巷道收敛观测技术的发展与展望

潘家旭

(广西华锡集团股份有限公司， 广西 柳州市 545006)

岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科[1]，应用范围涉及采矿与其它岩土工程相关领域。其中，巷道工程作为最常见地下工程之一，其开挖过程引起围岩力学形态变化，严重时将导致工程失稳破坏，工程失去建设意义[2]。因此，对巷道收敛及稳定监测研究具有非常实际的意义。

为掌握正在施工或运营中的巷道围岩力学形态变化，采用各种仪器对围岩和支护结构进行量测，以评价工程稳定性。其中，巷道围岩收敛观测是最常用的一种手段[3]。通过对巷道进行收敛观测，可指导巷道工程的开挖施工，为工程提供可靠的安全保障；同时，可将收敛观测数据反馈到设计施工方案中，以便及时优化开挖方案和采取措施，确保施工安全和使用时的正常运转。

1 收敛观测的特点与时空要求

(1) 时效性。巷道等地下工程的服务年限一般都较长，同时由于岩石发生流变、风化现象等，测试设备要求保持长期有效，因对巷道的收敛观测工作目标主要是为巷道开挖期间以及运行过程中的施工安全、以及永久支护等工作服务，所以对围岩的观测一般要求在较长时期进行，并且要求及时把收敛观测数据反馈到设计、施工和运行部门，其时效性要求高。

(2) 环境复杂。由于地下工程条件一般来说相当恶劣，经常在非常潮湿等复杂的环境下，且大部分有酸性较强的地下水，工程爆破产生的粉尘、冲击波等，都会对测量设备造成损坏，因此要求设备防潮、防电磁干扰，甚至要求具有防爆等性能。

(3) 监测信息的时空要求。在大型地下工程中，巷道围岩收敛量的观测要求实现网络化，以全面地观测围岩各巷道的收敛量。在观测信息的处理量和反馈速度上的要求也日渐提高。

(4) 空间制约。由于地下空间有限，在某些巷道中，大型机械难以通行，同时，对围岩收敛的观测工作既要尽量减少对施工的干扰，又要避免施工过程中对设备的损坏，在空间上受约束，因此要求观测设备微型化，以便于拆装和运输。

2 近年发展的巷道收敛观测技术

根据上述技术特点要求，观测技术经历了不断的改进。借鉴现代科技的发展，特别是计算机技术和人工智能技术应用的突破，近年来巷道收敛观测技术也取得了很大的进步。在最新发展的观测技术中，按照观测仪器与对巷道围岩的空间位置关系，将观测方法分为接触式和非接触式两种[4-6]。

2.1 接触式观测方法

主要有“收敛计测量法”和“巴赛特收敛系统测量法”等。

(1) 收敛计测量法[7]。收敛计测量法是收敛观测的传统方法。收敛计由测力钢环、测力卷尺和测微计及球形连接头构成。测量时，在测设点断面巷道开挖1～2 d后沿巷道周边、拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设深度30 cm、钻孔直径42 mm的测桩，并用快硬水泥或早强剂对其固定。这种测量方法，无论在理论和实践方面都已经很成熟，而且操作简单，仪器设备价格相对较低。但该方法对测量数据的分析计算比较繁琐，获取数据的效率低，测量的劳动强度大，数据精度容易受人为因素影响。在巷道跨度过大时，由于钢尺的抖动、拉伸及工作条件的恶化等因素影响，可能使测量工作难以长期进行。

(2) 巴赛特收敛系统测量法[8]。该法主要采用“巴塞特收敛系统”，是由多个杆件单元首尾互相铰链，构成一个测量环，在巷道内安装在待测断面四周，并在杆件单元内放置高精度的倾角传感器。当巷道壁产生变形时，通过倾角传感器即可测出这种围岩变形的微小变化。根据倾角变化可推算出各固定点的位移，进而得到各固定点在变化后的实际位置和巷道收敛情况。

2.2 非接触式观测方法

2.2.1 全站仪三维量测法[9]

全站仪的全称为全站型电子速测仪，它除了能自动测距、测角外，还能完成一个测站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、坐标等，它具有多功能、高精度、自动化等特点，是其他常规仪器所无法比拟的，其测量过程见图1。

全站仪三维量测法，在现代矿山应用中比较广泛，但是仪器的精度难以达到毫米级，在仪器的对中整平过程中容易出现人为的误差，对测量结果造成较大影响。

图1 全站仪三维测量过程

2.2.2 经纬仪前方交会法[10]

采用经纬仪或全站仪，应用前方交会法，可实现高精度测量，其适应性较强。基本方法是以交会测量系统空间前方交会原理为基础，首先通过两台经纬仪互瞄，测量基准尺，采用相应算法，获取两测站的坐标及方位；两台仪器同时瞄准待测点获取数据，应用三角交会解算待测目标点的三维坐标。

应用这种观测方法，需有一种适合施工环境的实施方法和一套行之有效的测量平差分析系统；在应用中仪器需要不断检查校正，比较耗时；因反射膜片标志点的安装和维护困难，成本较高。

2.2.3 无反射棱镜自动跟踪巷道收敛观测法[11]

该方法依托无反射棱镜自动跟踪巷道收敛变形系统，可对巷道全断面进行扫描，并与计算机相连，可观测全断面的实时变形。该系统扫描和计算速度较快，精度较高。

2.2.4 Georobot量测法[12]

Georobot是一种具有自动识别目标、照准、测角与测距等功能的测量平台。其技术元件的组成主要包括：坐标系统、操纵器、换能器、计算机控制器、闭路控制传感器，以及决定制作软件等等。该系统实质是把无反射棱镜自动跟踪断面仪巷道收敛变形系统中对固定断面的任意点的扫描变成对任意断面固定点的扫描。

