设计理论及发展过程：1）荷载结构法：如普氏理论（塌落拱理论）等。2）抗力法与弹性地基梁法（考虑了围岩对结构的约束）。3）连续介质力学理论（引入力学计算，研究围岩及支护体的变形、强度等问题，但计算的输入量如地应力、变形、强度参数都有很大的不确定性）。4）新奥法（NATM)：围岩与支护的相互作用、喷锚支护、现场监控、变形控制、支护时机确定等，有时称为收敛－约束法设计理论。5）监测与信息化设计：在地下工程施工过程中布置监控测试系统，从围岩的开挖与支护过程中获得围岩及支护的工作状态信息，通过分析研究监测信息来描述围岩的稳定性及支护的作用，并反馈于施工决策和支持系统，修改或确定新的开挖方案与支护参数的循环设计过程。1.2地下工程的稳定性研究与设计理论第1节地下工程监测概述第1节地下工程监测概述1.3地下工程监测与信息化设计在新奥法及信息化设计中，都非常重视监测工作。这是由于人们在地下工程的实践中发现，地下工程无论从材料－地质体、荷载－地应力，还是本构关系及力学参数都太复杂且具有明显的不确定性，整个系统是一个模糊的系统，用常规的力学方法很难描述围岩与支护的力学性态。但我们可以避开这一难度很大的工作，将围岩与支护组成的地下工程视作一个“黑箱”，开挖与支护为黑箱系统的“输入”，位移等监测信息为黑箱系统的“输出”，系统输出信息是多种因素综合作用的结果，研究输出信息来间接描述围岩的稳定性与支护的作用，并反馈于施工决策和支护设计系统，修改或确定新的开挖方案与支护参数。在信息化设计中，围岩及支护体相关信息的获取与位移反分析是这一方法的2个主要方面。信息的获取需要建立一个测试系统对围岩与支护体系进行监测，监测的目的主要是：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。地下工程的现场量测同时是位移反分析的基础工作。1.3地下工程监测与信息化设计1)前期监测：a)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。b)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，反分析岩体力学参数，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，监测地下工程结构的安全、检验设计的正确性以及为地下工程技术研究积累资料。地下工程监测与分析研究的阶段：第1节地下工程监测概述1.3地下工程监测与信息化设计第1节地下工程监测概述1）作业空间有限，需要登高操作，施工干扰大。2）监测所需的工作场地、工作面及时间受主体施工控制，需要采取交错、平行作业方式及充分利用施工间隙，尽量减少监测占用直线工期。地下工程为隐蔽工程，监测质量控制更为重要。3）地下工程变形的主要影响因素为开挖与支护，地下水等影响相对次要些。监测与研究中应特别注意时间与空间关系。4）由于地质条件及施工条件的不确定性，需要有备用仪器设备及应急措施。5）洞内监测不受外部气候影响，但洞内工作条件差，仪器及人员的安全问题突出，需作好安全防范。6)大型洞室一般采取分层开挖与支护，仪器应根据施工进展及时安装埋设，前期的监测应为后期施工起到指导作用。分层开挖的电缆保护应特别重视。1.4地下工程监测的特点正分析：根据表征某一系统力学属性的各项初始参数来确定系统的力学行为的分析研究方法。反分析：利用反映系统力学行为的某些物理量来推算该系统的各项或一些初始参数的分析研究方法。岩土工程的开挖使岩土体介质从原来的初始状态，变为新的力学状态，相当于系统加载（或卸载），可将岩土体视为一个“试件”，试件在加载后的反映（力学行为的后果，如变形调整），可以通过量测获得必要的数据，再通过反分析求得工程分析所需要的各种参数。岩土体在加载时（考虑原岩应力后实际为卸载）的力学反映以位移最为直观、可测、可靠，故一般建立位移量测系统观测岩土体的变形反映。位移反分析：在岩土工程开挖前或开挖过程中，建立岩土体的位移量测系统观测岩土体在开挖过程中的位移变化，根据实测位移值，考虑岩土体的本构模型且利用一定的技术分析手段，反求岩土工程有关计算参数（力学特性、初始地应力场)的一种技术研究方法。第1节地下工程监测概述1.5地下工程的位移反分析第2节地下工程－洞室的安全监测地下洞室一般指其长度与断面尺寸（跨度、高度）的比值较小（如小于10）的地下空间，有别于隧道、隧洞等长条形结构。地下洞室一般分层开挖与支护，施工工序繁复，洞室的应力调整过程复杂，稳定性问题突出，现场监测可获得围岩及支护的稳定性信息，指导设计与施工，保障工程安全等。大型的地下洞室包括地下厂房、地下车站等，一般净空断面可达1000m2以上。水电站地下厂房一般由三大洞室(厂房、主变室、尾调室)及其他洞室组成庞大的洞室群，洞室与洞室之间间距有限，还存在相互影响的问题。大型地下厂房洞室群－二滩水电站地下洞室的分层开挖分层、分台阶开挖与支护是地下洞室施工的主要特点，洞室群的施工的组织更加复杂，监测工作应时刻了解施工动态，适应施工特点，并特别强调监测仪器及电缆的保护。漫湾水电站二期地下厂房龙滩水电站地下厂房系统典型支护图第2节地下工程－洞室的安全监测2.1、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，并考虑支护设计与长期稳定性分析的需要。2）监测设计应在研究围岩地质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，位移仍是监测的主要物理量。3）布置应合理并注意时空关系，控制关键部位。大跨度的顶拱及高边墙的稳定问题突出。4）力求全过程控制，可能情况下考虑预埋仪器，同时应充分考虑分层开挖与支护的特点。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）监测与地质的结合，研究围岩的稳定性问题。第2节地下工程－洞室的安全监测2.2地下工程－洞室监测设计所需资料根据工程规模、设计阶段及工程问题收集监测设计资料第2节地下工程－洞室的安全监测2.3地下工程监测项目的选择地下工程的监测一般应考虑如下监测项目：1）围岩变形与应力：一般以多点位移计为主观测围岩的位移，以收敛计观测洞周围岩的收敛变形，有时也考虑其他位移监测方法（如滑动测微仪、钻孔测斜仪等）。隧道内临时观测一般更多地采用收敛计观测，浅埋地下工程应考虑地表沉降。分层开挖的大型洞室可考虑围岩内应力变化观测等。2）支护结构受力：锚杆受力观测（锚杆应力计）、衬砌混凝土应力应变观测（钢筋计、应变计）、钢拱架受力观测等，大跨度高边墙地下洞室在锚索支护时应考虑锚索的预应力观测（锚索测力计）。3）围岩与支护的相互作用：围岩与衬砌接触压力观测（压力盒、土压力计）、围岩与支护结构缝观测（测缝计）等。4）其他观测：如围岩松动圈(声波测试）；地下水明显时可考虑地下水压力（渗压计）观测、地下水流量监测（量水堰）。第2节地下工程－洞室的安全监测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。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运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。2.3地下工程监测项目的选择第2节地下工程－洞室的安全监测3)根据工程的规模、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。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。如对覆盖层浅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。2.3地下工程监测项目的选择第2节地下工程－洞室的安全监测仪器选型应按照以下一般原则进行。1)根据设计确定的监测项目选择相应的可靠仪器，仪器数量宜少而精；仪器类型尽可能一致。2）仪器选择时应考虑工程监测的周期，若是临时监