8地下隧洞矿上巷道施工监测技术.docx

1、8地下隧洞矿上巷道施工监测技术8 地下隧洞矿山巷道施工监测技术本章提要本章主要介绍地下隧洞施工监测的理论与方法，其中包括监测目的和意义、监测方案的设计以及 监測结果的分析和处理；同时还介绍了矿山巷道支护监测的具体方法，详细讲述了岩体位移监測、淡 板离层监測以及锚杆受力监测等方面的内容；最后，给出了. 一个隧道工程施工监測实例和一个丨矿山巷 道工程实例。 8.1 地下隧洞新奥法施工监测地下隧洞主要包括隧道和地下空间、水电系统的地下厂房群等，本节介绍隧道和地下洞室采用新奥法 暗挖施工时的监测技术。对于明挖隧道和地下洞室来说，施工监测属于基坑工程施工监測技术，见第7 章。本节的监测技术主要适用于岩体

2、隧洞，也可用于土体隧洞。8.1.1 观测的意义、适用范围及主要内容8.1.1.1观测的意义地下隧洞围岩和支护系统观测的目的和意义.要有；及时掌握和提供围岩及支护系统变化信息和工作状态。评价围岩和支护系统的稳定性、安全性。及时预报围岩险情，以便采取措施，防止事故发生。指导安全施工，修正施工参数或施工工序。验证、修改设计参数。为地下隧洞设计和施工积累资料，为围岩稳定性理论研究提供基破数据。对地下隧洞未来性态作出预测。依据各类观测曲线的形态特掌握其变化规律，进而对其未 来性态作出有效的预测。法律及公证的需要。经过计量认证的观测单位，其所提供的加盖有CMA章的观測结果，具有公证效力。对由于工程事故而引

3、起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定其原因和责在。8.1.1.2观测范围并非所有地下隧洞都需要实施现场聪控量测。地下隧洞是否需要现场监控量测，主要取决于地下隧 洞围岩的类别和规模（跨度）。当地下隧洞跨度小于5m时，I类围岩均不需要现场监控量測；但当地下隧洞规模很大时，如当地下隧洞跨度大于20 m时，即便是I类围岩，也需要实施现场监控量測。锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB500862001）对应实施现场监控量测的工程范围进行了规定， 见表8.1。表8.1的规定表明：凡是跨度较大和围岩较差的地下隊洞，均应进行现场监控量測；围岩好或特别好 但跨度很大的地下璲洞，宜在局部地段进行量测，控制和监视局部

4、不稳定块体的动态，以保证安全。8.1.1.3 地下隧洞围岩观测内容及项目 地下隧洞围岩观测内容及项目与适用范围见表8.2。表8.2 地下隧洞围岩观测项目及适用范围一览表现拥项目观測内容观测仪器适用范围巡视检查开挖掌子面处围岩稳定性；围岩构造情况；围岩和支护变形及稳定性；校核围岩类别目视、地质锤、 地质罗盘地下隧洞各部位变形(位移：)观测收敛计测量隧洞周壁两点间的相对位移围岩表面变形測量；围岩内部变形测量；位移计测量围岩中不同深度处各点之间的相对位移 和绝对位移支护表面变形测量测斜仪测量钻孔内垂直于钻孔方向的位移挠度计测量隧洞周壁各点或围岩中某一点的位移应变现測围岩内部应变量測；支护(喷混凝土)

5、内部应变量测；衬砌内部应变量測应变计测量围岩、支护、衬砌结构的应变，并计算应力应变砖測量支护、衬砌结构应变，并计箅应力锚杆(钢筋 应变计測量围岩应变、锚杆（钢筋应变应力应力现测围岩初始应力量测；围岩二次应力量测；支护、衬砌内部应力量测；围岩支护间接触应力量测液压应力计、 差动电阻应力计、 钢弦应力计、钢筋计、 荷载测力计测量围岩、支护结构的应力及两者界面的压力地下水位、 水压现测地下水位；地下水渗透压力；外水压力测尺、渗压计测量围岩内部、作用在支护结构上的地下水位 压力 温度现测围岩温度；混凝土温度；气温和水温电阻温度计、 般温度计测量隧洞围岩、支护衬砌混凝土及捐内气8、 水温等一 -松弛困现

