地下工程监测与检测技术-第四章 隧洞工程监测

监测的对象：
围岩(地下结构赋存的场所，土或岩石) 衬砌(初衬和二衬） 锚杆(加固开挖面周围岩土体) 钢拱架及其它支撑(维护开挖区域的稳定)

监测的部位： 地表(周围环境监测) 围岩内(附存环境监测) 洞壁(开挖面自身稳定性监测)
衬砌内(支护结构监测)
衬砌内壁(支护结构监测)

监测的类型
现场观测；岩土体力学参数测试；应力应变测试；压力测试； 位移测试；温度测试；物探测试等。
洞内观察


隧道内地质条件的变化情况；
节理、裂隙的发育和扩展情况； 渗漏水情况； 隧道暴露面有无松动岩石； 锚杆有无松动、喷层有无开裂； 中墙衬砌上有无裂隙出现；
……
监测类型
监测项目
监测仪器
地表下沉
地表水平位移 拱顶下沉 位移 拱脚基础沉降
水准仪，钢铟尺
经纬仪 水准仪，电子水平尺，钢铟尺 水准仪，电子水平尺，钢铟尺 单点、多点位移计，三维位移计 测斜仪，三维位移计 收敛计，巴塞特系统 压力盒，压力枕 压力盒，压力枕
设一些测点。
二.压力量测
地下隧洞工程的压力测试主要包含锚杆或锚索内力及
抗拔力、围岩压力及两层支护间压力量测和钢支撑内力及 外力测试。
1、锚杆或锚索内力及抗拔力
(1)量测原理
锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱， 一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆
的工作状态好坏主要以其受力后的应力、应变来反映。因此，如果能采
Ⅰ、Ⅱ类围岩型钢支撑；Ⅲ类格栅支撑.
量测的目的 了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型和设计提供依据； 根据钢支撑的受力状态，判断围岩和支护结果的稳定性； 了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。
量测的仪器

液压式和电测式两种； 液压式结构简单，可靠，现场直接读数，使用方便； 电测式测量精度高，可远距离和长期观测。
压面向着围岩。

注意事项 在隧道壁面，当测围岩施加给喷射混凝土层的径向压力时，
先用水泥砂浆或石膏把压力盒固定在岩面上，再谨慎施作喷射混 凝土层，不要使喷射混凝土与压力盒之间有间隙，保证围岩与压 力盒受压面贴紧；要注意保护压力盒的电缆线，否则前功尽弃。

钢支撑内力及外力 隧道围岩类别低于Ⅳ类，设置钢支撑；
h2
2 S S a S b S c a
Ⅱ、全站仪量测 在被测断而的拱顶位置布设1~3个反光贴片，并在跄离该断 面数十米位置（可选择已施做二衬，或可认为该处衬砌变形已经
稳定的位置），贴l个反光片作为后视点，使用全站仪的“对边
缺测”功能，可以量测出被测点与后视点间的相对位移，该位移 即拱顶下沉量。
一.应力应变量测
隧道开挖
围岩应力 重分布
提供支护 力作用
破 坏 原 始 地 应 力 场
分 布 具 有 时 空 效 应
接 触 应 力
围 岩 应 力 监测 结构安全
1、量测原理

测试原理
混凝土应力量测包括初期支护喷射混凝土应力和二次衬砌模
筑混凝土应力量测，是将量测元件(装置)直接安装于喷层或二次 衬砌中，测试围岩变形过程中由不受力状态逐渐过渡到受力状态 过程中的应力变化。
同问题)

测试断面的布置 混凝土应力量测在纵断面上应与其他选测项目的布置基本相同
，一般布设在有代表性的围岩段，在横断面上除要与锚杆受力量测
测孔相对应布设外，还要在有代表性的部位布设测点，在实际量测 中通常有三测点、六测点、九测点等多种布置形式。在二次衬砌内
布设时，一般应在衬砌的内外两侧进行布置，有时也可在仰拱上布
能量测任意方向 测试精度一般 弹簧施加张拉力
1-测度表；3-钢卷尺；4、5-连接球铰；6-张拉表；7-张拉弹簧
万向应力环式
能量测任意方向 测试精度高 性能稳定 量力环精确控制张拉力
Ⅲ、巴塞特收敛系统
全断面监测； 高精度电测
监测实例
仪器安装
Ⅳ、光电测距仪
全过程监控； 高精度电测； 简单方便
弹簧钢卷尺
拱顶是隧道周边的一个特殊点，其位移情况具有较强代表性。 拱顶下沉量测的测点，一般可与周边位移测点共用。

