巖土工程監(jiān)測(cè)技術(shù)

1、巖土工程監(jiān)測(cè)技術(shù)1超聲波/聲波聲波/超聲波應(yīng)用于巖體探測(cè)從20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)。用于確定圍巖開挖的損傷程度及形態(tài)。相似的測(cè)量?jī)x器為震速測(cè)量。1.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容聲波/超聲波工程探測(cè)是通過(guò)探測(cè)聲波/超聲波在巖體內(nèi)的傳播特征（波速或振幅變化）來(lái)研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探方法。聲波在巖體中傳播時(shí)，如果在其傳播路徑存在裂縫，聲波就會(huì)在裂縫處發(fā)生繞射，使得傳播距離增大，走時(shí)增加，波速下降。聲波測(cè)試具有輕便簡(jiǎn)潔、快速經(jīng)濟(jì)、測(cè)量精度高、易于控制。聲波探測(cè)的實(shí)質(zhì)， 是利用超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)， 波速振幅、頻率等的變化情況來(lái)研究介質(zhì)的性態(tài)，如密度、應(yīng)力狀態(tài)、裂隙發(fā)育和介質(zhì)完整性等。理論研究表明， 縱波波速

2、與巖體物理力學(xué)參數(shù)有如下關(guān)系：圖1 聲波速度隨孔深變化關(guān)系1.2設(shè)備尺寸（場(chǎng)地要求）及使用方法（布置簡(jiǎn)圖）硐室巷道圍巖松弛范圍的超聲波測(cè)試（張世雄2005）采用武漢巖土所研制RSM-SY5儀器進(jìn)行了測(cè)量。該儀器指標(biāo)如下：該系列儀器目前發(fā)展到RSM-SY7，如下圖：圖 2 RSM-SY7和RSM-SY6聲波儀輸出的電能由發(fā)射探頭F 轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去，經(jīng)水耦合，在孔壁周圍巖體內(nèi)產(chǎn)生的縱波沿鉆孔軸向傳播，接收探頭S1 和S2 依次接收巖體內(nèi)傳來(lái)的經(jīng)水耦合的縱波，然后把接收到的聲波轉(zhuǎn)換成電能傳輸?shù)铰暡▋x，由聲波儀進(jìn)行放大、濾波、整形處理后輸入電子計(jì)算機(jī)。目前在硐室巷道內(nèi)用超聲波檢測(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍的

3、方法較成功的有兩種：?jiǎn)慰诇y(cè)試法、雙孔測(cè)試法。單孔測(cè)試法就是在待測(cè)的硐室巷道斷面上確定測(cè)試點(diǎn)， 然后在測(cè)試點(diǎn)處用鑿巖機(jī)打孔， 孔的深度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況而定，然后將圓管狀聲波探頭置入鉆孔內(nèi)，孔內(nèi)注滿水以使探頭與孔壁巖體有良好的聲耦合。逐點(diǎn)測(cè)試，直到各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試完畢。雙孔測(cè)試法就是在待測(cè)的硐室巷道斷面上打兩個(gè)平行的鉆孔，然后將兩只圓管聲波探頭( 一個(gè)為發(fā)射探頭，另一個(gè)為接收探頭) 分別置于兩個(gè)鉆孔底部，孔內(nèi)注滿水使探頭與孔壁有良好的聲耦合。在測(cè)試時(shí)使兩探頭同步沿鉆孔軸向移動(dòng)，以保證兩個(gè)探頭始終處在同一深度。圖3 單、雙孔測(cè)量采用單孔法進(jìn)行測(cè)試可減少鉆孔工作量， 且測(cè)試操作過(guò)程簡(jiǎn)單， 易于把握。而雙孔

4、測(cè)試法， 兩個(gè)探頭的平行度( 同步) 不容易掌握，造成測(cè)試誤差大的機(jī)率高。圖 4現(xiàn)場(chǎng)聲波監(jiān)測(cè)示意圖操作步驟：1.測(cè)試前首先用風(fēng)或水對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗, 2.將探頭放入測(cè)孔中, 并接長(zhǎng)水管。3.用氣囊堵塞孔口, 在用氣筒對(duì)氣囊充氣時(shí)用水泵對(duì)測(cè)孔注水。4.當(dāng)測(cè)孔內(nèi)的水充滿時(shí), 即可測(cè)得該點(diǎn)的縱波波速。5.將氣囊放氣, 移出探頭20 cm, 充氣、注水, 進(jìn)行下一點(diǎn)的測(cè)試, 直到完成。1.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果瑞士Mont Terri，法國(guó)Bure地下實(shí)驗(yàn)室，shaoTournemireASPO HRL ZEDEX二期Zedex：震速測(cè)量：BGR迷你聲探（低頻）；包括一個(gè)源，一個(gè)氣動(dòng)錘和兩個(gè)相距10cm每

