第四章地下工程监测.doc

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1、第一节 监测的目的与意义第二节 监测的方法与监测设计 第三节 工程实施 第四节 监测资料整理分析 第一节 监测的目的与意义地下工程是修建在具有原岩应力场、由岩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。因此，工程的安全在很大程度上取决于围岩本身的力学特性及自稳能力，取决于其支护后的综合特性。由于地下工程是埋藏在地下一定深处，而这种天然地质体材料中存在着节理裂隙、应力和地下水，因此，地下工程的兴建比地面工程复杂得多。特别是在地下工程开挖之前，其地质条件、岩体形态不易掌握，力学参数难于确定，人们不得不借助现场监测，获取建筑物性状变化的实际信息，并及时反馈到设计

2、和施工中去，直接为工程服务。监测目的：评估与诊断、反馈与预测、信息化设计与施工控制、研究与技术进步。第二节 监测的方法与监测设计 (一)监测设计所需资料：在搜集资料时，应针对工程规模、不同 设计阶段以及关键问题等选用表中的资料。(二)监测项目选定与仪器选型。1项目选择原则监测项目的选择，应以工程条件确定之后所进行的工程性状预测为 基础，同时考虑下述原则。(1)根据监测目的分别选定重点项目。(2)根据工程阶段分别选定。(3)根据工程的规模、等级(重要性)、经费的承受能力等因素综合确定。(4)根据覆盖层的厚度、岩性及断裂构造，岩体变形、破坏机制，从而应采取的支护方式选取监测项目。2仪器选型仪器选型

3、应按照以下一般原则进行。(1)根据确定的监测项目选择相应的仪器，仪器数量宜少而精；(2)监测仪器的精度和量程应满足具体工程的要求，此要求应根据岩 性、计算值或模型试验值等进行的预测的大和小值确定仪器的精度 和量程； (3)仪器应准确可靠，坚固耐用，能适应潮湿甚至涌水、爆破振动和 粉尘等恶劣环境下工作；(4)仪器轻便，布置简单，埋设安装快捷，操作读数方便，占用掌子 面时间短，对施工干扰少。(三)监测设计1监测断面的选择(1) 监测断面应按工程的需求、地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面。(2) 监测断面布置要合理，注意时空关系。(3)在断面的选择上应注意埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物尺

4、寸及形状、预计的变形及应力以及施工方法、施工程序等。(4)断面可分为主要监测断面和辅助监测断面。(5)城区地下施工，需要预测地基变化和爆破层动对邻近建筑物的影响，注意研究开挖中的深层滑移和地层失稳，以及支护的设置。(6)在观测断面上，应根据围岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形和应力等物理量分布特征布置测点，应在考虑均匀分布、结构持性和地质代表性的基础上，依据其变化梯度来确定测点数量。梯度大的部位，点 距要小；梯度小的部位，点距要大。2监测孔(点)的布置(1)收敛测线(点)的布置 (2)多点位移计测孔(点)的布置a多点位移计用于观测岩体内深部两点之间沿钻孔轴线方向的相对位移。

5、 b测孔一般布置在地下洞室的顶拱、拱座及边墙，有对称和非对称式布置，现埋和预埋孔两种方式。布置时应注意围岩变形的时空关系。c测点布置应考虑围岩应力分布、岩体结构等地质条件。(3)钻孔测斜仪测孔的布置 a测斜仪布置，应根据围岩应力分布状态和岩体结构，重点布置在位移大、对工程施工及运行安全影响大的部位。同时兼顾其他比较 典型或有代表性的部位。b大跨度洞室的拱部可以通过附近洞室垂直洞室轴线布置水平测斜管，用水平型测斜仪观测拱部位移。(4)滑动测微计布置滑动测微计是观测岩体内部沿孔轴方向两点间相对位移的一种多 点位移计，不同的只是可以每相隔lm一个测点。其布置方式可与多点位移计相同，测孔方向不限。(5

6、)锚杆应力计测孔(点)的布置a用于观测轴向力的锚杆，既要起支护作用，又有监测随岩体变形锚杆内产生的应力的功能，为保证观测的真实性，观测锚杆的材质、 截面面积都应与实际的相同。b按断面布置，按需要或在变形大的部位随机布置，布置数量一般不作硬性规定。c选定的观测锚杆应具有代表性。(6)应变计和钢筋计布置应变计和钢筋计主要用于支护结构、桥梁等结构物的应力、应变观测。有时也用来观测围岩的应力、应变。(7)压力(应力)计布置压力(应力)计一般布置在围岩与支护结构的接触界面上。围岩内部和结构内部的压力计应根据压力分布和方向布置。(8)渗流观测布置a在水文地质具有代表性或预计渗压大的地方，布置渗流观测仪器。

