地下工程巷道監(jiān)測技術(shù)研究

曹立志，郭 賽

（河北省晉州市久洲建筑工程有限公司，河北 晉州 052260）

0 引言

地下工程區(qū)別于其他工程，受地質(zhì)環(huán)境、現(xiàn)有的技術(shù)、工程的投資目標、工期等等因素的限制，在揭露地質(zhì)體前，不可能將地質(zhì)條件了解得很清楚。利用監(jiān)測技術(shù)測量的各種功能的測量工具來獲得在開挖后圍巖的周邊收斂、拱頂下沉、錨桿內(nèi)力、內(nèi)部位移等信息。通過監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)可以預(yù)測未開挖部分的圍巖變形等，在條件和允許下，可以確定圍巖的應(yīng)力松動圈的范圍，反映許多不可知因素。多年來國內(nèi)外一直通過地下工程圍巖的監(jiān)控量測來監(jiān)視圍巖變形和支護的穩(wěn)定性，具有不可忽視的作用和重要意義。新奧法施工是需要觀察其變形量來決定施工的情況，尤其是在新奧法應(yīng)用比較廣泛的今天，量控監(jiān)測的重要程度不言而喻。

1 地下工程巷道現(xiàn)場監(jiān)測方法

地下工程巷道中的監(jiān)測方法和很多因素有關(guān)，如工程地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、工程的重要程度、使用的年限和技術(shù)先進程度等等。但是有的項目很重要，在監(jiān)測中是必測的。必測項目是新奧法隧道施工中必須進行的常規(guī)量測項目，是保證圍巖穩(wěn)定、選取初期支護時機、指導(dǎo)現(xiàn)場施工、判斷圍巖支護體系工作狀態(tài)的經(jīng)常性量測。其包括洞內(nèi)觀測、拱頂下沉與水平收斂、地表沉降量測。而在實際量測工作中，為深入地了解和認識地下工程的情況，也常常選取具有代表一般圍巖段落進行選測項目的量測。選測項目量測是信息化施工的重要組成部分，一般包括：鋼支撐內(nèi)力、圍巖內(nèi)部位移、圍巖壓力、兩層支護間壓力、錨桿軸力等項目量測。針對危及洞室穩(wěn)定的關(guān)鍵性和控制性因素確定監(jiān)測項目。長期觀測項目應(yīng)能較全面反映洞室整體穩(wěn)定情況，力求少而精。埋設(shè)儀器位置應(yīng)選擇能反映出預(yù)測的施工和運行情況，特別是關(guān)鍵部位和關(guān)鍵施工階段的情況。監(jiān)測施工和運行的觀測，考慮典型區(qū)段巖體或結(jié)構(gòu)形態(tài)變化最大的部位，應(yīng)選擇條件最不利的部位?？紤]到巖體和結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜性，可能發(fā)生的誤差和個別儀器的損壞等情況，為獲取正確的監(jiān)測結(jié)果，對重要斷面或測點，儀器布置宜適當?shù)闹貜?fù)和平行觀測。監(jiān)控量測工作流程圖見圖1。

2 地下工程巷道現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容

2.1 洞內(nèi)觀測

洞內(nèi)觀測主要是在開挖中及時對掌子面、巷道毛洞洞壁一周圍巖的巖石性質(zhì)、節(jié)理的發(fā)育狀況、層理延伸走向，整個巖體完整性、破碎程度、地下水發(fā)育情況以及洞內(nèi)支護做以詳細觀察、分析、提供原始資料。觀測主要包括：巖塊的主要礦物成分、產(chǎn)狀、顏色、構(gòu)造、地質(zhì)年代等，巖體的完整、破碎程度，整個巖體強度以及在隧道開挖后的穩(wěn)定情況等。地質(zhì)構(gòu)造情況：斷層走向、規(guī)模、寬度、充填物的發(fā)育情況、溶洞位置規(guī)模等。地下水發(fā)育情況：發(fā)育位置、地下水的類型、以及對掌子面附近施工影響程度等。繪制掌子面地質(zhì)素描圖：根據(jù)隧道施工現(xiàn)場掌子面觀測情況，按一定間距繪制掌子面地質(zhì)素描圖。在現(xiàn)場實際操作中，一般在掌子面爆破、通風、除渣、施工排險以后進行洞內(nèi)觀測，并及時記錄觀測結(jié)果與采集掌子面照片等數(shù)據(jù)資料。