量测方法
Ⅰ、水准仪监测或直接量测
拱顶下沉计算布置示意图
h1 2 S S a S b S c a
S S
1 a b c 2 1 a b c 2
围岩位移（径向）
围岩位移（水平） 洞周收敛 围岩内压力 衬砌混凝土内压力
衬砌钢筋应力
压力 围岩与衬砌接触压力 锚杆轴力 钢拱架压力 地下水渗透压力 围岩松动圈 其它物理量 前方岩体性态 爆破震动 声发射
钢筋应力Βιβλιοθήκη Baidu，应变计
压力盒，压力枕 钢筋应力（应变计），应变片，环式测力计 钢筋应力计，应变片，应变计，轴力计 渗压计 弹性波，形变电阻法 弹性波，超前钻，探地雷达 测震仪 声发射检测仪

收敛量测测量装置的基本构成
壁面测点：埋入围岩壁面30-50mm的埋杆或测头；
测尺(测杆)：打孔的钢卷尺或金属管，壁面相对位移的粗读数；
测试仪器：由测表、张拉力设备与支架组成；测表，百分表或游 标卡尺，精度数；张拉力设备,重锤/弹簧/应力环，对测尺施加定量
张拉力，测尺初始状态一致;支架,安装组合仪器组件的装置；
P k ( f 02 - f 2 )
p－总压力； k－压力计率定常数； f0－压力计零压是的频率； f－压力计受压后频率；
Ⅱ、变磁阻调频式土压力传感器
p k f
△p －被测压力的变化值； k －传感器率定值； △f－频率变化量；
变磁阻传感器和L-C震荡电路
输出信号幅度大，抗干扰能力强，灵敏度高，适合遥测； 在硬介质中应用，存在刚度匹配问题。
3、地表下沉量测

量测的内容及目的 隧道开挖影响范围内的地表土体，浅埋隧道和隧道的洞口； 地表下沉范围和量值；
光电测距仪器

净空相对位移的计算
U n Rn R0
Un －第n次量测时净空相对位移值； Rn －第n次量测时的观测值； R0 －初始观测值；

量测注意事项 开挖后尽快埋设测点，并测取初值，要求12h内完成；测点(测
试断面)应尽可能靠近开挖面，一般要求在2m以内；读数应在重锤稳
定或张力调节器指针稳定指示规定的张力值时读取；当相对位移值
电阻片测杆
电阻~应变
钢弦式应变计算：理想测试内容，性能稳定，耐久性好； 差动式电阻应变计：灵敏度高耐久性好，性能稳定； 电阻片测杆简单经济，灵敏度高；但不能在潮湿环境中长期应用。

接触应力量测 围岩与支护或喷层与现浇混凝土之间的接触应力量测； 能反映出支护对围岩的抗力； 与二者的特性和之间的接触条件有关。 Ⅰ、钢弦式压力盒
较大时，要注意消除换孔误差；量测频率视围岩条件、工程结构条 件、位移速率及施工情况而定。
2 、拱顶下沉量测 测量原理

由已知高程的临时或永久水准点，使用较高精度的全站仪，
就可观测出隧道拱顶各点的下沉量及随时间的变化情况。隧道 底部也可用此方法观测，通常这个值是绝对位移值。还可以用
收敛位移计测拱顶相对于隧道底面的相对位移。值得注意的是
隧洞稳定性安全监测有：洞室、隧道、输水隧洞、城市地铁以及 竖井、斜井等。
北京某地铁暗挖区间坍塌事故
二、监测的目的及意义
（1）提供监控设计的依据和信息。 （2）指导施工，预报险情。
（3）作为工程运营时的监测手段。
（4）用作理论研究及校核理论。
（5）为地下工程设计与施工提供资料。
第二节 隧洞工程监测的目的

钢筋计量测锚杆内力
钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪；直接量测应力，乘以面积；
钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪；直接量测应变，乘以模量； 安装：
钢筋应力计
钢筋应变计
割断钢筋，与钢筋串联焊接；
焊在钢筋或钢管上（与锚杆并联连接）；
钢筋应力计只能用于由钢筋组成的锚杆。
(3)锚杆的抗拔力量测方法
将锚杆拉拔计的接口与待测锚杆
用某种手段测试锚杆在工作时的应力、应变值，就可以知道其工作状态 的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。