7、b对覆盖层浅的洞室，可从地表平行洞壁钻孔，埋设测压管或渗压计；对覆盖层厚的洞室，可从洞内向围岩钻孔埋设渗压计；可利用周围 有排水洞、勘探平洞等，向大型地下洞室钻孔埋设。c在渗水处可设排水孔集中将水引至洞室下游适当位置处设量水堰，监测渗水量大小及其变化。(9)精密水准测量a为观测大型地下洞室的顶拱下沉、仰拱上抬(隆起)、覆盖层薄的地表或房屋建筑物的沉陷及洞室顶拱下沉，常采用精密水准测量。b为量测上述垂直位移，测点应分水准基点、起测基点及位移标点三级。c水准基点是垂直位移观测的基础，是假设的不动点。如该点超标变动，则影响整个观测精度，在布置时要适当远离测区，埋设在基岩内，避免各种人为活动对基点频繁

8、的影响，保证埋设质量。d起测基点通常布置在欲观测断面的两侧3倍洞径以远，靠近边墙部位，避免施工干扰，尽可能地不影响架设仪器施测。e垂直位移(沉降)标点一般布置在顶拱，与多点位移计测孔、 收敛计标点相衔接的部位；防止爆破损坏，应进行保护；不宜设于阻碍视线通视的地方。(10)围岩松动范围观测布置围岩松动范围观测是指测定由于爆破的动力作用、洞室开挖岩体应力释放引起的岩体扩容二者共同作用下导致的围岩表层岩体的松动厚度。监测成果可以作为锚杆及其他支护设计和围岩稳定分析的依据。通常采用声波法(用声波仪观测)和地震波法（用地震波仪观测)。开挖前后都要观测，以便对比分析，确定松动范围。a声波法根据围岩应力、变

9、形情况和洞室几何形状，考虑不向岩性、不同施 工方法选定观测断面，一般应在预测的松动范围大小厚度的部位布置测孔。测孔应垂直围岩表面，呈径向布置；孔深应超过预测厚度；孔径应大于换能器的直径。测孔数一般应满足圈定松动范围界线的要求。b地震波法(地震剖面法) (11)爆破影响监测布置a爆破影响监测，指介质质点速度、加速度和动应变监测。b监测内容上包括：爆破对开挖洞室围岩、衬砌支护的影响和对相邻洞室围岩、衬砌支护的影响。第三节 工程实施 一、监测仪器的组装、检验、率定专用仪器的率定检验，可参照仪器说明书。(1)仪器率定前进行系统编号，同时建立档案和记录，号牌应牢固耐 腐。(2)仪器到场后，进室内率定检验

10、。安装埋设过程中，每道工序都应 检验并记录，合格后再进行下一道工序施工。(3)在有渗透水压力环境下工作的仪器和电缆，如水工压力隧洞的观 测仪器和电线，必须经过严格的压水检验。一般在具有1.2倍设计内 水压力的容器中，压水24小时后测定仪器的抗水性能。(4)地下工程监测仪器一般是在距离爆破中心较近处埋设，同时又受开 挖爆破长时期的振动，因此，需要考虑抗展性能的检验。二、观测断面和测点的定位放样(1)观测断面和测点的定位放样，可按照施工测量规范进行。(2)地下洞室仪器安装埋设的土建施工放样，应与地下洞室施工测量相同， 以施工导线标定的轴线为依据。(3)埋入围岩中的仪器一般分为预埋与现埋两种所谓预埋

11、是指开挖前预先埋入围岩，以达到测量开挖全过程的岩体变化；所谓现埋是指在开挖面附近埋设仪器，这样可以测到大部分过程的岩体变化。因此，地下工程监测，定点放样有个时机问题，预埋的仪器孔点位置应在被测洞室的 开挖面距离观测断面一倍洞径之前定位放样，现埋仪器孔点位置应在 开挖面越过1.2m时放样。三、监测仪器安装埋设与观测地下工程的变形监测主要有：围岩表面和内部位移监测；各种 结构物的变形监测；地表、地中沉降和由此引起的地震、地中建筑 物变形的监测。观测的内容有：变形值、变形速率、变形分布、变 形范围、变形空间效应、变形时间效应、围岩松动范围等。下面将 介绍常用的变形监测方法，其中有些是岩土工程监测的常

12、用方法， 这里只说明为适应地下工程监测特点的技术要求。（一）收敛计安装埋设与观测地下洞室围岩收敛观测是应用收敛计量测围岩表面两点在连线(基线) 方向上的相对位移，即收敛值。收敛观测是岩体原位位移观测的重要方法之一，已广泛地应用于岩土工程安全监测。应用收敛计观测岩体位移，仪器结构简单，使用灵活，经济易行。收敛观测也适用于岩体表面两点问的距离变化的观测。收敛观测采用卷 尺式收敛计、对于其他形式的收敛计，可参照使用。收敛观测受登高设备条件制约很大，如果登高问题能够解决，则收敛观 测不受洞径大小的限制。(1)收敛观测断面的测线布置a当地质条件、洞室尺寸和形状、施工方法等已定时，地下洞室围岩的位移主要受

