巖石地下工程4

§6-5巖石地下工程的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)意義保證工程設(shè)計(jì)、施工科學(xué)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(cè)作為施工過程中的重要原則）監(jiān)測(cè)特點(diǎn)（1）時(shí)效性巖石工程的服務(wù)年限一般都較長(zhǎng)，巖石具有流變特性，因此，測(cè)試設(shè)備應(yīng)保持長(zhǎng)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(cè)信息的時(shí)空要求。現(xiàn)代大型巖石工程監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化已日益顯示其必要性與可能性，在監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備微型化并盡可能地隱蔽，減少對(duì)施工的干擾，并避免施工對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的損壞。監(jiān)測(cè)對(duì)象可表征地壓活動(dòng)的物理量、自然現(xiàn)象。6.5.1巖體變形與位移的監(jiān)測(cè)

6.5.2.1圍巖表面位移的測(cè)量

1）裂隙位移的人工觀測(cè)依據(jù)巖體的破壞過程中，有裂隙的擴(kuò)展或新裂隙生成，或是沿原結(jié)構(gòu)面張開滑動(dòng)（觀察這些縫隙的發(fā)展過程，可圈定地壓活動(dòng)的范圍，判斷其發(fā)展趨勢(shì)）。觀測(cè)點(diǎn)選擇在地壓活動(dòng)地段易于發(fā)生移動(dòng)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(gè)測(cè)點(diǎn)，定期測(cè)量三個(gè)點(diǎn)之間的距離，用三角形關(guān)系測(cè)定裂縫的發(fā)展速度和移動(dòng)趨勢(shì).

2）圍巖表面位移的儀表觀測(cè)儀器用收斂計(jì)、測(cè)桿、測(cè)槍、滑尺等，其中收斂計(jì)是測(cè)量精度相對(duì)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(cè)點(diǎn)；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(diǎn)趨向中心的變形稱為收斂。用收斂計(jì)測(cè)量可以確定地下工程相對(duì)兩個(gè)壁面上兩點(diǎn)間的相對(duì)位移（圖6－21），假設(shè)中心點(diǎn)相對(duì)不動(dòng)，獲得單面相對(duì)位移。通過兩次測(cè)量比較，就可以獲得巖壁的收斂變形（兩點(diǎn)問的相對(duì)變形）大小量、變形速度等規(guī)律。3）圍巖表面位移監(jiān)測(cè)預(yù)警方法預(yù)警圍巖（主要是頂板）冒落的危險(xiǎn)性。圍巖表面位移監(jiān)測(cè)預(yù)警按極限位移值與極限位移速度值預(yù)報(bào)。極限位移值預(yù)報(bào)：當(dāng)圍巖表面位移達(dá)到極限位移值時(shí)立即預(yù)警。（具體操縱：報(bào)警器預(yù)先調(diào)定極限位移值，把報(bào)警器固定在測(cè)孔內(nèi)，當(dāng)位移到達(dá)此值時(shí)，發(fā)射無線電磁波信號(hào)，接收機(jī)接此信號(hào)后發(fā)出預(yù)警信號(hào)。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(bào)：圍巖頂板位移下沉速度達(dá)到設(shè)定的極限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警（該法運(yùn)用原理：圍巖的位移使頂板下沉，速度報(bào)警儀的齒輪機(jī)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(hào)，該信號(hào)的頻率反映了圍巖頂板下沉的速度，當(dāng)此速度達(dá)到極限值時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警）。

