地下工程巷道监测技术研究

曹立志，郭 赛

（河北省晋州市久洲建筑工程有限公司，河北 晋州 052260）

0 引言

地下工程区别于其他工程，受地质环境、现有的技术、工程的投资目标、工期等等因素的限制，在揭露地质体前，不可能将地质条件了解得很清楚。利用监测技术测量的各种功能的测量工具来获得在开挖后围岩的周边收敛、拱顶下沉、锚杆内力、内部位移等信息。通过监控量测的数据可以预测未开挖部分的围岩变形等，在条件和允许下，可以确定围岩的应力松动圈的范围，反映许多不可知因素。多年来国内外一直通过地下工程围岩的监控量测来监视围岩变形和支护的稳定性，具有不可忽视的作用和重要意义。新奥法施工是需要观察其变形量来决定施工的情况，尤其是在新奥法应用比较广泛的今天，量控监测的重要程度不言而喻。

1 地下工程巷道现场监测方法

地下工程巷道中的监测方法和很多因素有关，如工程地质条件的复杂程度、工程的重要程度、使用的年限和技术先进程度等等。但是有的项目很重要，在监测中是必测的。必测项目是新奥法隧道施工中必须进行的常规量测项目，是保证围岩稳定、选取初期支护时机、指导现场施工、判断围岩支护体系工作状态的经常性量测。其包括洞内观测、拱顶下沉与水平收敛、地表沉降量测。而在实际量测工作中，为深入地了解和认识地下工程的情况，也常常选取具有代表一般围岩段落进行选测项目的量测。选测项目量测是信息化施工的重要组成部分，一般包括：钢支撑内力、围岩内部位移、围岩压力、两层支护间压力、锚杆轴力等项目量测。针对危及洞室稳定的关键性和控制性因素确定监测项目。长期观测项目应能较全面反映洞室整体稳定情况，力求少而精。埋设仪器位置应选择能反映出预测的施工和运行情况，特别是关键部位和关键施工阶段的情况。监测施工和运行的观测，考虑典型区段岩体或结构形态变化最大的部位，应选择条件最不利的部位。考虑到岩体和结构物的复杂性，可能发生的误差和个别仪器的损坏等情况，为获取正确的监测结果，对重要断面或测点，仪器布置宜适当的重复和平行观测。监控量测工作流程图见图1。

2 地下工程巷道现场监测内容

2.1 洞内观测

洞内观测主要是在开挖中及时对掌子面、巷道毛洞洞壁一周围岩的岩石性质、节理的发育状况、层理延伸走向，整个岩体完整性、破碎程度、地下水发育情况以及洞内支护做以详细观察、分析、提供原始资料。观测主要包括：岩块的主要矿物成分、产状、颜色、构造、地质年代等，岩体的完整、破碎程度，整个岩体强度以及在隧道开挖后的稳定情况等。地质构造情况：断层走向、规模、宽度、充填物的发育情况、溶洞位置规模等。地下水发育情况：发育位置、地下水的类型、以及对掌子面附近施工影响程度等。绘制掌子面地质素描图：根据隧道施工现场掌子面观测情况，按一定间距绘制掌子面地质素描图。在现场实际操作中，一般在掌子面爆破、通风、除渣、施工排险以后进行洞内观测，并及时记录观测结果与采集掌子面照片等数据资料。

图1 监控量测作业流程图

2.2 围岩收敛与拱顶下沉

地下工程开挖后，围岩周边收敛和拱顶下沉是反映围岩本身及围岩与支护系统力学性态的最直接、最明显、最准确的物理量。围岩的周边收敛与拱顶下沉数据可以判断地向工程巷道的稳定情况，根据围岩的变形速率分析支护的安全问题及支护时间的问题。周边收敛间距使用数字钢尺收敛计进行监测。围岩的下沉量使用高精度水准仪进行监测。图2为数字钢尺收敛计和高精度水准仪。

图2 数字钢尺收敛计和高精度水准仪

周边收敛测量：首先，将百分表读数调至2.5～3.0cm，并将收敛计钢尺挂钩挂在测点上，收紧钢尺，将销钉插入钢尺上适当的小孔内，用卡钩将其固定；接着，转动调节螺母直到观测窗中线条与面板成一直线为止，读取观测窗和钢尺读数，两者相加即为测点间距离；然后，将每条测线前后两次测线距离相减即可算出各测点间相对位移，最后，松开调节螺母，退出卡钩，将钢尺取下，擦净收好。