6、測围岩爆玻松弛范围量测；围岩二次应力调整松弛范围 量测声波仪、钻孔 多点位移计适用地下隧洞开挖后不同时期围岩松弟变化 測量 一 一一一动态现测围岩及支护系统动载观测；围岩及结构振动速度现测；围岩声波速度量測高频应变仪、 测振仪、 声波仪测量大型隧洞开挖爆硖影响；籌量地下鏵籌 波波速8.1.2.1 观测项目的确定(1) 观测项目的确定原则以安全观测项目为主作为判断地下隧洞围岩稳定的最直观、最可靠的位移观测和应力观测，应成为最主要的观测项目。其 中对中小地下隧洞，应以围岩收敛观测为主;对具有髙边墙、大跨度的地下厂房，其位移观測项目（仪器， 应以钻孔多点位移计为主，钻孔测斜仪配合,前者可测量围岩内部

7、不同深度处位移，后者则具有隐蔽性特 点及位移变化连续性特点。无论是哪一个观测项目，其在空间分布和在数量上,都应体现以安全观测为主 的原则。观测项目设计宜体现全面观测项目不仅要重点突出，还要考虑全面的原则，因为观测目的是多方面的，不仅要考虑围岩安全，还 要考虑荷载条件及变化、设计计箅等要求，但对于次要观测项目，如围岩温度观测，宜少量布置。观测项目宜同步设置对系统观测断面的观测点及重要部位的随机观测点，应同时埋设两类或两类以上观测项目(仪器，如围岩内部位移观测、锚杆应力观测、锚索应力观测等。这样可通过成果的互相印证，提高成果的可靠性。少而精对长期观测项目(包括施工期和运行期、应在反映地下厂房围岩实

8、际工作状况的前提下,力求做到少而精。经济性原则在保证观测仪器质量的前提下,应适当考虑观测仪器的经济性。项目类别 必测项目 选测项目项目序号（1）(2) （5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）项目名称地质和 支护状况 观察周边 位移拱顶 下沉地表 下沉围岩内部 位移松动区 范围围岩 压力两层支护 间接触 应力钢架结构 受力支护结构 内力锚杆应力（2）观测项目分类及确定锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB500862001）规定的观测项目如表8.3所示，并将其分为必測 项目和选測项目。表8.3现场胜控量測内容和项目表日本新奥法设计技术指南草案将采用新奥法修建地下工程时所进行的观测项目分为A类和

9、B类,其中,A类是必须进行量测的项目，B类是根据情况选测的项目，其建议的具体项目见表8.4。表8.4 地下工程观测项目一览表从表8.3和表8.4可知，我国和日本均将地下隧洞围岩观测项目分为必测项目和选澜项目.必痛， 目是地下隧洞闺岩观测的核心，它是设计、施工等所必须进行的经常性量测项目。两国规范(规定对必费 项目的规定基本一致，仅是表述略有不同。选测项目则是由于岩土工程条件、工程规模、工程性质等具体 条件和设计要求不同而选择的观测项目。 8.1.2.2 观测布置观测布置包括观测断面的确定（断面间距）和观测测点的布置。观测断面又可分为系统观测断面和、 般观测断面。观测手段互相校验、印证，综合分析

10、观测断面的变化，这种观测断面称为系统观測断面；仅将 单项观測内容布置在一个观測断面内（通常指收敛观测断面或称必测项目断面、了解围岩和支护在这个 断面上各部位的变化情况，这种观测断面称为一般观测断面。通常认为,从围岩稳定性监控出发，应重点观测围岩质量差及局部不稳定块体；从反馈设计、评价支护 参数合理性出发，则应在代表性的地段设置观测断面；在特殊的工程部位（如洞口和分叉处，也应设置8 測断面。(1）观测断面的确定（断面间距）应该指出，锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB500862001对观测断面间距并没有明确规定,而 锚杆喷射混凝土支护技术规范(。扮8685中，则对观测断面间距规定如下：对一般性观測