13、空间和时间两种因素的影响。因此，围岩位移存在“空间效应”和“时间效应”。“空间效应”是掌子面的约束作用产生的影响。“时间效应”是指在掌子面约束作用解除后，收敛位移随时间的延长而增大的现象。这两种效应是围岩稳定情况的重要标志。可用来判断围岩稳定情况，确定支护时机，推算位移速率和终位移值。因此，根据地质条件、围岩应力大小、施工方法、支护形式及围岩的时间和空间效应等因素，按一定间距选择观测断面和测点位置。观测断面间距宜大于2倍洞径。b初测观测断面应尽可能靠近开控掌子面，距离不宜大于1.0m。因为根据实测资料分析 ，一般情况下 ，当开挖掌子面距观测断面1.52.0倍洞径后，“空间效应”基本消除。距离掌

14、子面越远，围岩位移 释放量越大，距离1.0m时，位移释放约2030。因此，要求测点 埋设应尽量接近掌子面。c基线的数量和方向应根据围岩的变形条件和洞室的形状与大小确定。d测点布置要优先考虑拱顶、拱座和边墙，若围岩局部有稳定性差的岩体也应该设置测点，遇软弱夹层时，应在其上下盘设测点。(2)测桩的埋设a为了使测点能代表围岩表面，测点应牢固地埋设在围岩表面，其深度不 宜大于20cm。b清除测点埋设处的松动岩石。c用钻孔工具垂直洞壁钻孔，将测桩固定在孔内孔口设保护装置。(3)收敛观测对收敛观测的要求：a观测前应在室内进行收敛计标定。b观测前必须将测桩端头撩洗干净。c将收敛计两端分别固定在基线两端的测桩

15、上，按预计的测距固定尺长， 并保证钢尺不受拉。d不同的尺长应选用不同的张力。调节拉力装置，使钢尺达到巴选定的恒 定张力，读记收敛值，然后放松钢尺张力。e重复第d条的程序两次，三次读数差，不应大于收敛计的精度范围。取三次读书的平均值作为计算值。f观测的同时，测记收敛计的环境温度。（二）多点位移计安装埋没与观测在地下工程监测中，多点位移计是测钻孔轴向变形的仪器，主要 用于围岩表面和围岩内部位移观测；地表和地中沉降观测似及结构物 的位移观测。多点位移计种类比较多，但在安装埋设方法上大同小异。因为其结构都是由传感器、锚固点、传感器与锚固点的联接件三部分组成的，不同的是锚固点锚固的方式有所不同，传感器有

16、并联和串联两种方式。(1)多点位移计的埋设布置a每支多点位移计的位置、轴向、长度及锚固点的数量，要按照地下工程技术的特点选择。同时考虑预期的岩体位移方向和大小、所安装 的其他仪器的位置和性能，以及仪器安装前后和安装过程中工程活动的 过程和时间。b位移计的长度应考虑到围岩预期的松动范围。欲测绝对位移并以深点为基准点时，深一个锚固点应设置在工程影响范围以 外。在有围岩锚固结构的部位，深一个锚固点应固定在锚杆的内 端点以外。总之锚固点的设置应使位移计能测到大的变形值。软 弱结构面、接触面、滑动面等部位，宜在两边各设置一个锚固点。 位移计锚固点的间距要根据围岩位移变化梯度来确定，梯度大的部 位，如靠近

17、内表面部位，锚固点加密。c在地下工程中，位移计应尽可能在开挖之前埋设，或在开挖 面附近12m之内埋设，或在导洞、耳洞内预先埋设，以便及早地测 得开挖后的全变形，这对运行期的监测也是必要的。(2)多点位移计的安装埋设a埋设在拱部上斜或上垂孔内的位移计，要充分估计仪器安装埋设时孔口承受的荷裁(仪器自重和灌浆压力)。若孔口岩面较好，可用锚栓和钢筋作支撑；岩石差的孔口需专门搭设构架作孔口支撑，直至钻孔注浆固化后方能将构架拆除。对于水平孔和下斜孔，孔口固定件只需保证组 装壳体不动即可，同时也要注意因孔内沉浆而导致壳体固定不牢。b仪器安装，应由多人将组装好的多点位移计整体托起，缓缓放入钻孔内。注意在放入过

18、程中，杆系不能有过大弯曲，不能用力牵拉，以防传递杆折断和护管脱开。组装头就位前要用浓水泥浆把扩孔壁和壳体外侧均匀涂抹，就位后用孔口支承构件固定，24小时后注浆。c钻孔灌水泥浆时，要严格控制工艺标准。尤其上斜孔和上垂孔， 要确保灌注饱满，保证每个锚固点都能锚固。为此，灌浆至不吸浆时， 继续灌注10分钟之后，排气管出浆比重和浓度与吸浆槽浆掖相同时方 可闭浆。闭浆时严防孔内浆液回流。d待水泥浆固化24小时之后，调试仪器，观测初始读数。打开传感 器组装筒，用手预拉每一根传递杆，同时用仪器读数监视，调试完之 后，密封传感器和电缆接头，后密封组装筒，装上孔口保护装置。 观测初始读数，每隔30分钟测一次，连