5、個(gè)均含兩個(gè)壓電接收器。 震速各項(xiàng)異性測(cè)量：在交叉鉆孔處利用兩個(gè)大速記錄鉆孔探測(cè)儀器，以此確定震速各向異性。探測(cè)儀含：1mhz傳感器，傳輸器及一個(gè)接受器。相距10cm1.4注意事項(xiàng)孔內(nèi)需注水耦合，應(yīng)設(shè)專門鉆孔或?qū)⒃撛囼?yàn)放在其他試驗(yàn)之后。由于超聲波測(cè)速需要加水耦合，可考慮采用帶有產(chǎn)生振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)測(cè)速儀器。1.5擬定試驗(yàn)方案A 各個(gè)鉆孔均進(jìn)行波速測(cè)試。B 開挖斷面同一鉆孔開挖前后多次測(cè)試，監(jiān)測(cè)波速變化，了解各部分發(fā)展擾動(dòng)區(qū)隨時(shí)間發(fā)展情況，并與其他監(jiān)測(cè)方式對(duì)應(yīng)。2微震/聲發(fā)射20世紀(jì)50年代Kaiser效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，聲發(fā)射/微震廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、油氣勘探、地?zé)衢_發(fā)、核廢料處置。聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)成為

6、人們研究巖石損傷與斷裂的重要手段。微地震是巖石材料變形、裂紋開裂及擴(kuò)展過(guò)程的伴生現(xiàn)象，它與圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為有著密切的相關(guān)性，因而信號(hào)中包含了大量的關(guān)于圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過(guò)程的有用信息。通過(guò)在采動(dòng)區(qū)頂板和底板內(nèi)布置多組檢波器并實(shí)時(shí)采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，采用震動(dòng)定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來(lái)，以此推斷巖石材料的力學(xué)行為，估測(cè)巖體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微震定位監(jiān)測(cè)具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。這種技術(shù)是在近幾年來(lái)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它為研究覆巖空間破裂形態(tài)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布提供了新的手段。2.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容材料

7、在外界應(yīng)力作用下會(huì)引起微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，在這個(gè)過(guò)程中伴有彈性波或應(yīng)力波的傳播產(chǎn)生聲發(fā)射（Acoustic Emission）。對(duì)于工程巖體，這種波在地質(zhì)上也稱為微地震（Microseismic），能夠在周圍巖體中快速釋放和傳播。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)就是通過(guò)觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響效果以及地下硐室圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)。與地震勘探相反，在微地震監(jiān)測(cè)中，震源位置、發(fā)震時(shí)刻和震源強(qiáng)度都是未知的，確定這些因素是微震監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)。微地震事件發(fā)生在巖體發(fā)生破裂變形的斷面上。當(dāng)巖體原有的應(yīng)力平衡受到生產(chǎn)活動(dòng)干擾時(shí)，巖體中原來(lái)存在的或信產(chǎn)生的裂縫周圍區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集

8、中，應(yīng)變能力增高；當(dāng)外力增加到一定程度時(shí)，原有裂縫的缺陷地區(qū)或新產(chǎn)生的裂縫區(qū)域就會(huì)發(fā)生微觀屈服或破裂變形，裂縫擴(kuò)展，從而使應(yīng)力松弛，儲(chǔ)藏能量的一部分以彈性波的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生微小地震（即微地震）。 任何巖體在宏觀破壞前一般都會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)小微破裂。這些微破裂以彈性能釋放形式產(chǎn)生彈性波，可被安裝在有效范圍內(nèi)的傳感器接收。利用多個(gè)傳感器接收這種彈性波信息，通過(guò)反演方法可以得到巖體微破裂發(fā)生的時(shí)刻、位置和性質(zhì)，即地球物理學(xué)中所謂的“時(shí)空強(qiáng)”三要素。根據(jù)微破裂的大小、集中程度、 破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢(shì)。圖 5微震監(jiān)測(cè)及儀器機(jī)械鑿巖法主要受圍巖應(yīng)力重分布的影響，而鉆爆法除此之外，還