11、断面(必侧 项目断面，观测断面间距为2050 m；对系统观測断面，仅规定选择有代表性的地段測试。该规范同时 規定,測点布置的数量与地质和工程有关。在地质条件差和重要工程，应从密布点。系统观测断面间距,其位置与数量由具体需要而定，对洞径小于15m的长隧洞，在一般围岩条件下， 应200 500 m设一个断面。地表下沉观測结果与埋深关系很大，其观测断面间距见表8.5。表8.5地表下沉观瀏的滴点纵向间钜埋深h与隧洞跨度D关系测点距离（m） h D5.0 10.0 D h 2D10.020.0h2D20.050.0在一般的铁路和公路隧洞中，根据围岩类别，洞周收敛位移和拱顶下沉观测的断面间距定为：类:5.

12、020.0m;类：20.040.0m；类：40.0m以上（注:铁路和公路隧洞围岩类别划分有所不同，详见相关规范）。具有高边墙、大跨度等特点的水电站地下厂房，其系统观测断面间距一般为1.5D2. 0D (D为厂房跨度)。现測測点的布置形式 观测測点的布置形式，主要依据隧洞断面尺寸、形状、围岩地质条件、开挖方式、程序、支护类8等因, 而定.在安装埋设和观测过程中，可依据具体情况进行适当的调整。围岩周边收敛位移测点（线）布置 收敛观測点(线）的布置，应根据观測目的、地质条件、隧洞的形态和大小确定。比较常见的布置形 如图8.1所示。若收敛观测的目的主要是为围岩稳定监控服务，且隧洞尺寸不大时,则选用图8

13、.1(a)布点（线）方式 即可；若收敛观测的目的，是要反箅岩体地应力场和围岩力学参数，或计箅边墙两侧中部下沉量时，则选择图8.1(b)或（c)的布点（线）方式较好；当地下隧洞边墙很高，如大于30m时，为了观测可行和方便，则选用图8.1(d) 布点（线）方式较好；若为求一侧边墙下沉量（如边墙中部有断层存在时，则选用图8.1(e)布点(线)方式较好。钻孔位移计观测孔布置形式钻孔位移计观测孔常布置在地下隧洞的拱顶、边墙和拱脚部位，图8.2为钻孔位移计观测孔布置常采 用的几种形式。当地下隧洞高度和宽度差别不大,围岩又存在各向异性时，可选用图8.2(c)、(d)布置形式；当围岩比较均一时，钻孔位移计则可

14、仅布置在隧洞的一侧，如图8.2(c)、(d)布置形式；当地下隧洞规模大，且高宽比大于2.0时，则宜选用图8.2（e）布置形式；当拟掌握隧洞围岩位移变化的全过程时，则可 选择由地表向下钻孔，通过钻孔向预定开挖的隧洞围岩中预埋钻孔位移计。西龙池抽水蓄能电站地下厂 房钻位移孔，在隧洞上部岩体中预埋位移计，如图8.2(f)所示，已有观测成果表明，其观测数据和位移时间关系曲线很有规律。锚杆应力计观测孔布置形式锚杆应力计通常布置在地下隧洞的拱顶，边墙中部、中下部和拱脚部位。图8.3为钻孔锚杆应力计观测孔布置常用的几种形式。当地下隧洞髙度和宽度差别不大洞径（宽)小于10 m时，可选用图8.3(a)布置形式；

15、当地下隧洞高度和宽度差别不大，洞径（宽）大于10m、小于20 m时，可选用图8.3(b)布置形式； 当地下隧洞规模大，且高宽比大于2.0时，则宜选用图8.3(c)布置形式；当围岩比较均一时，锚杆应力计 也可仅布置在隧洞一侧，如图8.3(d)所示。图8.2钻孔位移计观测孔布置示意图钻孔测斜观测孔布置形式对具高边墙、大跨度的地下厂房，钻孔测斜观测孔可布置在边墙两侧中部距边墙2.02.5 m的围岩内；当围岩地质条件均一时，可仅在边墙一侧布置，中小地下隧洞边墙两侧可不布置钻孔测斜仪。支护结构应力应变观测点布置形式混凝土衬砌（喷层应力应变观测布置，除应与锚杆应力观测孔布置相对应外，还应在有代表性的部位