19、续三次读数差小于1(FS)时 的平均值作观测基准值。e仪器埋没注浆结束24小时后；其附近开挖面才能爆破。(3)多点位移计观测a基准值确定后，在测孔近区爆破时，每排炮烃前爆后各观测一次，并作计算：动态位移增量=爆后测值爆前测值；静态位移增量下排炮爆前测值本排炮爆后测值。当静态增量大旦发展较快时应加密观测次数，反之则减少观测次数或只在爆破前后各测一次。当爆区离测孔较远时，可放宽观测频率，如37天测一次。b围岩稳定监视。当发现排炮影响量(动、静态位移增量)较大时，应加强观测次数并认真分析。第四节 监测资料整理分析 一、监测资料的搜集和整理 (一)监测有关资料的搜集 由于地下工程自身的复杂性，进行监测

20、资料整理分析之前，应 对观测数据，人工巡视资料和其他有关工程资料进行全面搜集和 采集。除一般性监测有关资料外，对地下工程而言，还应特别注 意搜集下述资料。 1仪器埋设位置附近地质资料 包括地质速描图和钻孔柱状团，岩性、地质构造(如节理、裂 隙、断层和褶皱等)的详细描述，地下水状态和变化等。其中，钻 孔柱状图对多点位移计和测斜管等监测仪器的资料分析是必不可 少的，也是国际岩石力学学会建议的技术要求，不可因施工方便 等原因不认真执行。 2监测仪器埋设的详细资料 如施工详图、竣工图、仪器安装埋没记录、钻孔日记、钻孔的回填 灌浆、渗压计等仪器端部各层境筑的详细记录等。 3监测断面附近爆破、开挖、支护等

21、施工作业的详细记录 如爆破时间、部位、装药量、药室布置、引爆方式、技术要求等； 开挖方式、部位、梯级、循环进尺、支护方式、参数、时机等。在地 下工程中，不乏存在因施工资料不完整、不详尽，而使监浏资料无法 正确分析解释的实例，必须认真记取并引以为戒。 4有关的设计、地质、试验和科研资料 如计算分析、模型试验、室内外试验、前期监测资料报告、相近工 程比较详尽的工程类比资料等。这些资料的完整与否，将直接影响监 测资料整理、分析和反馈的可靠性、质量和水平。 (二)监测资料的表示方法 地下工程监视资料的表示方法有表格、图形、文件、磁盘、录音录 像、计算机数据库等多种形式。对于文件、磁盘、录音录像和数据库

22、等 表示方法，地下工程与边坡、大坝和坝基等是相近的。另外，地下工程 所采用的许多监测仪器，如多点位移计、收敛计、测斜计、渗压计、测 缝计等，与边坡工程相同，它们的监测资料表示方法，如表格、图形及 计算机数据库等，这里主要说明地下工程监测资料图形表示法的特点。 1物理量过程线 监测物理量(或物理量时间速率)过程线中横坐标采用时间坐标或 时间及距工作面距离双坐标；纵坐标采用物理旦(或其速率)量值和距工 作面距离双坐标。图中好有测点布置简图，要在画出过程线的同时， 画出开挖进尺过程线；如有可能，图中可画出监控设计曲线。一般应将 监测量的速率过程线放在监测量自身过程线同一幅图的上方或下方，以 资对照比

23、较。 除开挖进尺曲线外，必要时还应同时画出监测仪器附近爆破、 各种支护等施工作业的进度曲线。 2时间和空间效应曲线 时间效应和空间效应曲线是由监测物理量过程线分离出来的， 是地下工程进行监测资料定性分析的重要依据。其中，时间效应是指 在工作面不动和其他施工作业均不进行的条件下，由于围岩蠕变等原 因引起各种监测量随时间的变化。空间效应是指仅仅由于开挖作业工 作面推进引起监浏物理量的变化，一般具有瞬间突变特点，与时间无 关，属岩体弹塑性变形。通常，时间效应和空间效应与监测物理量总 过程线的关系比较复杂，严格说来也不满足更加原理；但对于工程实 际问题，在采用钻爆法的条件下，用爆破作业前后监测量之差值

24、表示 空间效应，用前次攥破后至下次爆破前监测量之差表示监测量的时间 效应，即随时间的变化是可行的。 3物理量分布图 对地下工程而言，主要是绘制监测物理量沿洞周和围岩深度 两个方向的分布图。 4物理量相关图 包括为进行统计比较而绘制的多测点或不同工程各物理量之 间的散点相关图和反映两物理量之间关系的曲线相关图。 (三)丢失初始值的估算问题 地下工程监测物理量的计算与其他工程基本一致。计算过程比 较持妹的技术问题是丢失初始值的估算问题。由地下洞室全断面 开挖过程的空间效应曲线图可以看出，在工作面尚未达到监测断 面时，围岩已开始变形；工作回到达监侧断画时，围岩变形已达 到开挖总变形的20%30%。一