9、存在開挖爆破的爆炸荷載以及巖體應(yīng)力瞬態(tài)卸荷導(dǎo)致的巖體破壞。剪應(yīng)力是產(chǎn)生微震事件的主要原因，微震發(fā)生時(shí)，巖體破裂面剪應(yīng)力產(chǎn)生變化，其變化值稱為震源應(yīng)力降，震源應(yīng)力降大小反映了巖體破裂面剪應(yīng)力的變化狀況，因此，震源應(yīng)力降是預(yù)測(cè)地壓活動(dòng)的。巖體聲波波速是影響定位精度的重要參數(shù)，為此，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體聲波速度測(cè)試。2.2設(shè)備尺寸及使用方法目前國(guó)內(nèi)見報(bào)道的使用的儀器有ARAMIS M/E圖6 監(jiān)測(cè)方式及傳感器材2.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果在ZEDEX試驗(yàn)中，ACEL和SKB運(yùn)用微震系統(tǒng)和聲發(fā)射探測(cè)較為成功地測(cè)量了開挖過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的事件和裂隙位置。聲發(fā)射探測(cè)被應(yīng)用于MONT terri的ED-B試驗(yàn)中，但由

10、于鉆孔條件限制，所獲得數(shù)據(jù)并不理想，只探測(cè)到100個(gè)聲發(fā)射事件。Pettitt在瑞典ASPO研究開挖損傷區(qū)聲發(fā)射和微震活動(dòng)規(guī)律，揭示了開挖應(yīng)力重分布誘導(dǎo)開挖損傷區(qū)形成機(jī)制。加拿大地下實(shí)驗(yàn)室TSX項(xiàng)目中采用微震、聲發(fā)射系統(tǒng)研究了EDZ擴(kuò)展程度并充實(shí)應(yīng)力模型數(shù)據(jù)，該研究中表明微震時(shí)間的頻率顯示了可以通過(guò)對(duì)圍巖施加一定約束來(lái)控制巷道頂部的微裂隙。根據(jù)張鏡劍和傅冰駿對(duì)錦屏 II 級(jí)水電站輔助洞的研究可知，巖爆大多發(fā)生在頂板及拱肩處，且多發(fā)生在距掌子面 612 m 范圍內(nèi)，掌子面開挖后520 h 是巖爆發(fā)生的高峰期。3#引水隧洞 21 試驗(yàn)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，TBM 開挖時(shí)掌子面前方 10 m范圍已有大量聲

11、發(fā)射信號(hào)，表明圍巖已發(fā)生微破裂。因此，其微震監(jiān)測(cè)的主要目的是監(jiān)測(cè) TBM 掘進(jìn)過(guò)程中掌子面前方 30 m 及后方 20 m 范圍內(nèi)圍巖的微破裂活動(dòng)，進(jìn)而評(píng)估巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。首先是傳感器類型的選擇，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)速度型、加速度型及不同靈敏度、不同頻率段的傳感器適用性進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，對(duì)于振動(dòng)噪音較多的TBM 施工隧洞的微震監(jiān)測(cè)，選擇固有頻率為 14 Hz、響應(yīng)范圍為 72 000 Hz、監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)數(shù)百米的速度型傳感器較好。傳感器的耐震、不透水和不銹鋼材質(zhì)能抵擋惡劣的工作環(huán)境。采用能提供在孔或板類裝置上同時(shí)安裝單軸和三軸加速度度型傳感器。目前傳感器在大尺度空間布置中多采用立體空間布置

12、方法，即傳感器在一個(gè)空間內(nèi)均勻布置開來(lái)。利用此種布置方式，使用單軸傳感器亦可實(shí)現(xiàn)空間定位測(cè)試。對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn)講，三向傳感器可以同步采集一個(gè)位置的X、Y、Z 三個(gè)方向的震動(dòng)數(shù)據(jù)，但從精度分析，要略低于采用立體空間布置方式的單向傳感器。對(duì)于 6 通道采集儀而言，采用 6 個(gè)單向傳感器分 2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行布置，對(duì)提高微震監(jiān)測(cè)的精度比采用 2 個(gè)三向傳感器更為合理。Zedex聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方案：四個(gè)鉆孔探空儀，每個(gè)鉆孔內(nèi)5個(gè)超聲換能器（1個(gè)發(fā)送，4個(gè)接收），頻率為40khz-100khz，用于3維聲速測(cè)量，閾值為40db。4臺(tái)電腦控制的4通道示波器。定位精度為100mm2.4注意事項(xiàng)微震監(jiān)測(cè)在巷道開挖監(jiān)測(cè)時(shí)