16、布置观测点，以便掌握混凝土衬砌（喷层在整个断层上的受力状态和支护作用。此外，在支护结构应力应 变现测点布置时，还应考虑特殊地质部位、特殊结构部位及地下隧洞是否有偏压、位移是否对称、有无底鼓 可能性等因素。8.1.2.3 监测手段和仪表的选择监测手段和仪表的确定主要取决于围岩工程地质条件和力学性质，以及测试的环境条件。通常,对于 软弱围岩中的隧洞工程，由于围岩变形量值较大，因而，可以采用精度稍低的仪器和装置；而在硬岩中则必 须采用高精度监测元件和仪器。在一些干燥无水的隧洞工程中，电测仪表往往能很好地工作；在地下水发 育的地层中进行电测就较为困难。埋设各种类型的监测元件时对深埋地下工程，必须在隧洞

17、内钻孔安 装，对浅埋地下工程则可以从地表钻孔安装，从而可以监测隧洞工程开挖过程中围岩变形后的全过程。8.1.2.4观测频度的确定 各观测项目原则上应根据其变化的大小和距工作面距离来确定观测频度。如洞周收敛位移和拱顶下沉频度可根据位移速度及离开挖面的距离而定。当不同的测线、测点位移量值和速度不同时，应以产生最大的位移者来决定量测频度，整个断面内个测线和测点应采用相同的观测频度。 锚杆喷射混凝土支护技术规范（）规定的观测频度为：在隧洞开挖或支护后的半个月内，每天应观测次；半个月后到一个月内，或掌子面推进到观测断面大于倍洞径的距离后，每观测一次；个月期间，每周测读次；三个月以后，每月测读次。若涉及有

18、特殊要求，则可按设计要求执行。若遇突发事件或原因参量发生异常变化，则应按特殊观测要求执行，即应加强观测，增加观测频度。8.1.3监测数据的分析及警戒值的确定8.1.3.1观测资料的分析（1） 收敛观测资料整理 收敛观测资料整理包括：整理地下隧洞围岩收敛观测记录，计算经温度修正的实际收敛值，绘制相关曲线及图件。收敛观测资料整理的内容包括：工程名称、观测断面的编号与位置、基线长度、地址描述、收敛计编号；收敛计读数、观测时间、观测温度、观测断面与开挖掌子面的间距等；观测值的温度修正；计算各断面两侧点间收敛值、测点绝对位移值等。经温度修正的实际收敛值，计算公式如下： 式中 实际收敛值（mm） 收敛读数

19、值（mm） 收敛计系统温度线膨胀系数，一般采用a=12 基线长（mm） 收敛计标定时的环境温度（） 收敛观测时环境实测温度（）。收敛观测图表整理主要包括;1 收敛变形与时间关系曲线；2 收敛变形与距掌子面距离关系曲线；3 收敛速率与时间关系曲线；4 相对变形与相对距离关系曲线；5 收敛变形值断面分布图；6 收敛变形汇总表和综合表。上述监测成果作为围岩稳定信息应及时反馈，及时报告给施工单位和设计单位，以指导施工和修改设计。反馈的形式三种：1 险情预报简报（及时发出）；2 定期简报（通常每隔15d发布一次）；3 监测总报告（通常在任务完成后2个月之内提交）。观测资料的整理，应特别注意对影响观测成果

20、的因素的分析。影响收敛观测成果的重要因素有：1 收敛计的精度、灵敏度的影响；2 收敛测桩安装质量的影响；3 收敛测桩保护效果的影响；4 环境的影响，如放炮飞石碰动、震动甚至砸坏测桩，隧洞变化温度的影响；5 人为读数误差的影响，如不同测读人员操作水平及方法产生的影响。（2） 钻孔岩体轴向位移观测资料整理 钻孔岩体轴向位移及整理内容包括：工程名称、观测断面和观测孔及测点的编号及位置，地址描述、轴向位移读数值、观测时间，观测断面与开挖掌子面的距离、观测数据校核及计算。 钻孔岩体轴向位移观测图标整理主要包括“4线2图”，即：1 围岩位移与时间关系曲线；2 围岩位移与开挖进尺关系曲线；3 围岩位移随埋设

