巷道收斂觀測技術(shù)的發(fā)展與展望

潘家旭

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

巖石力學(xué)是近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科[1]，應(yīng)用范圍涉及采礦與其它巖土工程相關(guān)領(lǐng)域。其中，巷道工程作為最常見地下工程之一，其開挖過程引起圍巖力學(xué)形態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致工程失穩(wěn)破壞，工程失去建設(shè)意義[2]。因此，對巷道收斂及穩(wěn)定監(jiān)測研究具有非常實(shí)際的意義。

為掌握正在施工或運(yùn)營中的巷道圍巖力學(xué)形態(tài)變化，采用各種儀器對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量測，以評價(jià)工程穩(wěn)定性。其中，巷道圍巖收斂觀測是最常用的一種手段[3]。通過對巷道進(jìn)行收斂觀測，可指導(dǎo)巷道工程的開挖施工，為工程提供可靠的安全保障；同時(shí)，可將收斂觀測數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)施工方案中，以便及時(shí)優(yōu)化開挖方案和采取措施，確保施工安全和使用時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 收斂觀測的特點(diǎn)與時(shí)空要求

(1) 時(shí)效性。巷道等地下工程的服務(wù)年限一般都較長，同時(shí)由于巖石發(fā)生流變、風(fēng)化現(xiàn)象等，測試設(shè)備要求保持長期有效，因?qū)ο锏赖氖諗坑^測工作目標(biāo)主要是為巷道開挖期間以及運(yùn)行過程中的施工安全、以及永久支護(hù)等工作服務(wù)，所以對圍巖的觀測一般要求在較長時(shí)期進(jìn)行，并且要求及時(shí)把收斂觀測數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行部門，其時(shí)效性要求高。

(2) 環(huán)境復(fù)雜。由于地下工程條件一般來說相當(dāng)惡劣，經(jīng)常在非常潮濕等復(fù)雜的環(huán)境下，且大部分有酸性較強(qiáng)的地下水，工程爆破產(chǎn)生的粉塵、沖擊波等，都會對測量設(shè)備造成損壞，因此要求設(shè)備防潮、防電磁干擾，甚至要求具有防爆等性能。

(3) 監(jiān)測信息的時(shí)空要求。在大型地下工程中，巷道圍巖收斂量的觀測要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，以全面地觀測圍巖各巷道的收斂量。在觀測信息的處理量和反饋速度上的要求也日漸提高。

(4) 空間制約。由于地下空間有限，在某些巷道中，大型機(jī)械難以通行，同時(shí)，對圍巖收斂的觀測工作既要盡量減少對施工的干擾，又要避免施工過程中對設(shè)備的損壞，在空間上受約束，因此要求觀測設(shè)備微型化，以便于拆裝和運(yùn)輸。

2 近年發(fā)展的巷道收斂觀測技術(shù)

根據(jù)上述技術(shù)特點(diǎn)要求，觀測技術(shù)經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)。借鑒現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用的突破，近年來巷道收斂觀測技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。在最新發(fā)展的觀測技術(shù)中，按照觀測儀器與對巷道圍巖的空間位置關(guān)系，將觀測方法分為接觸式和非接觸式兩種[4-6]。

2.1 接觸式觀測方法

主要有“收斂計(jì)測量法”和“巴賽特收斂系統(tǒng)測量法”等。

(1) 收斂計(jì)測量法[7]。收斂計(jì)測量法是收斂觀測的傳統(tǒng)方法。收斂計(jì)由測力鋼環(huán)、測力卷尺和測微計(jì)及球形連接頭構(gòu)成。測量時(shí)，在測設(shè)點(diǎn)斷面巷道開挖1～2 d后沿巷道周邊、拱頂、拱腰和邊墻部位分別埋設(shè)深度30 cm、鉆孔直徑42 mm的測樁，并用快硬水泥或早強(qiáng)劑對其固定。這種測量方法，無論在理論和實(shí)踐方面都已經(jīng)很成熟，而且操作簡單，儀器設(shè)備價(jià)格相對較低。但該方法對測量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算比較繁瑣，獲取數(shù)據(jù)的效率低，測量的勞動強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)精度容易受人為因素影響。在巷道跨度過大時(shí)，由于鋼尺的抖動、拉伸及工作條件的惡化等因素影響，可能使測量工作難以長期進(jìn)行。

(2) 巴賽特收斂系統(tǒng)測量法[8]。該法主要采用“巴塞特收斂系統(tǒng)”，是由多個(gè)桿件單元首尾互相鉸鏈，構(gòu)成一個(gè)測量環(huán)，在巷道內(nèi)安裝在待測斷面四周，并在桿件單元內(nèi)放置高精度的傾角傳感器。當(dāng)巷道壁產(chǎn)生變形時(shí)，通過傾角傳感器即可測出這種圍巖變形的微小變化。根據(jù)傾角變化可推算出各固定點(diǎn)的位移，進(jìn)而得到各固定點(diǎn)在變化后的實(shí)際位置和巷道收斂情況。