13、間及空間，對(duì)施工時(shí)間的要求：微震要求監(jiān)測(cè)較大研究范圍，研究擾動(dòng)區(qū)近、遠(yuǎn)場(chǎng)微震發(fā)生的時(shí)間、位置及大小。施工對(duì)監(jiān)測(cè)效果影響較大，對(duì)某循環(huán)一進(jìn)尺爆破后需停工半天監(jiān)測(cè)。微震臺(tái)網(wǎng)最佳布設(shè)方案“最佳D值”(1) 臺(tái)基應(yīng)選擇在無(wú)風(fēng)化、無(wú)破碎夾層、完整大面積出露的基巖上，巖性要致密堅(jiān)硬，如不能滿足以上條件，則需要安裝地點(diǎn)構(gòu)筑水泥平臺(tái)。(2) 臺(tái)站間距越小，定位精度越高，因此在滿足經(jīng)濟(jì)支出能力的同時(shí)，盡可能的增加觀測(cè)站數(shù)目，使觀測(cè)站圍繞震源均勻分布，保證多數(shù)站可以獲得記錄信息，避免定位站數(shù)不足，影響精度和可靠性。(3) 觀測(cè)站布置采用空間立體形式，必須考慮到時(shí)方程組的性質(zhì)，找出監(jiān)測(cè)臺(tái)站最優(yōu)幾何分布，避免出現(xiàn)“病

14、態(tài)”方程，得不到正確的震源位置或使得方程組解發(fā)散。(4) 根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，要使微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)，拾振器的布置要確保當(dāng)前開采區(qū)域和其它重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域處于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的中心，傳感器盡可能接近待測(cè)區(qū)域，避免大斷層及破碎帶的影響，也要遠(yuǎn)離機(jī)械和電氣的干擾等。(5) 既要照顧當(dāng)前開采區(qū)域，又要考慮未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的開采活動(dòng)，盡量利用現(xiàn)有巷道或硐室和礦井風(fēng)流通風(fēng)，測(cè)站硐室要避開開采活動(dòng)影響范圍，以減少施工、通風(fēng)及維修費(fèi)用。傳統(tǒng)微震源定位算法在傳感器布置方案確定時(shí)多強(qiáng)調(diào)要確保微震源位置位于傳感器陣列范圍之內(nèi)，但對(duì)于引水隧洞等隧洞工程，震源發(fā)生位置多在掌子面附近，一般震源多位于傳感器陣列范圍之外，對(duì)此，

15、監(jiān)測(cè)信息(微震事件的監(jiān)測(cè)到時(shí)、波速等)與待求解參數(shù)(震源三維坐標(biāo)、發(fā)震時(shí)間等)組成的方程組的系數(shù)矩陣易形成畸形陣，將會(huì)產(chǎn)生微震源定位算法收斂速度慢(有時(shí)甚至發(fā)散)、微震源定位精度低等問(wèn)題。3鉆孔電視可直觀地了解圍巖宏觀破裂過(guò)程3.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容基于光學(xué)技術(shù)的鉆孔攝像設(shè)備能以照相膠片或視頻圖像的方式直接提供鉆孔孔壁的圖像。全景技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使同時(shí)觀測(cè) 360°鉆孔孔壁成為可能，而數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用則提供了形成、顯示和處理這些圖像的能力圖7鉆孔電視結(jié)構(gòu)全景數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由全景攝像頭、深度測(cè)量輪、鉆孔攝像主機(jī)和計(jì)算機(jī)組成, 此外還包括絞車及專用電纜等。其中，全景攝像探頭內(nèi)部包含有可