机械式量测法
四根细长杆，头部固定在锚杆内预计的位置上，量测读数。
E

电阻应变片式量测
锚杆
应变片

1 2 3 4
4
E
可消除弯曲应力的影响。
电测方法 型钢支撑---- 钢弦式表面应变计 焊接在型钢上面，与型钢并联连接
P E
电测方法 格栅支撑---- 钢弦式钢筋应力计 切断格栅钢筋，与格栅钢筋串联连接
P A
液压式量测方法----液压式测力计 压力作用使油缸内油压发生变化， 直接通过压力表读出油压变化。
三.位移测试 1.净空相对位移测试
地下工程监测与检测技术
第四章 隧洞工程监测
人民交通出版社
内容提要
隧洞工程监测的目的 隧洞工程监测的内容及测试方法 隧洞工程监测的相关规定
监测数据的分析反馈及信息化施工
盾构法和顶管施工监测 工程实例
第一节 隧洞工程监测的目的
一.简介 隧洞是修建在存在地应力场、由岩石(土)和各种结构面组合的 天然岩(土)体中的建筑物，是靠围岩和支护的共同作用保持其稳定性的。
用某种手段测试锚杆在工作时的应力、应变值，就可以知道其工作状态 的好坏，也可以由此判断其对围岩松弛变形的限制作用的强弱。
(2) 锚杆内力量测方法
锚杆的主要作用是限制围岩的松弛变形。这个限制作用的强弱， 一方面受围岩地质条件的影响，另一方面取决于锚杆的工作状态。锚杆
的工作状态好坏主要以其受力后的应力、应变来反映。因此，如果能采
2、量测方法

应力(应变)计量测法 钢弦式应变计
频率~应变
差动式电阻应变计
电阻~应变

应变砖量测法
应变砖 电阻应变片，外加银箔防护做成银箔应变计，再用砼材料制成 (50~120)mmx40mmx25mm长方体 应变砖埋入砼内，应变砖材料和砼基本上是同类材料，应变 砖不会引起应力的异常变化
可直接反映砼层的变形与受力大小(解决了土压力盒的刚度不
(2)量测手段

围岩应力应变测试 Ⅰ、钢弦式应变计：单个应变计与被测围岩刚度相匹配的钢管(钢筋)
连接起来，用水泥砂浆埋入岩孔，再用频率计进行激发、接受测试。 Ⅱ、差动式电阻应变计：连接方法同钢弦应变计。 Ⅲ、电测锚杆(电阻片测杆)：把电阻片按需要贴在一根剖为两半的金 属或塑料管内壁上，再把两半合拢，并做好防水、防潮处理，用水泥砂 浆固结在围岩测孔中。测杆的刚度要尽量与被测围岩的刚度相匹配。
连接部分：连接测点和仪器的构件；

常用量测方法
Ⅰ、位移测杆
由数节可伸缩的异径金属管组成，管上装有游标卡尺或百分表， 用以测定两端测点之间的相对位移；
适用于小断面洞室观测；
测试简单，纯人工操作，精度较低。
Ⅱ、净空变化测定计
测试方向单一 测试精度一般 重锤施加张拉力
单向重锤式收敛计
万向弹簧式收敛计
的外露端连接紧固。拉拔计百分表 归零，然后增压使油泵压力逐渐升
高。油泵压力达到设计拉力，可停
止继续加压。记录锚杆位置及油泵 压力值，油泵卸压。如果油泵压力
未达到设计拉力，锚杆破坏，则该
锚杆可认为安装质量不合格。
锚杆拉拔计
3、围岩压力及两层支护间压力
(1)量测原理
隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变 形，就会产生围岩作用于支护结构上的围岩压力和两层支护间的压力。 对围岩应力、应变进行观测，能够及时有效的掌握围岩内部的受力与变 形状态，进而判断围岩的稳定性；对围岩与支护结构之间的压力即接触 应力进行量测，可及时掌握围岩与支护间的共同工作情况、稳定状态及 支护的力学性能等。
Ⅲ、格鲁茨尔压力盒
液压式压力计，传感原件为一扁平油腔，由油压表测油腔的压力。
不但可以用于接触应力的测试，也可用于同种介质的内部量测。
液压枕

测点布置
压力盒布设在围岩与初衬之间，即测得围岩与初衬之间 的接触压力；压力盒布设在初衬与二衬之间，即测得两层支 护间的接触压力。压力盒布设中，应把测点布设在具有代表 性断面的关键部位上(如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等）， 并对各测点逐一进行编号。埋设压力盒时，要使压力盒的受

测量原理
隧道开挖后，改变了围岩的初始应力状态，围岩应力重分布
引起洞壁应力释放，使围岩产生变形，洞壁有不同程度的向内净 空位移。在开挖后的洞壁(含顶、底)及时安设测点，内壁面两点 连线方向的位移之和量测称为收敛量测，两次量测的距离之差为 收敛值。收敛量测是地下隧洞监控量测的重要内容，根据测试的 变形速率可判断围岩稳定程度和二次衬砌的合理施做时机；收敛 值是最基本的量测数据，必须准确测量，计算无误