第7章地下工程監測和監控1監測的目的與意義地下工程是修建在具有原巖應力場、由巖土和各種結構面組合的天然巖土體中的建筑物，是靠圍巖和支護的共同作用保持其穩定性的。因此，工程的安全在很大程度上取決于圍巖本身的力學特性及自穩能力，取決于其支護后的綜合特性由于地下工程是埋藏在地下一定深處，而這種天然地質體材料中存在著節理裂隙、應力和地下水，因此，地下工程的興建比地面工程復雜得多。特別是在地下工程開挖之前，其地質條件、巖體形態不易掌握，力學參數難于確定，人們不得不借助現場監測，獲取建筑物性狀變化的實際信息，并及時反饋到設計和施工中去，直接為工程服務地下工程監測的目的（1）監視地層、支護與結構的應力和變形情況，驗證支護系統的設計穩定性（2）保障監控變形在允許范圍之內，保障地層穩定和施工安全（3）通過量測數據的分析處理，掌握各種數據的變化規律，提供地層和支護系統襯砌最終穩定的信息（4）積累量測數據，為今后的設計與施工提供工程類比的依據水利：引水和泄洪隧洞、地下廠房、調壓室（井）、引水長隧洞、地下泵站等采礦：豎井、斜井、斜坡道、平巷、采場交通：鐵路隧洞、地下車站、公路隧洞等軍備：防空洞、地下軍備庫、發射井等民用：地下商場、地鐵、倉庫等地下工程類型

監控量測實施流程監測與工程施工關系協調修改或繼續按設計要求施工判斷數據采集、分析監控量測測點安裝編制監測方案現場調查，收集基本資料監測的核心作用模型和參數選擇力學計算修改參數、模型反分析設計施工監測竣工地質調查室內試驗圍巖分類經驗類比專家系統(1)前期監測：1)利用勘探平洞進行。隨勘探洞的開挖巖體的力學參數，建立計算模型。或進行位移、應力及聲波等量測

2)利用原位模型試驗洞，進行系統的位移、應力、圍巖松動范圍及聲波量測，反演巖體力學參數，建立計算模型，為地下洞室穩定性研究、支護設計提供依據。

(2)施工期監測隨施工的進展，對圍巖和支護進行位移、應力、應變、裂縫開合、地下水、爆破影響和環境等監測，并及時反饋，以保證施工安全和修改設計、指導施工。(3)運行期監測對圍巖及支護進行現場監測，監測結構構件的安全、檢驗設計的正確性以及為地下工程技術研究積累資料。地下工程監測的階段地下工程監測的內容與項目（1）現場觀測掌子面附近的圍巖穩定性、圍巖構造情況、支護變形與穩定情況及校核圍巖分類（2）巖體力學參數測試抗壓強度、變形模量、黏聚力、內摩擦角、泊松比（3）應力應變測試巖體原巖應力、圍巖應力、應變、支護結構的應力、應變及圍巖與支護間的接觸應力（4）壓力測試支撐上的圍巖壓力和滲水壓力（5）位移測試圍巖位移、支護結構位移及圍巖與支護傾斜度（6）溫度測試巖體溫度、洞內溫度及氣溫（7）物理探測彈性波（聲波）測試和視電阻率測試圍巖松動范圍監測孔布置圖(根據北京十三陵蓄能電站廠房觀測)2圍巖壓力量測2.1圍巖應力應變量測2.1.1測試原理在開挖前進行鉆孔或在開挖后在洞室內緊跟掌子面鉆孔，在孔中按要求埋設各種類型的應力計、應變計，對圍巖應力、應變進行觀測，能夠及時、較好的掌握圍巖內部的受力與變形狀態，進而判定圍巖的穩定性。2.1.2測試手段（1）圍巖應力應變測試1）鋼弦式應變計2）差動式電阻應變計3）電阻片測桿（2）接觸應力量測

通常指圍巖與支護或噴層與現澆混凝土間的接觸應力的測試。

鋼弦式壓力盒、變磁阻調頻式土壓力傳感器、格魯茨爾壓力盒。2.2支護的應力應變量測2.2.1錨桿軸力量測目的在于掌握錨桿實際工作狀態，結合位移量測，修正錨桿的設計參數。機械式和電阻應變片式2.2.2鋼支撐壓力量測測力計液壓式測力計液壓盒油壓枕應變式鋼弦式差動變壓式差動電阻式2.2.3襯砌應力量測目的在于研究復雜工作條件下的地壓問題，檢驗設計、積累資料和指導施工，襯砌應力量測是壓力量測。（1）壓力盒的類型（2）壓力盒的布置與埋設埋設壓力盒的要求：接觸緊密和平穩，防止滑移，不損傷壓力盒及引線，且需在上面蓋一塊厚6-8mm、直徑與壓力盒直徑大小相等的鐵板。2.3壓力測量儀器（1）液壓枕