16、獲得全景圖像(見圖2) 的截頭錐面反射鏡、探測(cè)照明光源、定位磁性羅盤及微型CCD攝像機(jī)。3.2設(shè)備尺寸及使用方法3.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果Zedex：利用前置彩色攝像機(jī)及隨后掃描相機(jī)（BIPS）提供自然裂隙，充填物、及開孔中的水等。誘發(fā)裂隙不易被記錄。3.4注意事項(xiàng)每個(gè)鉆孔均進(jìn)行鉆孔電視測(cè)量，次序放在聲波測(cè)試之前。4地質(zhì)雷達(dá)（鉆孔雷達(dá)） 分為地質(zhì)雷達(dá)和鉆孔雷達(dá)。20 世紀(jì)興起的物探方法和研制的物探設(shè)備對(duì)隧道安全、快速施工產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，保障了施工的安全性，提高了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)速度和準(zhǔn)度。比較有代表性的物探設(shè)備是TSP 圖8 地質(zhì)雷達(dá)組成及探測(cè)示意圖和地質(zhì)雷達(dá)。TSP(tunnel seismi

17、c prediction) 法基于地震波的反射原理，是利用地震波在不均勻地質(zhì)構(gòu)造中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧道施工前方的地質(zhì)條件和巖石特性變化的一種方法。地質(zhì)雷達(dá)( ground penetrating radar，GPR) 法是一種利用電磁波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生透射、反射的特性來(lái)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。在隧道中，TSP203預(yù)報(bào)有效長(zhǎng)度200300m，SIR3000地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確距離為1525m。雖然地質(zhì)雷達(dá)的預(yù)報(bào)距離相對(duì)較短，但是地質(zhì)雷達(dá)依然是當(dāng)今隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中分辨率最高的物探設(shè)備，而且探測(cè)距離已經(jīng)滿足隧道掘進(jìn)中地質(zhì)探測(cè)要求。地質(zhì)雷達(dá)是目前國(guó)內(nèi)外普遍推崇的一種比較先進(jìn)的物探設(shè)備，它是基于所

18、探介質(zhì)的電性差異對(duì)所探物體內(nèi)部不可見目標(biāo)體或不同介質(zhì)分界面進(jìn)行精確判別并定位的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)組成及探測(cè)示意圖如圖8所示，主要由發(fā)射電路、發(fā)射天線、控制面板、接收天線、接收電路、筆記本電腦及光纜組成。雷達(dá)發(fā)射、接收儀器緊貼所探物體表面(接觸面)，沿預(yù)測(cè)量路線(測(cè)線)逐步移動(dòng)；發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式盡可能無(wú)損的定向耦合到所探物體，經(jīng)存在電性差異的目標(biāo)體或不同介質(zhì)的界面反射后由接收天線接收。由于在介質(zhì)中傳播的電磁波的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度等隨所經(jīng)介質(zhì)的電性、幾何形態(tài)及尺寸的不同而變化，因此反射回波的幅度、形狀及其在縱、橫向的展布特征也隨之變化，筆記本電腦將這些不斷變化的波形信號(hào)數(shù)字化后以

19、圖像的形式記錄存儲(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)研究電磁波的傳播特性對(duì)圖像進(jìn)行解釋便可判別目標(biāo)體形狀及其物理特征。由于松動(dòng)圈是以圍巖產(chǎn)生宏觀裂隙形成的物性交接面為主要分界面，在該界面內(nèi)巖體呈破裂松弛狀，裂隙中充滿空氣或水等雜質(zhì)，界面外的巖體呈完整均一狀。無(wú)論圍巖裂隙內(nèi)填充物是空氣還是水，其與巖體的相對(duì)介電常數(shù)相差都較大，雷達(dá)發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)松動(dòng)圈與非破壞區(qū)的分界面(即完整巖體與空氣或水的分界面)時(shí)必然發(fā)生強(qiáng)烈反射，且在其中呈雜亂無(wú)章狀態(tài)傳播，無(wú)明顯同相軸，于是從收集處理的雷達(dá)探測(cè)剖面圖上即可確定圍巖松動(dòng)范圍，得到松動(dòng)圈厚度值，因此地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的厚度在理論上是科學(xué)可行的。4.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容探地雷達(dá)探測(cè)是