2.2.5 分布式光纤观测法[13]

光纤监测技术主要是利用人为的因素，对外界因素使光在光纤中传输时特征参量的变化情况进行检查和信号传输。利用该技术可对巷道收敛变形与隧道位移等进行量测与监控，需要结合隧道力学、光通讯技术等较多理论基础，并在经费投入上需要较多。

2.2.6 声光电集成监测法[14]

该方法依托围岩失稳的声光电集成监测系统，其监测系统包括：光学钻孔窥视仪(对同一个钻孔内壁的围岩损伤情况分次进行监测)、声发射装置和钻孔应力计，以及与三者均相接的控制接受器。该监测系统的监测结果准确性大大提高，能有效解决现有单一监测手段所出现的精度不高、数据失真等实际问题，特别是能避免在某些特定环境下监测失效等现象，是一种综合性的解决方案。

2.2.7 激光准直TBM隧道净空位移监测法[15]

该方法主要是利用掘进机与巷道周边之间纵向通视空间条件，通过对拱顶和两侧边墙三点位应用激光准直的原理来实现。因此可在掘进机及后配套设备范围内获取断面上最大净空位移，从而实现TBM施工环境下的净空位移监测。系统采用主动寻的测量方式，具有大量程的特性。该法尤其适用于对软弱围岩的变形监测。

2.2.8 超声波监测技术[16]

利用超声波在岩体中传播，测试其声波能量衰减特性，从而监测岩体的变形，这种技术目前还处于探究阶段。由于围岩中声波传播要发生几何衰变和物理衰减，围岩体中不同的结构面上声波将发生折射、散射和热损耗等现象，能量不断衰减，波速降低，因而可以此监测其岩体变形情况。

2.2.9 多通道无线遥测法[17]

由于近年来位移无线遥测技术的开发与进步，在矿山地质等需要测量位移的各个领域得到了广泛的应用。应用该方法对围岩位移变化的测量，主要是经过机械传动，使装在无线遥测数据采集发射装置中的容栅式位移传感器输出不同通道的观测数据。该系统采用数字化传输，因此抗干扰性好，有效提高了测量精度。由于使用了专用调制解调器和电容式位移传感器，采用便携机遥测，能适应复杂环境。

2.2.10 近景摄影测量法[18]

由于数字摄影机的分辨率提高很快，用于巷道围岩变形测量，形成了“近景摄影测量技术”。该方法是通过多次对巷道围岩进行摄影来实现的，使用“高分辨率像机获取测量对象的数字影像对，配合使用GPS和全站仪，可方便地测量控制点、摄像机点位及像控点的二维坐标。

3 主要观测方法应用前景

纵观主要的观测方法及发展情况，目前除了常规的收敛计观测方法，新的观测方法有逐渐向智能化发展的趋势。

主要观测方法应用前景概括如下：

(1) 传统的收敛计测量法，在简便的情况下仍在使用，应用的范围和时间受环境条件限制，一般用于巷道断面和顶底板之间以及水平位移的简易测量，尤其对于矿山巷道围岩稳定性方面的简单观测，具有一定的实用性。目前新型收敛计在测力部分等方面有较大改进，包括使用电子数字显示，逐步向半自动及智能化方向发展。

(2) “多通道无线遥测技术”较有发展潜力。未来几年，遥感科技正在走向定量化、自动化与实用化，“GPS”和“GLONASS”两个卫星导航定位系统的技术水平、精度和抗干扰能力大幅度提高。遥感观测技术向多平台、多通道、多角度和“高分辨率”、“高光谱”、“高时相”的“三高”方向发展。无地面控制遥感影像定位技术也许会不久将应用于位移观测。

(3) 鉴于地下岩土工程环境的复杂性，巷道收敛观测将会逐步从人为操作，转向机器自动化操作。Georobot收敛观测技术，在现阶段已有应用的基础上，将会从仪器的造价、数据的精确度、恶劣环境的适应程度等方面进行改进。可以预见，位移观测方面在不久的将来，“Georobot”等新型技术，结合矿山数字化技术的进展，将成为巷道收敛观测的重要技术手段。

此外，近景摄影测量技术，特别是二次摄影观测技术已经进行了室内的基础试验研究，实验结果表明，在特定的试验条件下验证了该方法的可行性。由于成本与技术操作等方面的优势，二次摄影技术将成为未来几年最有研究价值的巷道收敛观测技术之一。

4 结 论

由于现代岩石力学及测量与监控技术的进步，对采矿等地下工程的围岩变形监测技术，目前取得了飞速发展。通过对国内外目前主要的围岩收敛变形监测技术的比较，分析结果为：在巷道收敛观测过程中，钢尺测量仪器、全站仪、经纬仪、巴塞特收敛观测系统、光纤观测法等常规测量方法，是日常广泛使用的技术手段，在目前较长的时间内仍将使用；而其它新的观测技术，诸如“Georobot”观测技术、“围岩失稳声光电集成监测系统”、“激光准直TBM隧道净空位移监测法”、“超声波监测技术”、“多通道无线遥测技术”，以及“近景摄影测量”等，由于成本等方面的原因，目前应用相对较少，但发展前景较为乐观。

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