巖石地下工程4

§6-5巖石地下工程的監(jiān)測監(jiān)測意義保證工程設(shè)計、施工科學合理和安全生產(chǎn)的重要措施（著名的隧道新奧法施工技術(shù)把監(jiān)測作為施工過程中的重要原則）監(jiān)測特點（1）時效性巖石工程的服務(wù)年限一般都較長，巖石具有流變特性，因此，測試設(shè)備應(yīng)保持長期穩(wěn)定；（2）環(huán)境復(fù)雜。地下工程環(huán)境惡劣，設(shè)備具有防潮、防爆、防電磁干擾等性能（3）監(jiān)測信息的時空要求。現(xiàn)代大型巖石工程監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化已日益顯示其必要性與可能性，在監(jiān)測的信息量和反饋速度上的要求日漸提高；（4）空間的制約。地下空間有限，監(jiān)測設(shè)備微型化并盡可能地隱蔽，減少對施工的干擾，并避免施工對監(jiān)測設(shè)備的損壞。監(jiān)測對象可表征地壓活動的物理量、自然現(xiàn)象。6.5.1巖體變形與位移的監(jiān)測

6.5.2.1圍巖表面位移的測量

1）裂隙位移的人工觀測依據(jù)巖體的破壞過程中，有裂隙的擴展或新裂隙生成，或是沿原結(jié)構(gòu)面張開滑動（觀察這些縫隙的發(fā)展過程，可圈定地壓活動的范圍，判斷其發(fā)展趨勢）。觀測點選擇在地壓活動地段易于發(fā)生移動的巖體結(jié)構(gòu)面處，或是在其影響范圍內(nèi)的其他構(gòu)筑物處。方法黃泥、鉛油等涂抹在裂縫上，或用木楔插入縫中楔緊；或把玻璃條用渴濫固定在裂縫兩端（如在裂縫的兩邊布置三個測點，定期測量三個點之間的距離，用三角形關(guān)系測定裂縫的發(fā)展速度和移動趨勢.

2）圍巖表面位移的儀表觀測儀器用收斂計、測桿、測槍、滑尺等，其中收斂計是測量精度相對較高，使用比較方便而應(yīng)用廣泛的一種儀器。1為壁面埋腿；2為球形測點；3為本體球鉸；4為張緊力指示百分表；5為張緊彈簧；6為調(diào)距螺母；7為距離指示百分表8為鋼帶尺限位銷；9為帶孔鋼帶尺；10為尺頭球鉸；11為鋼帶尺架

地下工程周邊各點趨向中心的變形稱為收斂。用收斂計測量可以確定地下工程相對兩個壁面上兩點間的相對位移（圖6－21），假設(shè)中心點相對不動，獲得單面相對位移。通過兩次測量比較，就可以獲得巖壁的收斂變形（兩點問的相對變形）大小量、變形速度等規(guī)律。3）圍巖表面位移監(jiān)測預(yù)警方法預(yù)警圍巖（主要是頂板）冒落的危險性。圍巖表面位移監(jiān)測預(yù)警按極限位移值與極限位移速度值預(yù)報。極限位移值預(yù)報：當圍巖表面位移達到極限位移值時立即預(yù)警。（具體操縱：報警器預(yù)先調(diào)定極限位移值，把報警器固定在測孔內(nèi)，當位移到達此值時，發(fā)射無線電磁波信號，接收機接此信號后發(fā)出預(yù)警信號。該法關(guān)鍵是確定合適的極限位移值）極限位移速度值預(yù)報：圍巖頂板位移下沉速度達到設(shè)定的極限值時自動報警（該法運用原理：圍巖的位移使頂板下沉，速度報警儀的齒輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使終端的光電轉(zhuǎn)盤獲得較大的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變換為電脈沖信號，該信號的頻率反映了圍巖頂板下沉的速度，當此速度達到極限值時實現(xiàn)自動報警）。

6.4.2.2圍巖內(nèi)部位移的測量

目的：了解圍巖體內(nèi)部位移、破裂情況。測量工具：鉆孔多點位移計測量原理：在鉆孔巖壁的不同深度位置固定若于個測點，每個測點分別用連接件連接到孔口，在孔口測量到連接件隨測點移動所發(fā)生的移動量。在孔口的巖壁上設(shè)立一個穩(wěn)定的基準板，測量（足夠精度的測量儀器）基準板到連接件外端的距離，孔壁某點連接件的兩次測量差值；就是該時間段內(nèi)該測點到孔口的深度范圍巖體的相對位移值，通過不同深度測點測得的相對位移量的比較，可確定圍巖不同深度各點之間的相對位移以及各點相對位移量隨巖層深度的變化關(guān)系。如孔中最深的測點相對較深，認為該點是在影響圈以外的不動點，就能計算出孔內(nèi)其它各點（含巖壁面）的絕對位移量。不同位移計