20、利用巖體不同的波阻抗差異形成的分界面對(duì)電磁波反射的原理，對(duì)探測(cè)目標(biāo)成像。該方法能清楚地探測(cè)在探測(cè)前方一定范圍內(nèi)的空洞和周圍巖性的變化。近年來(lái)發(fā)展了更快速和高頻率的天線。具有測(cè)量快速和測(cè)線連續(xù)的特點(diǎn)，尤其適用于結(jié)晶體巖體。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)根據(jù)接收天線收到的回波信號(hào)的振幅、波形和頻率等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征來(lái)分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征。依據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈的形成機(jī)理，松動(dòng)圈實(shí)質(zhì)上就是圍巖中的破碎帶，松動(dòng)圈邊界是破碎帶同完整的彈塑性變形區(qū)的分界線，該界面兩側(cè)的物性差異顯然很大，滿足使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)確定松圈邊界位置的基本物理?xiàng)l件，觀測(cè)雷達(dá)電磁波在松動(dòng)圈范圍內(nèi)外，雷達(dá)電磁波掃描圖有明顯的變化處為有差異性的分界面。在回采

21、巷道圍巖測(cè)試中，使用100 MHz 天線進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)深度。通用的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量方法為剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)，得到該測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間 平距剖面圖像，通過(guò)進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，可得到深度平距正演圖像，進(jìn)而利用地質(zhì)、鉆探資料或其他方法所獲結(jié)果并結(jié)合對(duì)圖像的頻率、振幅、同相軸形狀分析對(duì)圖像進(jìn)行解釋，最終得到地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖4.2設(shè)備尺寸及使用方法SIR3000系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)主機(jī)：*傳感器：適配所有 GSSI和 Radarteam探頭*道數(shù)：?jiǎn)瓮ǖ来鎯?chǔ)器：*內(nèi)存：256Mb閃存卡*微型閃存口：可插接至 1GB工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) CF閃存條（自供）*

22、處理器： 32-Bit IntelStrogArmTMRISC 處理器206MHz*顯示器：強(qiáng)光 8.4英寸 TFT，800X600分辨率，64K彩顯*顯示模式：線掃描，示波器式數(shù)據(jù)采集：*數(shù)據(jù)格式：RADAN (dzt)*掃描率（舉例）：在 256樣點(diǎn)時(shí)為 300線/秒；在 512樣點(diǎn)時(shí)為 150線/秒*樣點(diǎn)字節(jié)：8bit或 16bit (自選)*掃描樣點(diǎn)數(shù)：256，512，1024，2048，4096，8192*操作模式：連續(xù)測(cè)量，測(cè)量輪，點(diǎn)測(cè)*測(cè)量范圍：0- 8000ns（自選）*動(dòng)態(tài)范圍：120d

23、B*增益：手動(dòng)或自動(dòng)，1-5節(jié)點(diǎn)（-20+800dB可調(diào)）*濾波器：垂直濾波器-有限，無(wú)限低通和高通可調(diào)操作：*工作溫度：-10 oC -40oC*交電：15VDC, 4amps*電池：10.8VDC，內(nèi)置式*發(fā)射率：至192khz 機(jī)體：*尺寸：31.5（長(zhǎng)）X 22（寬）X 10.5（高）cm*重量：4.1公斤（包括電池）*環(huán)境：防潮、防塵4.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果錦屏二級(jí)水電站引水隧洞大型原位試驗(yàn)研究（張春生2014）利用地質(zhì)雷達(dá)首先對(duì)隧洞邊壁進(jìn)行了掃描工作，用于判斷前方30-35m內(nèi)的地質(zhì)弱面，確定主要結(jié)構(gòu)面及延展情況，但不能判斷具體傾角。芬蘭Onkalo設(shè)施和韓國(guó)KAERI地

24、下研究巷道中被嘗試用于確定EDZ范圍和貫通程度。但由于在粘土巖中信號(hào)高阻尼系數(shù)，探地雷達(dá)并不適用于粘土巖。采用LTD2100 地質(zhì)雷達(dá)對(duì)云南富邦偏壓隧道進(jìn)行實(shí)測(cè)此次探測(cè)采用中國(guó)電波傳播研究所最新研制的LTD2100 型便攜式地質(zhì)雷達(dá)，LTD2100 地質(zhì)雷達(dá)以數(shù)字化步進(jìn)控制電路為基礎(chǔ)，全數(shù)字化程控時(shí)鐘控制，最小時(shí)間間隔10 ps，最大掃描速率128 Hz。與普通地質(zhì)雷達(dá)不同的是，LTD2100 地質(zhì)雷達(dá)配備11 種不同型號(hào)天線，可滿足多種探測(cè)目的需求。由于此次松動(dòng)圈厚度的測(cè)量要求雷達(dá)探測(cè)范圍相對(duì)較遠(yuǎn)，故選用中心頻率為100 MHz 的平板式天線，最大探測(cè)范圍20 mm，符合圍巖松動(dòng)圈探測(cè)要求。