21、深度变化曲线；4 围岩位移速率与时间关系曲线；5 观测断面围岩位移分布图；6 钻孔位移计安装竣工图。（3） 锚杆应力观测资料整理锚杆应力观测记录的整理包括：工程名称、观测端面、观测孔及测点的编号及位置、地址描述、钢弦频率值或电阻值、观测时间、观测断面与开挖掌子面的距离。锚杆应力观测表整理主要包括“4线1表”，即：1 观测应力与时间关系曲线；2 观测应力与掌子面距观测断面距离关系曲线；3 测点应力与埋设深度关系曲线；4 锚杆应力变化率与时间关系曲线；5 锚杆应力综合汇总表。资料整理时，应注意影响锚杆应力观测成果的因素。这些因素主要有：1 锚杆应力计的精度、稳定性和灵敏度；2 钻孔注浆质量；3 安

22、装质量；4 测读人员技术素质。（4） 钻孔岩体横向位移观测资料整理 钻孔岩体横向位移观测记录及整理内容包括;工程名称、导槽方位、测斜孔编号、测孔位置、地质描述、最大位移方向及垂直最大位移方向的读数值、观测时间、观测数据校核及计算等。 钻孔岩体横向位移观测图表整理主要包括“3线1图”，即：1 测点变化值与深度关系曲线图；2 水平位移量与深度关系曲线图；3 测点位移与时间关系曲线；4 测斜仪安装竣工图。上述观测资料整理，应特别注意对影响观测成果的因素分析。影响钻孔岩体横向位移的观测结果的主要因素有：1 斜测管和管接头的质量2 灌斜管与孔壁之间灌浆材料（应和围岩变形性质一致）；3 每次测点位置变化（

23、要求每次测量都应严格固定在同一位置上）；4 测斜仪的轴心与感应轴不一致或零点漂移（要求在测量时，一组导槽必须正反测两次，以便自动消除仪器的固有误差）。8.1.3.2 监测数据警戒值及围岩稳定性判断准则（1）容许位移量容许位移量是指不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉的条件下，自隧洞开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的隧洞壁面间水平位移总量的最大容许值，或拱顶的最大容许下沉量。在隧洞开挖过程中若发现监测到的位移总量超过该值，或者根据已测位移预计最终位移将超过该值，则意味着围岩不稳定，支护系统必须加强。容许位移量与岩体条件、隧洞深埋、断面尺寸及地表建筑物等因素有关，例如城市地铁，通过建筑群时一般

24、要求地表下沉不超过510mm；对于山岭隧道，地表沉降的容许位移量可有围岩的稳定性确定。（2）容许位移速率 容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动条件下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。它同样与岩体条件，隧洞深埋及断面尺寸等因素有关，容许位移速率目前尚无统一规定，一般都根据经验选定。 除了以上两种判别标准外，有时还可以根据位移-时间曲线来判断围岩的稳定性。总之，在隧洞施工险情预报中，应同时考虑收敛或变形速度、相对收敛量或变形量及位移-时间曲线，结合观察到的洞周围岩喷射混凝土和衬砌的表面状况等综合因素作出预报。 8.2 矿山巷道锚喷支护工程施工监测8.2.1 监测目的矿山巷道施工监测能够为巷

25、道支护的实施提供基础数据，是巷道支护工程得以巩固和发展的重要保证。其主要目的在于：1 掌握巷道围岩动态及其规律性，为软岩巷道支护进行日常动态化管理提供科学依据；2 检验支护结构设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数和为合理确定二次支护时间提供科学依据；3 监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪反馈和预测，及时发现工程隐患，以保证施工安全和软岩巷道稳定；4 为其他类似工程的设计与施工提供全面的参考依据；5 通过监测资料，可作为软岩巷道工程的质量检查和验收的标准。8.2.2 巷道围岩表面位移观测巷道表面位移测量观测内容包括顶、底板相对移近，两帮相对移近，顶板下沉以及底鼓等。根据测量结果