6.4.2.2圍巖內(nèi)部位移的測(cè)量

目的：了解圍巖體內(nèi)部位移、破裂情況。測(cè)量工具：鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量原理：在鉆孔巖壁的不同深度位置固定若于個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別用連接件連接到孔口，在孔口測(cè)量到連接件隨測(cè)點(diǎn)移動(dòng)所發(fā)生的移動(dòng)量。在孔口的巖壁上設(shè)立一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)板，測(cè)量（足夠精度的測(cè)量?jī)x器）基準(zhǔn)板到連接件外端的距離，孔壁某點(diǎn)連接件的兩次測(cè)量差值；就是該時(shí)間段內(nèi)該測(cè)點(diǎn)到孔口的深度范圍巖體的相對(duì)位移值，通過不同深度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的相對(duì)位移量的比較，可確定圍巖不同深度各點(diǎn)之間的相對(duì)位移以及各點(diǎn)相對(duì)位移量隨巖層深度的變化關(guān)系。如孔中最深的測(cè)點(diǎn)相對(duì)較深，認(rèn)為該點(diǎn)是在影響圈以外的不動(dòng)點(diǎn)，就能計(jì)算出孔內(nèi)其它各點(diǎn)（含巖壁面）的絕對(duì)位移量。不同位移計(jì)

6.4.2.3圍巖松動(dòng)圈的彈性波測(cè)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(jiān)硬的巖體；裂隙不發(fā)育和風(fēng)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(qiáng)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(cè)試儀器聲波儀，主要部件是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)向聲波測(cè)試探頭輸出電脈沖，接收機(jī)探頭將所抬得的微量訊號(hào)放大，在示波器上反映出來，并能直接測(cè)得從發(fā)射到接收的時(shí)間間隙。換能器即聲波測(cè)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?hào)輸入接收機(jī)。

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(jìn)行聲波測(cè)試時(shí)，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(dòng)圈測(cè)定6.4.2.4圍巖破壞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)依據(jù)：巖體開挖引起應(yīng)力重分布，使巖體變形，當(dāng)巖體內(nèi)部積累的變形能釋放時(shí)，應(yīng)力波同時(shí)向外傳播，形成聲發(fā)射信號(hào)。巖體破壞前，發(fā)射信號(hào)急劇增加，因此通過對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，可以預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定性。常用來預(yù)報(bào)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(cè)儀前置放大器聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射檢測(cè)儀信號(hào)采集軟件

武山銅礦大理石巖體聲發(fā)射試驗(yàn)（I）聲發(fā)射信號(hào)稀少；（Ⅱ）活動(dòng)期：聲發(fā)射頻度逐漸達(dá)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(shí)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(bào)巖體失穩(wěn)留出了時(shí)間；初始階段低頻信號(hào)占主導(dǎo)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(hào)衰減特征：能率（單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)釋放能量的累計(jì)值）衰減最快，大事件（單位時(shí)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(shí)間內(nèi)振幅達(dá)到一定量級(jí)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(biāo)，結(jié)合大事件及能率綜合分析，即可監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)圍巖的穩(wěn)定性。6.4.3圍巖應(yīng)力與支架應(yīng)力監(jiān)測(cè)用光彈應(yīng)力計(jì)來測(cè)量圍巖應(yīng)力的變化。光彈應(yīng)力計(jì)的原理：具有反射層的玻璃中空扁圓柱體（光彈片），使用時(shí)將其粘結(jié)在（孔中）巖壁上，當(dāng)巖體應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)光彈片處于受力狀態(tài)，用反射式光彈儀可觀測(cè)到光彈片上的等差條紋，把它與經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)條紋進(jìn)行比較，確定應(yīng)力變化的比值與方向，再經(jīng)過有關(guān)測(cè)定與計(jì)算，即可得出巖體應(yīng)力。當(dāng)光入射到兩種不同折射率的物質(zhì)界面上時(shí)，發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。由于導(dǎo)光介質(zhì)對(duì)光的吸收，通常光線在傳輸過程中會(huì)很快衰減。光纖對(duì)光信號(hào)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(dāng)入射角滿足一定條件時(shí)，光在界面上將發(fā)生全反射而不會(huì)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(shí)，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(jìn)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(cè)力計(jì)信號(hào)的原理：用光纖向鋼弦照射入射光，鋼弦振動(dòng)時(shí)，接收到的反射光為脈沖式的，由接收光纖傳輸?shù)焦饷}沖計(jì)數(shù)器計(jì)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?，在纖芯折射率不匹配或不連續(xù)等情況下會(huì)產(chǎn)生