25、1.    系統(tǒng)增益：160dB；2.    發(fā)射脈沖重復(fù)頻率可達(dá)到128kHz；3.    時(shí)間窗：25000ns，可選；4.    A/D：16位；5.    采樣率：128、256、512、1024或2048樣點(diǎn)/掃描，可選；6.    掃描速率：8128掃描/秒，可選；7.    波形疊加次數(shù)：14096次，可

26、選；8.    水平距離標(biāo)記：手動(dòng)或測(cè)量輪自動(dòng)標(biāo)記；9.    連續(xù)工作時(shí)間：不小于8h。10.   尺寸： 300*210*60mm11.   重量：4kg12.   功耗：20W    電源：12V直流KURT采用鉆孔雷達(dá)：位于平行開挖巷道長(zhǎng)鉆孔，距離斷面5.5m，每次移動(dòng)10m，天線中心頻率100mhz，毎爆破循環(huán)測(cè)量1到3次。ZEDEX采用的鉆孔雷達(dá)：用以探測(cè)裂隙：RAMAC系統(tǒng)，天線：45-50m

27、hz；接收信號(hào)：600mhz，512個(gè)采樣點(diǎn)，發(fā)射和接收器距離為7mZedex巷道雷達(dá)：測(cè)量邊墻、頂?shù)装逄綔y(cè)含水裂隙，GPR系統(tǒng)，兩種天線：0.4m偶極子天線中心頻率350mhz，1.2m偶極子天線中心頻率120mhz；測(cè)點(diǎn)間距為0.1m；分辨率為0.5m。4.4注意事項(xiàng)這兩個(gè)測(cè)試斷面處可見上述部位有水流出，地質(zhì)雷達(dá)在檢測(cè)時(shí)發(fā)出的電磁波遇到含水介質(zhì)時(shí)，受水的作用比較明顯，雷達(dá)波能量損耗較大，電磁波在發(fā)射與接收的過(guò)程中干擾較大，因此在這兩個(gè)測(cè)試斷面測(cè)試結(jié)果有一定的誤差。鑒于此，對(duì)于含水部位松動(dòng)圈探測(cè)應(yīng)該采取聲波法進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槁暡ǚㄌ綔y(cè)時(shí)需要注水進(jìn)行耦合，測(cè)試部位含水更好的起到了耦合作用。5多點(diǎn)

28、位移計(jì)為傳統(tǒng)的巖土力學(xué)測(cè)量方法，側(cè)重于開挖時(shí)產(chǎn)生的位移和應(yīng)力，監(jiān)測(cè)EDZ隨時(shí)間推移而發(fā)生的變化從圖中可以看出：收斂計(jì)和鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)量?jī)?nèi)容和方法雖不相同, 即收斂計(jì)是測(cè)量洞徑或表層兩點(diǎn)間的相對(duì)位移, 鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)是測(cè)量鉆孔深部各測(cè)點(diǎn)相對(duì)孔口的位移。但是, 兩者的測(cè)量原理相同, 也就是說(shuō), 兩者都是在恒定拉力下, 測(cè)量測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)在不同時(shí)刻的相對(duì)距離, 然后, 通過(guò)計(jì)算求出兩測(cè)點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間在不同時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)位移。 5.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容5.2設(shè)備尺寸及使用方法大量的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,隧道在掌子面開挖的短時(shí)間內(nèi)圍巖內(nèi)部便發(fā)生了大部分的彈塑性變形,如果在隧道開挖后再沿掌子面

29、埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)其圍巖內(nèi)變形,難以收到預(yù)期的效果。但是如果采用預(yù)埋式多點(diǎn)位移計(jì),即在開挖抵達(dá)欲測(cè)斷面前就埋設(shè)好多點(diǎn)位移計(jì),不但可以確定松動(dòng)圈形成過(guò)程與掌子面進(jìn)尺變化的關(guān)系,而且還可以監(jiān)測(cè)到開挖前后圍巖內(nèi)不同深度處的位移變形量隨時(shí)間的變化情況。在隧道開挖過(guò)程中,根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移不但可以推測(cè)出測(cè)點(diǎn)位移隨掌子面推移的變化情況,而且更重要的是,多點(diǎn)位移計(jì)徑向各點(diǎn)累積變形隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化幅度不一致,即圍巖內(nèi)部不同的深度受開挖的影響不同,變形情況不一樣,因此可以把圍巖內(nèi)部的變形分成幾個(gè)不同的區(qū)域,并根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)各埋設(shè)點(diǎn)的徑向距離來(lái)確定松動(dòng)圈的范圍。其工作流程如圖1。  BFD