26、，可以分析巷道周边相对位移变化速度、变化量以及它们与工作面位置关系、与掘巷时间的关系，也可以得到巷道周边的最终位移，从而判断支护效果和威严的稳定状况，为完善支护参数提供依据。8.2.2.1 测点布置及安设（1）测点布置一般采用十字或双十字布点法（图8.4）。（2）测点安设若监测巷道为新掘巷道，则观测断面应布置在距掘进头56m范围内。按设计在观测断面布点，测点的安设方法如下：在测点处钻直径42mm、深380mm垂直围岩表面的钻孔，奖直径42mm、长约400mm的木桩打入孔内，木桩端部安设环形钩和平头测钉，作为测量基点。8.2.2.2测量方法按一定时间间隔,用测杆，测枪，收敛计或测线绳分别测量AC

27、、BD、AO、BO【8.4（a）】或AC、BD、EF、AO、BO、EO1、BO1【8.4（b）】等各测点的距离，即可计算出各点的位移量，两测点相邻两次测试数据的差值即为两点相对移近量，以此累加相邻两次侧试数据的差值即可得两点相对总移近量8.2.2.3监测数据处理（1）量测频度位移的量测频度，一般是开巷初期多些，围岩稳定后少些，具体要求如下：踩准巷道（煤巷）。掘进工作面50m以内1次/d；掘进工作面50m以外2次/周；回采工作面50m以内1次/d。永久巷道（岩巷）。掘进后115d：（12）次；161个月：1次/2d；（23）个月：每周13次；3个月以后：每月13次。(2)数据处理现场测量的数据应

28、及时整理绘制出时间位移曲线（tU曲线）或位移距离曲线(UD曲线)。时间位移曲线如图8.5所示。曲线的时间横坐标下应注明开挖工作面距测量断面的距离。8.2.3 巷道围岩深部位移监测8.2.3.1监测仪器点位移计常用来监测巷道围岩深部位移。它是一种监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间内深部围岩变形随时间变化情况的仪器。安设多点位移计的目的是：了解巷道围岩各部分不同深度的位移，岩层弱化和破坏的范围（离层情况、塑性区、破碎区的分布等）；判断锚杆与围岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变；为修改锚杆支护设计提供依据。国内外围岩深部多点位移计的种类很多，尽管它们具有不同的参数结构，组成和适用条件

29、，但其目的都一样，如KWD1型机械式多点位移计，DW机械式多点位移计，声波多点位移计等。下面以KDW1型机械式多点位移计为例来说明多点位移计的使用方法。KWD1型机械式多点位移计由孔内固定器、位移传动装置、孔口测读装置组成，见图8.6.根据测量需要，测量深度，测量点数可以变化，一般每个钻孔内布置47个测点，一个测点安装一个孔内固定器，测点深度与巷道表面距离根据需要确定。8.2.3.2 KDW1型多位点位移计的监测数据处理如图8.7所示，设最深点A点为不动点，如果测得A点、B点与围岩表面的相对位移LA和LB，则它们的差LA-LB就是点A到点B间围岩绝对位移值。绘制观测数据曲线，绘制曲线可有两种形

30、式：以测量点距巷道表面距离为横坐位标，各测点围岩绝对位移值为纵坐标，绘制出围岩内部位移曲线。根该曲线的斜率变化可判断岩体非弹性变行区和松动区范围。以巷道掘出时间为横坐标，围岩绝对位移值为纵坐标，绘制出距巷道表面不同深度围岩随时间的变化曲线，则根据不同深度位移变化亦可以判断围岩松动范围以及巷道受掘进影响的程度。根据计算数据及观测曲线判断锚杆设计是否合理以及锚杆与围岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变，为修改锚杆支护设计提供依据。8.2.4 顶板离层监制8.2.4.1监测目的。安装离层指示仪的目的：对顶板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板失稳的征兆，以免冒顶事故的发生；监测数据可作为修改、完善修改锚杆支护初始设计数据的依据之一8.2.4.2 监测仪器顶板锚固区内、外的离层值可采用顶板离层指示仪进行测量。顶板离层指示仪是监测顶板锚固范围内及毛固定范围外离层值变化大小的一种监测装置。顶板离层指示仪实际上是两点巷道围岩位移计。在顶板钻孔中布置两个测点：一个在围岩深部稳定处；一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间及锚杆端部围