2.2 非接觸式觀測方法

2.2.1 全站儀三維量測法[9]

全站儀的全稱為全站型電子速測儀，它除了能自動測距、測角外，還能完成一個(gè)測站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、坐標(biāo)等，它具有多功能、高精度、自動化等特點(diǎn)，是其他常規(guī)儀器所無法比擬的，其測量過程見圖1。

全站儀三維量測法，在現(xiàn)代礦山應(yīng)用中比較廣泛，但是儀器的精度難以達(dá)到毫米級，在儀器的對中整平過程中容易出現(xiàn)人為的誤差，對測量結(jié)果造成較大影響。

圖1 全站儀三維測量過程

2.2.2 經(jīng)緯儀前方交會法[10]

采用經(jīng)緯儀或全站儀，應(yīng)用前方交會法，可實(shí)現(xiàn)高精度測量，其適應(yīng)性較強(qiáng)?；痉椒ㄊ且越粫y量系統(tǒng)空間前方交會原理為基礎(chǔ)，首先通過兩臺經(jīng)緯儀互瞄，測量基準(zhǔn)尺，采用相應(yīng)算法，獲取兩測站的坐標(biāo)及方位；兩臺儀器同時(shí)瞄準(zhǔn)待測點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，應(yīng)用三角交會解算待測目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

應(yīng)用這種觀測方法，需有一種適合施工環(huán)境的實(shí)施方法和一套行之有效的測量平差分析系統(tǒng)；在應(yīng)用中儀器需要不斷檢查校正，比較耗時(shí)；因反射膜片標(biāo)志點(diǎn)的安裝和維護(hù)困難，成本較高。

2.2.3 無反射棱鏡自動跟蹤巷道收斂觀測法[11]

該方法依托無反射棱鏡自動跟蹤巷道收斂變形系統(tǒng)，可對巷道全斷面進(jìn)行掃描，并與計(jì)算機(jī)相連，可觀測全斷面的實(shí)時(shí)變形。該系統(tǒng)掃描和計(jì)算速度較快，精度較高。

2.2.4 Georobot量測法[12]

Georobot是一種具有自動識別目標(biāo)、照準(zhǔn)、測角與測距等功能的測量平臺。其技術(shù)元件的組成主要包括：坐標(biāo)系統(tǒng)、操縱器、換能器、計(jì)算機(jī)控制器、閉路控制傳感器，以及決定制作軟件等等。該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是把無反射棱鏡自動跟蹤斷面儀巷道收斂變形系統(tǒng)中對固定斷面的任意點(diǎn)的掃描變成對任意斷面固定點(diǎn)的掃描。

2.2.5 分布式光纖觀測法[13]

光纖監(jiān)測技術(shù)主要是利用人為的因素，對外界因素使光在光纖中傳輸時(shí)特征參量的變化情況進(jìn)行檢查和信號傳輸。利用該技術(shù)可對巷道收斂變形與隧道位移等進(jìn)行量測與監(jiān)控，需要結(jié)合隧道力學(xué)、光通訊技術(shù)等較多理論基礎(chǔ)，并在經(jīng)費(fèi)投入上需要較多。

2.2.6 聲光電集成監(jiān)測法[14]

該方法依托圍巖失穩(wěn)的聲光電集成監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測系統(tǒng)包括：光學(xué)鉆孔窺視儀(對同一個(gè)鉆孔內(nèi)壁的圍巖損傷情況分次進(jìn)行監(jiān)測)、聲發(fā)射裝置和鉆孔應(yīng)力計(jì)，以及與三者均相接的控制接受器。該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高，能有效解決現(xiàn)有單一監(jiān)測手段所出現(xiàn)的精度不高、數(shù)據(jù)失真等實(shí)際問題，特別是能避免在某些特定環(huán)境下監(jiān)測失效等現(xiàn)象，是一種綜合性的解決方案。

2.2.7 激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測法[15]

該方法主要是利用掘進(jìn)機(jī)與巷道周邊之間縱向通視空間條件，通過對拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直的原理來實(shí)現(xiàn)。因此可在掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)獲取斷面上最大凈空位移，從而實(shí)現(xiàn)TBM施工環(huán)境下的凈空位移監(jiān)測。系統(tǒng)采用主動尋的測量方式，具有大量程的特性。該法尤其適用于對軟弱圍巖的變形監(jiān)測。

2.2.8 超聲波監(jiān)測技術(shù)[16]