25、般情况下，由于仪器只能埋在已开 挖出的工作面后方，距工作面0.51.0m范围内，因此丢失的初始 监测值为总监测值的3040左右。 对于洞径较小的洞室，这一比率还可能增大。但对洞径较大的 洞室，由于将采用台阶式开挖，每一台阶的工作面又有沿洞轴推进的 空间效应，情况比较复杂。一般说来这时丢失的监测量初值比率要大 大小于以上数值，具体丢失比率可根据工程经验，前期开挖或有限元 计算分析成果参考给定。 二、测点观测值影响因素定性分析 地下工程监铡资料分析的定性常规方法有比较法、作图法、特征 值统计法和测值影响因素定性分析法等，前三种方法与其他工程类同， 下面重点说明测值影响因素定性分析法。 (一)仪器因

26、素 据分析，仪器因素对物理量监测值造成不良影响占物理量测值出 现非正常情况相当大比例，一般仪器对监测值的不良影响主要包括仪 器本身、仪器理设和仪器使用过程对监测值可能造成的不良影响等情 况。 1仪器自身因素 仪器本身的影响中仪器质量问题占相当大比重，如部分振弦式仪 器常出现停振或异常跳动，电缆受潮等。一些仪器构造本身的缺欠也是 监测资料分析中必须考虑的因素，如滑动式测斜仪的位移积累误差。另 外有的仪器对外界环境不适应而不能正常工作，如斜向有弯度的钻孔中 的多点位移计，因孔壁摩擦阻力使测值产生锯齿式跳动，差动变压器式 仪器接头受潮引起测值异常浮动等。 2仪器埋设因素 仪器埋设因素如渗压计各层回填

27、料级配不符合要求，出现堵孔， 或未能与岩石含水裂隙连通，测不到裂隙水压力等。测缝汁或收敛计测 桩设置位置不当，未能测到岩层或断层上下盘问滑移、开合变形等，多 点位移计和测斜管回填灌浆不密实，测桩或锚固点松动等都会对仪器测 值产生明显的不良影响。 3仪器使用因素 仪器使用因素对测值的不利影响主要来自人员，使用条件不当或方 法不合理等原因。其中人的因素可能是人员素质偏低出现的使用方法 不当、测量不及时或产生较大偶然误差和粗大误差。由于施工干扰或 观测条件限制，出现重要时段漏测。仪器物理量转换公式的使用、参 数的选取、初始值或基准值选取，差动电阻式仪器电缆长度影响的修 正等，如处置不当亦可对测值产生

28、不良影响。对于多点位移计和锚索 测力计等仪器，在仪埋前必须进行现场组装和率定。如现场组装和率 定方法不合理，或用厂家率定参数代替，均可对监测物理量产生较大 不利影响。 (二)施工因素影响 在地下工程施工期，各种施工因素如开挖、爆破、回填灌浆、支护 加固等均可对监测值造成不利影响，如不能及时查明和排除，不仅无 法正确评价监测物理量和地下洞空围岩的安全稳定性，而且势必将带 入运行期，对运行期监测资料分析造成困难。 1爆破影响 爆破施工的影响：第一是可引起岩体松动，导致岩体应力降低，并在 洞周附近形成松动圈，松动团范围内岩体破碎，弹性模旦明显降低，位 移显著加大，松动圈范围可由声波法测定。声波法测量

29、成果及爆破施上 引起位移等物理量监测值增大情况。第二是可能打坏测桩、测点利仪器 头部，或达成测桩松动、倾斜及破坏，从而影响成果的可靠性。第三是 爆破开挖引起的岩体震动和空间效应，不仅在爆破地点附近，而且对距 爆破地点有相当距离地段(如2030m)的监测值也会有一定影响，如不能 及时正确分析查明，将直接影响监测物理量状况和洞室围岩安全稳定性 的正确评价。 2支护加固措施影响 支护加固措施中分为永久支护和临时支护两大类，其中临时支护措 施又有喷射混凝土、预应力或非预应力式锚杆、锚喷网联合支护、钢拱 架和预应力锚索等多种形式。 各种支护加固措施均对物理量监测值有重要影响，其对地下洞 室的加固效果也需