液壓枕埋設（2）錨桿應力

3位移量測位移量測是最有意義和最常用的量測項位移量測穩定可靠、簡便經濟、測試成果可直接用于指導施工、驗證設計以及評價圍巖與支護的穩定性3.1凈空相對位移測試收斂：洞室內壁面兩點連線方向的位移之和；收斂量測：收斂值為兩次量測的距離之差。測試裝置的基本構成：壁面測點、測尺、測試儀器、連接部分。工程中常用的收斂測試手段：（1）位移測桿（2）凈空變化測定計（收斂計）：單向重錘式、萬向彈簧式、萬向應力環式凈空相對位移計算測尺為普通鋼尺時，進行溫度修正。當需要換測試鋼尺孔位時，為消除鉆孔間距的誤差。若變形速率高，量測間隔期間變形量超過儀表量程。3.2位移監測意義:判斷洞室圍巖的松弛范圍,為錨桿支護參數提供重要依據原理:參照點與測點之間相對位移參照點測點（1）單點位移計AB點間的相對位移AB

位移監測儀器（2）并聯式多點位移計

（3）串聯式多點位移計

（4）滑動式位移計

位移計的優缺點種類優點缺點單點位移計構造簡單，可以在開挖面附近布置一個孔內只能測一個點多點位移計測量方便測試費用高，測點少滑動式位移計費用低，測點多孔較深時測量不方便（5）收斂計收斂測量的意義:判斷圍巖的穩定性收斂測點布置注意的問題:

A測點布置在隱蔽處,清理松動巖石B孔口最好設保護裝置重錘式收斂計彈簧張力式收斂計扭矩平衡式（2）收斂計優缺點種類優點缺點重錘式收斂計構造簡單，造價低，操作方便精度不高,不易攜帶彈簧張力式收斂計扭距平衡式收斂計機械化程度高,精度高成本高種類優點缺點鋼卷尺式收斂計操作方便精度不高,受溫度變化影響大鋼絲式收斂計受溫度影響小,精度高操作不便,不易保護3.3拱頂下沉量測拱頂下沉量值：隧道拱頂內壁的絕對下沉量。拱頂下沉速度：單位時間內拱頂下沉值3.3.1量測方法對于淺埋隧道，用撓度計或其他儀表測定拱頂相對于地面不動點的位移值對于深埋隧道，用拱頂變位計3.3.2量測儀器隧道拱頂變位觀測計3.4地表下沉量測為了判定地下工程對地面建筑物的影響程度和范圍，并掌握地表沉降規律，為分析洞室開挖對圍巖力學形態的擾動程度提供信息3.5圍巖內部位移量測洞室開挖引起圍巖的應力變化與相應的變形，距臨空面不同深度處各不相同。圍巖內部位移的量測，能較好的反映出圍巖受力的穩定狀態、巖體擾動與松動范圍3.5.1測試原理埋設在鉆孔內的各測點與鉆孔壁緊密連接，巖層移動時能帶動測點一起移動。3.5.2量測裝置的基本構成（1）錨固部分：楔縫式、漲殼式、支撐式、壓縮木式、樹脂或砂漿澆注式及全孔灌注式等；（2）傳遞部分：直桿式、鋼帶式、鋼絲式；3.5.3工程中常用的測試儀器（1）機械式位移計：單點機械式位移計、機械式兩點位移計、多點機械式位移計。（2）電測式位移計：電感式位移計、差動式位移計、電阻式位移計。4

現場量測方案設計4.1量測項目的確定地層基本參數巖體強度巖體應力巖體彈模、變形模量巖體分類、完整性結構基本參數襯砌厚度、混凝土強度噴混凝土與巖體的粘結力錨固力砂漿灌滿性地層結構的基本參數混凝土、鋼筋的內應力或內應變隧洞、支護結構的收斂位移圍巖松弛帶支護結構與圍巖的接觸應力外界影響因素地表沉降4.2測試手段和儀表選擇精度范圍0.0025mm0.025mm0.25mm2.5mm靈敏度0.0025～0.010.025～0.10.25～1.02.5～10典型用途現場巖石試驗或小變形堅硬巖石的隧洞和淺基大洞室或開挖位移量較大量程5～2525～5050～80250重調范圍201503001000位移計的選擇4.3量測部位的確定和測點的布置（1）量測部位的確定圍巖質量差和不穩定塊體；代表性地段；特殊部位。洞周收斂位移、拱頂下沉、多點位移計和地表沉降測點應盡量在同一斷面上。一般的鐵路和公路隧道中，根據圍巖分類位移量測斷面間距為：Ⅱ類5～20m；Ⅲ類20～40m；Ⅳ類40m以上。（2）測點的布置形式-收斂計

（3）測點的布置形式-位移計

(4)觀測及其頻度位移速度(mm/d)151~150.5~10.2~0.5<0.2觀測間隔(d)0.5～112715(5)量測數據的警戒值及圍巖穩定性判斷標準容許位移量保證隧洞不產生有害松動和保證地表不產生有害下沉量的條件下，自隧洞開挖起到變形穩定為止，在起拱線位置的隧洞壁面間水平位移總量的最大容許值巖體條件隧洞埋深斷面尺寸地表建筑物隧洞周邊允許相對位移值

錨桿噴射混凝土支護技術規范GB50086-2001隧洞埋深（m）<5050～300300～500圍巖類別Ⅲ0.1～0.30.2～0.50.4～1.2Ⅳ0.15～0.50