圖1 監(jiān)控量測作業(yè)流程圖

2.2 圍巖收斂與拱頂下沉

地下工程開挖后，圍巖周邊收斂和拱頂下沉是反映圍巖本身及圍巖與支護系統(tǒng)力學性態(tài)的最直接、最明顯、最準確的物理量。圍巖的周邊收斂與拱頂下沉數(shù)據(jù)可以判斷地向工程巷道的穩(wěn)定情況，根據(jù)圍巖的變形速率分析支護的安全問題及支護時間的問題。周邊收斂間距使用數(shù)字鋼尺收斂計進行監(jiān)測。圍巖的下沉量使用高精度水準儀進行監(jiān)測。圖2為數(shù)字鋼尺收斂計和高精度水準儀。

圖2 數(shù)字鋼尺收斂計和高精度水準儀

周邊收斂測量：首先，將百分表讀數(shù)調(diào)至2.5～3.0cm，并將收斂計鋼尺掛鉤掛在測點上，收緊鋼尺，將銷釘插入鋼尺上適當?shù)男】變?nèi)，用卡鉤將其固定；接著，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺母直到觀測窗中線條與面板成一直線為止，讀取觀測窗和鋼尺讀數(shù)，兩者相加即為測點間距離；然后，將每條測線前后兩次測線距離相減即可算出各測點間相對位移，最后，松開調(diào)節(jié)螺母，退出卡鉤，將鋼尺取下，擦凈收好。

拱頂下沉測量：首先選擇合適位置將水準儀對中整平，將銦鋼尺底端輕輕放在一點上，并將銦鋼尺上的氣泡居中，確保尺子的垂直；然后，通過水準儀后視銦鋼尺記下讀數(shù)為H1，再前視拱頂處的鋼卷尺記下讀數(shù)為H2，若后視點的高程為H0，則前視測點本次測得高程為H1－H2＋H0。兩次不同測試的拱頂高程差即為兩次間隔時間內(nèi)的拱頂下沉，并及時準備記錄數(shù)據(jù)。

2.3 圍巖內(nèi)部位移

圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測對于掌握地下洞室群整體穩(wěn)定性具有不可替代的作用，測的是洞壁到圍巖內(nèi)部某點的相對變形。通過對圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測可以：（1）確定圍巖位移隨深度變化的關(guān)系；（2）確定圍巖變形范圍，研究支護與圍巖相互作用；（3）判斷開挖后圍巖的松動區(qū)范圍，優(yōu)化錨固設(shè)計參數(shù)；（4）判斷錨桿長度是否合理

多點位移計是由3個到6個位移計組成，可以測量結(jié)構(gòu)物深層多部位的位移、沉降、應(yīng)變、滑移等，也可測鉆孔位置的溫度，其主要應(yīng)用于測量巖體內(nèi)部不同部位的相對變形量。使用多點位移計進行圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測。適合測0～20mm 之間的微小變形。圖3為多點位移計實景照片。

圖3 多點位移計

安裝測量方法：多點位移計安裝如圖4 所示。多點位移計鉆孔孔徑不小于90mm，孔口0.5m 段直徑不小于Φ130mm（根據(jù)套筒直徑確定），鉆孔深度比最深錨頭深0.5m。鉆孔結(jié)束后沖洗干凈，檢查鉆孔通暢情況，測量鉆孔深度、方位、傾角。記錄鉆進深度，對巖芯進行描述，繪出鉆孔巖芯柱狀圖。或采用鉆孔電視替代鉆孔取芯，了解圍巖地質(zhì)情況，以便確定錨頭位置。