30、通过监测数据和资料进行评定。还应说明的是， 对于地下洞空广泛采用的各类锚喷支护的作用机理尚待进一步研究 论证，在许多情况下需要配合进行监测工作，将安全监测数据采集 同详细地对施工记录、施工支护类型、部位、参数、支护时机和技 术条件等搜集结合起来，通过监测资料评判支护加固措施的效果。 3支护对围岩变形的约束 监测资料表明，围岩变形受到支护方式、支护时机和支护参数的 制约和控制，喷混凝土、锚杆、锚索等不同支护形式对围岩变形的 抑制作用是不同的，同时，锚喷支护的时机和强度对围岩变形的抑 制作用也有显著差别。 4支护对监测量影响特点 对于混凝土锚板、混凝土拱，接缝、固结和回填灌浆对物理量监测 值的影响

31、也必须进行认真判别和分析。 一般说来，以上加固形式对围岩的作用均有一定滞后，与设置时间 不完全对应；另外，受到影响的监测物理量部位也可能与实际加固部位 不完全一致。 (三)工程地质因素的影响 1地质因素对监测量的综合影响 工程地质因素对物理量监测值的影响是基本的和多方面的 2地质构造对监测量的局部影响 研究表明，断层或构造较发育的节理对局部相邻围岩的应力场相位 移场可产生显著的影响。一般说来，洞室开挖后，园岩在经历应力重分 布的过程中断层破碎带有可能进入塑性受力状态，使附近围岩的位移值 增大，继而出现滑移、错动、断裂和较大裂缝开合变形。仪表设置位置 与其靠近时，应注意考虑这类因素对位移观测慎的

32、影响。地质构造的影 响与地质构造的特征、类型、部位、范围等有密切关系，故应对有关地 质资料详细搜集。 另外，测点位置与地质构造的关系也是必须查明的。对于多点位 移汁、测斜仪等较重要监测项目一定要提供钻孔柱状图，并标明测点 与地质构造，如断层、裂缝等的相对关系，还应由多点位移计各测点 与仪器表头部位的相对变位计算出各测点间相对变位值，并与断层裂 隙等地质构造相互对照，查明变形发生的主要部位和各地质构造带变 形情况。一些地下工程监测资料表明围岩开挖施工后的变形和应力 调整过程，即使对质量较好的、类岩体，仍将持续较长时间。另 外，工作面前方的断层等地质构造对其后方位移测值的影响是较微弱 的。这类情况

33、只有通过对监测资料做认真地仔细分析才能予以查明。 3地下水影响 不良地质条件中，地下水对监测量的作用和影响也是十分复杂和重要 的。地下工程和边坡工程在施工期出现滑坡和塌方，很多情况下是雨 季地下水活动造成的。另外，施工用水和其他地下水的处置不当或渗 控措施不力也往往是重要因素。 在地下工程监测资料分析中，监测量如果出现蠕变型时间效应， 而未发现其他地质条件(如断层、裂隙、夹泥等)有明显变化，则应首 先查明地下水的作用和影响，同时也需仔细分桥渗控措施的效能以及 围岩渗漏条件，如岩体裂隙渗流条件等，才能对监测资料和地下工程 安全稳定性作出合理评判。 (四)时空效应对物理量监测值的影响 1时空效应的

34、分离 时间效应和空间效应分析是地下工程监测资料定性分析的重要工作 之一。在监测资料分析中，应按本节中方法将物理量总监测值曲线分 解为时间效应和空间效应曲线，确定两者的量级、变化规律及比例关 系，并据此分析洞室围岩的作用机理。必要时，还应引进定量分析方 法，给出其统计回归表达式、统计分析、确定性或混合性模型，以评 判围岩的安全稳定性，预测未来发展趋势。 2空间效应计算 空间效应的影响可按地下洞室的开挖作业型式分为全断面开挖和台阶 法分步开挖两种情况。其中全断面开挖的空间效应曲线，其规律较为 简单，监测资料分析的重点是由该曲线确定监测物理量的初始丢失值 (或称损失量)和空间效应系数。后者为观测断面

35、与上作面重合时监测量 丢失系数，一般与初始地应力水平、岩性及围岩地质构造特征等有关。 3时间效应分折 在地下工程监测资料定件分析中，如果空间效应引起的变形和应力 的弹塑性调整，未出现应力(强度)、应变成变形越限，则开挖施工的空 间效应对地下洞室安全稳定性没有显著影响。对时间效应的分析则应 主要根据变形速率量值和变化规律，分析岩体流变特性和对安全稳定 状态的影响。 如果时间效应的变形速率呈等速或加速增长，则说明围岩己由 于等速和加速蠕变而处于不稳定状态。当然，尽管时间效应变形 速率判别准则是围岩失稳的充分条件，并为工程实践和理论分析 所验证，但它还不是围岩失稳的必要条件。该准则对于非时间效 应因