30、WJ型振弦式多點(diǎn)位移計(jì),采用一組振弦式位移傳感器作為量測(cè)頭,廣泛適用于混凝土大壩內(nèi)部、隧洞及巖石開挖、礦井、建筑物基礎(chǔ)及橋墩等變形監(jiān)測(cè)，以及土石壩、邊坡的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)等。 主要技術(shù)參數(shù)： 測(cè)量范圍（mm）：25     50     100    分辨率% F S：0.05 測(cè)溫范圍（）：-2560 測(cè)溫精度（）：±0.1          測(cè)點(diǎn)數(shù)：2

31、6 鉆孔直徑（mm）：100 擴(kuò)孔直徑（mm）：130 BOF-EX 鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)是加拿大Roctest公司生產(chǎn)的一款多點(diǎn)位移計(jì)?？讖剑?biāo)準(zhǔn)）： 76mm測(cè)量模塊數(shù)： 110個(gè)錨塊間最小距離，標(biāo)準(zhǔn)25mm量程傳感器：30cm量程* ： 5到100m精度* ： ±0.1% F.S.分辨率* ： ±0.01% F.S.操作溫度* ： 40 to +80°C5.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果Kurt：失敗：兩個(gè)傾鉆孔設(shè)置位移計(jì)，被爆破震動(dòng)破壞，鉆孔長(zhǎng)度10m，注意采用防爆儀器。Zedex：確定巷道周邊環(huán)向位移。TBM為開挖后布置；鉆爆法為開挖前布置。，每個(gè)多

32、點(diǎn)位移計(jì)有7個(gè)錨固點(diǎn)，量程為+10mm，精度為0.2mm5.4注意事項(xiàng) 某些多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔需要灌漿及封堵。6速度、加速度傳感器6.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容用以監(jiān)測(cè)開挖過(guò)程中放射到圍巖總的震動(dòng)能量。監(jiān)測(cè)開完面前后震動(dòng)不同特點(diǎn)（振幅、大小、評(píng)價(jià)能量）6.2設(shè)備尺寸及使用方法6.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果ZEDEX:鉆孔內(nèi)四個(gè)三軸傳感器，每個(gè)間隔3m，根據(jù)不同的敏感度設(shè)置速度或加速度傳感器。震動(dòng)加速度/速度測(cè)量評(píng)價(jià)開挖過(guò)程能量釋放。6.4注意事項(xiàng)注意在鉆爆法開挖可能出現(xiàn)震速及加速度超過(guò)量程，設(shè)計(jì)前先進(jìn)行數(shù)值模擬合理選用儀器。7圍巖接觸壓力計(jì)圍巖壓力：將圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的全部作用稱為圍巖壓力。按成因分為：形變壓力、松動(dòng)壓力、沖擊壓力和膨脹壓力。7.1原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容7.2設(shè)備尺寸及使用方法常用監(jiān)測(cè)儀器有：振鉉式孔內(nèi)巖石應(yīng)力計(jì)、空心包體圍巖應(yīng)力計(jì)。7.3具體應(yīng)用實(shí)例及效果7.4注意事項(xiàng)8針對(duì)地質(zhì)特征其他方法裸露巖層裂隙繪制和計(jì)數(shù)對(duì)描述開挖損傷非常有效且成本較低，在新開挖側(cè)壁進(jìn)行記錄：裂隙頻率、產(chǎn)狀等。并鉆取巖心進(jìn)行比較，繪制人工裂隙地質(zhì)圖。切片染色測(cè)繪被用到EDZ特征識(shí)別研究中。SKB完成的TASS巷道損傷監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。樹脂填充套孔法運(yùn)用于Mont Terri，測(cè)量開挖區(qū)損傷裂紋。在已開挖段墻壁上先鉆小直徑注射孔，注射摻有熒光劑的環(huán)氧樹脂滲