利用超聲波在巖體中傳播，測試其聲波能量衰減特性，從而監(jiān)測巖體的變形，這種技術(shù)目前還處于探究階段。由于圍巖中聲波傳播要發(fā)生幾何衰變和物理衰減，圍巖體中不同的結(jié)構(gòu)面上聲波將發(fā)生折射、散射和熱損耗等現(xiàn)象，能量不斷衰減，波速降低，因而可以此監(jiān)測其巖體變形情況。

2.2.9 多通道無線遙測法[17]

由于近年來位移無線遙測技術(shù)的開發(fā)與進(jìn)步，在礦山地質(zhì)等需要測量位移的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用該方法對圍巖位移變化的測量，主要是經(jīng)過機(jī)械傳動，使裝在無線遙測數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置中的容柵式位移傳感器輸出不同通道的觀測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用數(shù)字化傳輸，因此抗干擾性好，有效提高了測量精度。由于使用了專用調(diào)制解調(diào)器和電容式位移傳感器，采用便攜機(jī)遙測，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

2.2.10 近景攝影測量法[18]

由于數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的分辨率提高很快，用于巷道圍巖變形測量，形成了“近景攝影測量技術(shù)”。該方法是通過多次對巷道圍巖進(jìn)行攝影來實(shí)現(xiàn)的，使用“高分辨率像機(jī)獲取測量對象的數(shù)字影像對，配合使用GPS和全站儀，可方便地測量控制點(diǎn)、攝像機(jī)點(diǎn)位及像控點(diǎn)的二維坐標(biāo)。

3 主要觀測方法應(yīng)用前景

縱觀主要的觀測方法及發(fā)展情況，目前除了常規(guī)的收斂計(jì)觀測方法，新的觀測方法有逐漸向智能化發(fā)展的趨勢。

主要觀測方法應(yīng)用前景概括如下：

(1) 傳統(tǒng)的收斂計(jì)測量法，在簡便的情況下仍在使用，應(yīng)用的范圍和時(shí)間受環(huán)境條件限制，一般用于巷道斷面和頂?shù)装逯g以及水平位移的簡易測量，尤其對于礦山巷道圍巖穩(wěn)定性方面的簡單觀測，具有一定的實(shí)用性。目前新型收斂計(jì)在測力部分等方面有較大改進(jìn)，包括使用電子數(shù)字顯示，逐步向半自動及智能化方向發(fā)展。

(2) “多通道無線遙測技術(shù)”較有發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥韼啄?，遙感科技正在走向定量化、自動化與實(shí)用化，“GPS”和“GLONASS”兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的技術(shù)水平、精度和抗干擾能力大幅度提高。遙感觀測技術(shù)向多平臺、多通道、多角度和“高分辨率”、“高光譜”、“高時(shí)相”的“三高”方向發(fā)展。無地面控制遙感影像定位技術(shù)也許會不久將應(yīng)用于位移觀測。

(3) 鑒于地下巖土工程環(huán)境的復(fù)雜性，巷道收斂觀測將會逐步從人為操作，轉(zhuǎn)向機(jī)器自動化操作。Georobot收斂觀測技術(shù)，在現(xiàn)階段已有應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將會從儀器的造價(jià)、數(shù)據(jù)的精確度、惡劣環(huán)境的適應(yīng)程度等方面進(jìn)行改進(jìn)?？梢灶A(yù)見，位移觀測方面在不久的將來，“Georobot”等新型技術(shù)，結(jié)合礦山數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)展，將成為巷道收斂觀測的重要技術(shù)手段。

此外，近景攝影測量技術(shù)，特別是二次攝影觀測技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了室內(nèi)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在特定的試驗(yàn)條件下驗(yàn)證了該方法的可行性。由于成本與技術(shù)操作等方面的優(yōu)勢，二次攝影技術(shù)將成為未來幾年最有研究價(jià)值的巷道收斂觀測技術(shù)之一。

4 結(jié) 論

由于現(xiàn)代巖石力學(xué)及測量與監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步，對采礦等地下工程的圍巖變形監(jiān)測技術(shù)，目前取得了飛速發(fā)展。通過對國內(nèi)外目前主要的圍巖收斂變形監(jiān)測技術(shù)的比較，分析結(jié)果為：在巷道收斂觀測過程中，鋼尺測量儀器、全站儀、經(jīng)緯儀、巴塞特收斂觀測系統(tǒng)、光纖觀測法等常規(guī)測量方法，是日常廣泛使用的技術(shù)手段，在目前較長的時(shí)間內(nèi)仍將使用；而其它新的觀測技術(shù)，諸如“Georobot”觀測技術(shù)、“圍巖失穩(wěn)聲光電集成監(jiān)測系統(tǒng)”、“激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測法”、“超聲波監(jiān)測技術(shù)”、“多通道無線遙測技術(shù)”，以及“近景攝影測量”等，由于成本等方面的原因，目前應(yīng)用相對較少，但發(fā)展前景較為樂觀。

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