36、素引起的失稳破坏，如弹塑性张拉和压剪破坏、松动坍落等 失稳形式，没有任何判别价值。因此，必须全面分析研究监测资 料的空间效应和时间效应特性，以便进行综合析和评判。 地下洞室围岩的时间效应曲线的规律与岩层特性有关。在硬 岩地层中开挖隧道时，收敛位移速率可很快降为趋近于零。软岩 地层中位移速率下降过程的持续时间则较长。通常情况下，位移 速率小于0.1mm/d时，可认为围岩已基本稳定，这时量测断面与开 挖面之间的距离约为隧道当量直径的12倍。膨胀性地层中，这一 比值增为34倍。而在土质地层中开挖隧道时，常在形成闭合断面 后位移速率才趋近于零。 三、地下工程监测资料的定量分析方法 与其他岩土工程相同，

37、地下工程监测资料的定量分析方法基本上可分为 统计学方法和确定性方法两大类。统计学方法主要是统计回归方法，另 有近年来发展起来的灰色系统、模糊数学及神经元网络等方法。确定性 方法常用的有有限元方法、边界元方法、块体理论方法和反分析方法等。 (一)统计分析方法 已经发展的用于地下工程监测资料统计分析方法有统计回归、模糊 数学、灰色系统和神经元网络等方法。工程中较为常用的是统计回归方 法。按照我国锚喷支护规范规定，在施工期，地下洞室监测资料的回归 分析，如大位移值的预测，可选用以下六种函数： 注意:以上六种函数均为非线性函数在回归计算确定其相应常数a、b等 时，需要采用非线性函数小二乘法等回归计算方

38、法。回归分析中，还 需根据离差的大小对人种函数的拟合程度进行比较，由此选出合理的回 归函数模式，并用其进行未来时段的预测预报。 该式对洞室开控全过程的拟合精度较高，用于未来时刻预测方 面的效果是好的，但需注意的是如用其进行时间效应和空间效应分 离则与一般分离方法有较大差别。这是由于其对洞室开挖机制的 模拟与实际钻爆法不符，即开挖荷载是间断突然施加的，而不是象 该公式假定的那样连续缓慢施加的。 统计回归方法主要适用于长隧洞施工及其他影响因素较为简单的 工程。如果施工情况及其他荷载条件比较复杂，特别是不能用函数 关系或确定性力法描述时，则可采用灰色系统、模糊数学或神经元 网络等方法进行分析预测。其

39、中，神经元网络预报方法，不仅可以 分析数值型因子，还可考虑非数值型因子，对原始资料要求低可 同时分析因素多，预报精度也高，是一种较有发展前途的统计分析 预测方法。 统计分折方法主要适用于长隧洞、长时间监测资料系列、未来较长 期间的预测。对于地下厂房较大规模洞室，由于施工因素错综复杂， 施工期安全监测义要求进行近期较短时段内(如开挖观测断面23D之 内)的变形预报，统计分析方法是无能为力的。 (二)岩体结构模拟问题 在确定性定量分析方法中，需要着重解决不同类型的岩体结构的 模拟问题。因为，在大多数情况下，洞室岩体结构是决定同岩破坏形 态和安全稳定性的重要因素。只有在深埋等特殊条件下，岩体结构 的

40、影响才可能逐渐降低，而初始地应力的影响有可能上升为主要矛盾。 因此，一个合理的确定性方法首先要解决岩体结构的模拟问题。但在 地下工程岩体稳定分析和现场施工安全监测预报中，府用传统的岩体 结构分类方法存征一定困难，而将洞室围岩粗略分为连续体、块体和 松散体等几种比较简化的结构类型，分别用不同方法模拟将是比较方 便的。 1连续体结构 连续体结构包括整体状、层状及部分碎裂和软弱松散结构岩体 其共同特点是围岩失稳机制可以基本上由变位、应变、应力等参 数描述，因此能用连续介质物理力学理论模拟，并采用粘弹塑性有 限元等数值方法分析评判。同时，可应用位移，位移速率，应变等 判别被则进行安全预报。 2块体结构

41、 块体结构主要指岩体质较好的、类围岩中的块状岩体，其 失稳机制受岩体结构面不利组合所控制，其失稳滑塌的形态在空间 上可形成连锁反应，在时间上具有突发性。对于块体结构岩体采用 连续介质理论和有限元方法分析也是可行的，佃显然不够灵活方便， 也没有切中岩体结构面不利组合的要害，而石根华Goodman的块 体理论分析方法大有用武之地。 3松散体结构 松散体结构主要是松散结构和部分粘聚力很少的碎裂结构岩体； 由于散粒和碎块粒之间基本上不存在粘聚力，岩体自身支撑能力很 差，在没有外界提供粘结力或支护条件下，只要暴露于洞室临空面， 就很容易自动松散滑塌。连续介质和块体理论方法对它们都个尽适 用。应该选用太沙