圖4 多點位移計安裝示意圖

圍巖內(nèi)部位移采用以下方式計算：以圍巖基準面為表面基準，測量出圍巖內(nèi)部各測點到表面基準的距離，同一測點在不同時刻量測得到的距離差值即為該點在此時間內(nèi)圍巖表面與圍巖內(nèi)部測點之間的相對位移。

2.4 錨桿軸力

通過錨桿的內(nèi)力測定，來反應(yīng)錨桿的受力狀態(tài)，進而對其設(shè)計進行合理的調(diào)整或采取相應(yīng)的補救措施。

為了掌握錨桿工作狀態(tài)和錨固效果，了解錨桿與周邊圍巖之間的相互作用和錨桿軸向的分力大小和變化，進行了錨桿應(yīng)力監(jiān)測。通常工程中采用振弦式錨桿應(yīng)力計對錨桿應(yīng)力進行監(jiān)測，振弦式錨桿應(yīng)力計適用于監(jiān)測混凝土、鋼筋和錨桿的應(yīng)力變化。它具有很高的精度、靈敏度，很好的防水性能和長期穩(wěn)定性。內(nèi)置溫度傳感器可同時監(jiān)測安裝位置的溫度。使用振弦式錨桿應(yīng)力計進行監(jiān)測，錨桿應(yīng)力計分辨率為0.07%F.S.。圖5為錨桿應(yīng)力計實物圖和現(xiàn)場操作圖。

錨桿軸力計安裝如圖6所示，安裝完畢后，用頻率計測定錨桿應(yīng)力計讀數(shù)作為初值；監(jiān)測時用頻率計測定錨桿應(yīng)力計讀數(shù)，根據(jù)儀器標定公式換算得到錨桿應(yīng)力值。

圖5 錨桿應(yīng)力計和現(xiàn)場操作圖

圖6 錨桿軸力計安裝示意圖

2.5 監(jiān)測頻率

在監(jiān)測中，監(jiān)測的數(shù)據(jù)是監(jiān)測的核心，但是監(jiān)測頻率也不是越多越好。監(jiān)測頻率越高對數(shù)據(jù)的準確性越有保證，但是這樣就會對數(shù)據(jù)的處理帶來很多麻煩且監(jiān)測的成本也大大的提高。監(jiān)測頻率低對數(shù)據(jù)的影響很大，失去監(jiān)測的意義。因此在具體工程操作中，每個監(jiān)測項目監(jiān)測點的頻率不應(yīng)少于規(guī)范的要求，但是在連續(xù)5次以上相鄰2次數(shù)據(jù)變化很小，可以適當?shù)臏p少監(jiān)測的次數(shù)，在數(shù)據(jù)變化大的情況下，應(yīng)該增加監(jiān)測的次數(shù)，以保證工程的安全施工。具體的頻率如表1監(jiān)控量測監(jiān)測頻率。

表1 監(jiān)控量測監(jiān)測頻率

3 結(jié)語

在復(fù)雜的地質(zhì)巖體中，沒有哪種方法能完全獲得地下巖體的實際情況的，勘察中的方法，如鉆探物探等都是通過不同的手段來收集片面的信息，進而推測地下巖體的情況。在施工過程中，應(yīng)該建立完整的監(jiān)測方案和圍巖失穩(wěn)預(yù)警機制，來監(jiān)測巷道的變形趨勢，并及時對其穩(wěn)定性和安全性做出評估和預(yù)警，及時提拱監(jiān)測信息，通過監(jiān)測的信息來決定方案的實施或更改等。

［1］ 夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監(jiān)測技術(shù)［M］.上海：同濟大學出版社，1999.

［2］ 徐志英.巖石力學［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［3］ 喻偉.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］.中國科技信息，2011（20）：1982－1990.