6.4.2.3圍巖松動圈的彈性波測定

1）彈性波在巖體中的傳播特性彈性波在以下條件傳播較快：堅硬的巖體；裂隙不發(fā)育和風化程度低的巖體；孔隙率小、密度大、彈性模量大的巖體；抗壓強度大的庩體；斷層和破碎帶少或其規(guī)模小的巖體；在巖體受壓的方向上反之，彈性波的傳播速度較慢。彈性波在巖體中的傳播還受巖體濕度的影響，特別是裂隙中含水程度的影響。2）測試儀器聲波儀，主要部件是發(fā)射機和接收機。發(fā)射機向聲波測試探頭輸出電脈沖，接收機探頭將所抬得的微量訊號放大，在示波器上反映出來，并能直接測得從發(fā)射到接收的時間間隙。換能器即聲波測試探頭，按其功能可分為發(fā)射換能器和接收換能器，其主要元件均為壓電陶瓷，主要功能是將聲波儀輸出的電脈沖變?yōu)槁暡芑驅(qū)⒙暡茏優(yōu)殡娪嵦栞斎虢邮諜C。

為了使換能器很好地與巖體耦合以正常發(fā)揮其功能，在巖壁上進行聲波測試時，一般用黃油作耦合劑將換能器端面緊貼于巖面；在鉆孔中則用水作為耦合劑，以保證良好的耦合。清江隔河巖電廠

隔河巖水電站引水隧峒圍巖松動圈測定6.4.2.4圍巖破壞的聲發(fā)射監(jiān)測依據(jù)：巖體開挖引起應(yīng)力重分布，使巖體變形，當巖體內(nèi)部積累的變形能釋放時，應(yīng)力波同時向外傳播，形成聲發(fā)射信號。巖體破壞前，發(fā)射信號急劇增加，因此通過對聲發(fā)射監(jiān)測，可以預(yù)測圍巖穩(wěn)定性。常用來預(yù)報巖爆。1-40通道便攜式數(shù)字聲發(fā)射儀40-100通道數(shù)字聲發(fā)射儀聲發(fā)射檢測儀前置放大器聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射檢測儀信號采集軟件

武山銅礦大理石巖體聲發(fā)射試驗（I）聲發(fā)射信號稀少；（Ⅱ）活動期：聲發(fā)射頻度逐漸達到峰值，漸次下降后形成次峰值；（Ⅲ）下降期：頻度呈單調(diào)下降，同時巖體的宏觀破壞裂紋出現(xiàn)；（IV）沉寂期：巖體的破壞裂紋貫通。

上述研究表明：在圍巖破裂過程中，聲發(fā)射高潮比宏觀位移早出現(xiàn)，預(yù)示了圍巖失穩(wěn)即將來臨，為預(yù)報巖體失穩(wěn)留出了時間；初始階段低頻信號占主導地位，高頻多在1kHZ左右，之后主頻基本呈離散狀態(tài)分布，且高頻成分在傳播過程中衰減迅速；聲波信號衰減特征：能率（單位時間內(nèi)聲發(fā)射活動釋放能量的累計值）衰減最快，大事件（單位時間內(nèi)振幅較大的聲發(fā)射事件次數(shù)）次之，總事件（單位時間內(nèi)振幅達到一定量級的聲發(fā)射事件總數(shù)）衰減較慢。因此，以總事件為主要指標，結(jié)合大事件及能率綜合分析，即可監(jiān)測預(yù)報圍巖的穩(wěn)定性。6.4.3圍巖應(yīng)力與支架應(yīng)力監(jiān)測用光彈應(yīng)力計來測量圍巖應(yīng)力的變化。光彈應(yīng)力計的原理：具有反射層的玻璃中空扁圓柱體（光彈片），使用時將其粘結(jié)在（孔中）巖壁上，當巖體應(yīng)力發(fā)生變化時光彈片處于受力狀態(tài)，用反射式光彈儀可觀測到光彈片上的等差條紋，把它與經(jīng)過標定的標準條紋進行比較，確定應(yīng)力變化的比值與方向，再經(jīng)過有關(guān)測定與計算，即可得出巖體應(yīng)力。當光入射到兩種不同折射率的物質(zhì)界面上時，發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。由于導光介質(zhì)對光的吸收，通常光線在傳輸過程中會很快衰減。光纖對光信號作低衰減傳輸主要是利用光的全反射原理。若傳輸入射光介質(zhì)的折射率n1大于第二種介質(zhì)的折射率n2，則當入射角滿足一定條件時，光在界面上將發(fā)生全反射而不會透射到第二種介質(zhì)；光纖傳感技術(shù)原理若將兩種介質(zhì)作成如上圖所示同心環(huán)狀的光纖結(jié)構(gòu)，則光線作折線式向前傳遞時，保證全反射。常使階躍光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進行傳播的接收角θc之正弦值。發(fā)生全反射的條件：（1）光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；（2）入射角大于或等于臨界角。2）光纖鋼弦傳感器光纖鋼弦傳感器是利用了光纖傳輸鋼弦測力計信號的原理：用光纖向鋼弦照射入射光，鋼弦振動時，接收到的反射光為脈沖式的，由接收光纖傳輸?shù)焦饷}沖計數(shù)器計量脈沖次數(shù)（弦的振頻），即可換算出鋼弦承受的壓力。3）分布式光纖傳感技術(shù)沿光纖傳輸?shù)墓猓诶w芯折射率不匹配或不連續(xù)等情況下會產(chǎn)生