42、基平衡拱理论或普氏塌落供方法进行洞室安全稳 定校核，或采用适用于土体及堆石体类材料有限元方法分析，如 Biot固法理论的粘弹性材料，DuncanChang非线性弹性或剑桥弹 塑性模型材料等进行有限元分析。 4其他岩体结构 以上三类岩体结构是经常遇到的，但是工程小还可能遇到其他类 型岩体结构，例如孙广忠1984年提出的板裂结构，这种结构有时是 洞 室 高 边 墙 切 向 应 力 升 高 引 起 的 张 裂 破 坏 滑 移 ， 剪 切 和 溃 屈 (Buckling)破坏的主要原因。 采用与这一结构不符的任何其他方法都不能预测其失稳过程。只有 采用结构力学板壳屈曲理论才能使问题得到正确解答。因此，

43、在安全监 测中，技术人员应把理论研究与具体上程实际结合，针对围岩结构的具 体特点，选用与之适应的模拟方法。 (三)有限元方法 有限元计算分析的基本方法同本章第注意的问题。 1应提供的有关资料和对计算的要求 计算分桥所需有关资料： (1)地形资料：地形范围应满足计算要求(地应力及围岩稳定)。 (2)地质资料：地应力实测值或推测的地应力侧压力系数；工程地质 剖面图，包括岩层分布、断层及软弱结构面的分布岩饰物理力学特性， 包括容重、弹性模量、泊松比、线胀系数、抗压强度、抗拉强度、抗剪 断及残余抗剪强度(内摩擦角、凝聚力)、完全应力应变关系曲线、流变 特性等。 (3)水文地质，包括施工期及水库蓄水后地

44、下水位线、岩体渗透系数。 (4)洞室群中各洞室布置、洞室尺寸、开挖顺序、运行时充水及检修情 况。 (5)支护形式、支护尺寸(刚性衬砌的厚度、锚杆直径、长度及间距、咳 层厚度等)、混凝土及锚杆的物理力学特性(弹性模量、续胀系数、拉压 强度等)、支护顺序。 (6)地温、气温。 (7)水库水位、水锤压力。 有限元计算分析应明确的基本要求： (1)计算程序的维数(平面还是三维)。 (2)线性还是非线性。 (3)是否需要考虑流变、动态荷载和其他特殊技术 (4)荷载组合和计算方案。 必要时，对以下说明的各项工作要提出具体要求。 2计算域和边界条件的选定 地下洞室的一个突出特点是，其计算域是无界的。应优先选

45、用配有无界单 元的有限元计算程序，并采用其中的元界单元，模拟无穷远处位移为零 的边界条件。在采用无界单元时，亦可在内层节点施加韧始地应力。当 前仍有部分计算的计算域选为有限域，这时计算域的范围尽可能大于洞 径56倍，并根据需要在边界施加初始地应力边界或固定位移边界。 3初始地应力场 初始地应力是分析围岩稳定重要也是主要的荷载之一。大型地下工 程应进行地应力测试，采用反分析方法反演地应力场。近年来，回归分 析方法得到广泛的应用。如计算初始地应力场，也可按下述方法分两步 进行： 3初始地应力场 初始地应力是分析围岩稳定重要也是主要的荷载之一。大型 地下工程应进行地应力测试，采用反分析方法反演地应力

46、场。近年来， 回归分析方法得到广泛的应用。如计算初始地应力场，也可按下述方 法分两步进行： (1)先计算初始地应力场，要求计算域较大，好以分水岭为界，如 图718(a)所示。计算时，一侧边界给地质构造力(水平及铅直)，另一 侧给水平约束，底边给铅直约束。 (2)洞室计算可从大范围的地应力计算域中取出洞室附近的小范围， 边界位移值自地应力场计算取值，所取的边界应在洞室影响范围以 外，可取35倍洞径以外， 侧压力系数法假定zc h，xKxc为岩体密度，h为覆盖厚度， K为侧压力系数。 这一方法十分粗略，特别是计算岸被附近、河谷靠边的地下洞 室时不宜采用。如无地应力测试值，但有估测的地应力侧压力系

47、数，则可采用如图718所示的计算图形，按照估测的侧压力系数 施加侧边的地质构造力P。 4开挖边界应力释放荷载 开挖施工活动对洞室围岩稳定状态的影响包括静态影响和动态影响两 个方面。其中静态影响主要表现为，代表开挖面韧始地应力的开控荷载 在施工过程中的突然释放，并由此导至围岩应力和变形的重新调整，开 挖施工静态影响的正确模拟方法是将开挖边界在开挖过程中视为应力边 界，其上作用开挖荷载。开挖荷载的计算是利用洞室周边各单元应力， 并通过高斯积分计算开挖临空面各节点的等效节点力P，计算公式为：对任一周边节点开挖荷载，可格其四周开挖单元对该点贡献的等效节 点力叠加求得。 开挖荷载是地下洞室施工过程重要荷载之一，必须予以足够重视。 不仅对开挖边界，而且对整个开挖施工程序，包括平面计算条件下断面 的分步开挖方式和三维计算分析中工作面沿洞轴线的推进过程，均必须 采取正确模拟方法。否则，就难以正确评价地下洞室在施工过程中的安