拱顶下沉测量：首先选择合适位置将水准仪对中整平，将铟钢尺底端轻轻放在一点上，并将铟钢尺上的气泡居中，确保尺子的垂直；然后，通过水准仪后视铟钢尺记下读数为H1，再前视拱顶处的钢卷尺记下读数为H2，若后视点的高程为H0，则前视测点本次测得高程为H1－H2＋H0。两次不同测试的拱顶高程差即为两次间隔时间内的拱顶下沉，并及时准备记录数据。

2.3 围岩内部位移

围岩内部位移监测对于掌握地下洞室群整体稳定性具有不可替代的作用，测的是洞壁到围岩内部某点的相对变形。通过对围岩内部位移监测可以：（1）确定围岩位移随深度变化的关系；（2）确定围岩变形范围，研究支护与围岩相互作用；（3）判断开挖后围岩的松动区范围，优化锚固设计参数；（4）判断锚杆长度是否合理

多点位移计是由3个到6个位移计组成，可以测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等，也可测钻孔位置的温度，其主要应用于测量岩体内部不同部位的相对变形量。使用多点位移计进行围岩内部位移监测。适合测0～20mm 之间的微小变形。图3为多点位移计实景照片。

图3 多点位移计

安装测量方法：多点位移计安装如图4 所示。多点位移计钻孔孔径不小于90mm，孔口0.5m 段直径不小于Φ130mm（根据套筒直径确定），钻孔深度比最深锚头深0.5m。钻孔结束后冲洗干净，检查钻孔通畅情况，测量钻孔深度、方位、倾角。记录钻进深度，对岩芯进行描述，绘出钻孔岩芯柱状图。或采用钻孔电视替代钻孔取芯，了解围岩地质情况，以便确定锚头位置。

图4 多点位移计安装示意图

围岩内部位移采用以下方式计算：以围岩基准面为表面基准，测量出围岩内部各测点到表面基准的距离，同一测点在不同时刻量测得到的距离差值即为该点在此时间内围岩表面与围岩内部测点之间的相对位移。

2.4 锚杆轴力

通过锚杆的内力测定，来反应锚杆的受力状态，进而对其设计进行合理的调整或采取相应的补救措施。

为了掌握锚杆工作状态和锚固效果，了解锚杆与周边围岩之间的相互作用和锚杆轴向的分力大小和变化，进行了锚杆应力监测。通常工程中采用振弦式锚杆应力计对锚杆应力进行监测，振弦式锚杆应力计适用于监测混凝土、钢筋和锚杆的应力变化。它具有很高的精度、灵敏度，很好的防水性能和长期稳定性。内置温度传感器可同时监测安装位置的温度。使用振弦式锚杆应力计进行监测，锚杆应力计分辨率为0.07%F.S.。图5为锚杆应力计实物图和现场操作图。

锚杆轴力计安装如图6所示，安装完毕后，用频率计测定锚杆应力计读数作为初值；监测时用频率计测定锚杆应力计读数，根据仪器标定公式换算得到锚杆应力值。

图5 锚杆应力计和现场操作图

图6 锚杆轴力计安装示意图

2.5 监测频率

在监测中，监测的数据是监测的核心，但是监测频率也不是越多越好。监测频率越高对数据的准确性越有保证，但是这样就会对数据的处理带来很多麻烦且监测的成本也大大的提高。监测频率低对数据的影响很大，失去监测的意义。因此在具体工程操作中，每个监测项目监测点的频率不应少于规范的要求，但是在连续5次以上相邻2次数据变化很小，可以适当的减少监测的次数，在数据变化大的情况下，应该增加监测的次数，以保证工程的安全施工。具体的频率如表1监控量测监测频率。

表1 监控量测监测频率

3 结语

在复杂的地质岩体中，没有哪种方法能完全获得地下岩体的实际情况的，勘察中的方法，如钻探物探等都是通过不同的手段来收集片面的信息，进而推测地下岩体的情况。在施工过程中，应该建立完整的监测方案和围岩失稳预警机制，来监测巷道的变形趋势，并及时对其稳定性和安全性做出评估和预警，及时提拱监测信息，通过监测的信息来决定方案的实施或更改等。

［1］ 夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术［M］.上海：同济大学出版社，1999.

［2］ 徐志英.岩石力学［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［3］ 喻伟.基于现场监控量测的隧道围岩稳定性研究［J］.中国科技信息，2011（20）：1982－1990.