岩石隧洞安全监测的对象主要是围岩、衬砌、锚杆和钢拱架及其他支撑，监测的部位包括地表、围岩内、洞壁、衬砌内和衬砌内壁等，监测类型主要是位移和压力，见表7.10.1 岩石隧洞监测的项目和所用仪器
              表7.10.1

7.10.1、洞内观察 洞内观察是不借助于任何量测仪器，而用肉眼凭经验判断围岩、锚杆、衬砌和隧道安全性的最直观方法，对于个别现象和特殊情况的发现尤其重要。其目的是核对地质资料，判别围岩和支护系统的稳定性，为施工管理和工序安排提供依据，并检验支护参数。因此，监测人员在用仪器监测之前，首先是细致地观察隧道内地质条件的变化情况，裂隙的发育和扩展情况，渗漏水情况，观察隧道两边及顶部有无松动岩石，锚杆有无松动，喷层有无开裂以及中墙衬砌上有无裂隙出现，尤其是中墙衬砌上的裂缝，如发现有裂缝则要用裂缝观察仪密切观测记录裂缝的开展情况。隧道内观察这项工作应与施工单位的工程技术人员配合进行，并及时交流信息和资料。此项工作贯穿于隧道施工的全过程，以便为施工提供直观的信息。 7.10.2、位移监测 在隧洞入洞口一定范围内及埋深较浅的隧洞，需监测地表沉降和水平位移。拱顶沉降通常采用水准仪监测，隧洞拱顶一般较高，用通常使用的标尺不能测量，可在拱顶用短锚杆设置挂钩，悬挂长度略小于隧洞高度的铟钢丝，下面悬挂标尺的方法监测。 1、单点位移计 单点位移计实际上是端部固定于钻孔底部的一根锚杆加上孔口的测读装置，位移计安装在钻孔中，锚杆体可用直径22mm的钢筋制作，锚固端用楔子与钻孔壁楔紧，自由端装有测头，可自由伸缩，测头平整光滑。定位器固定于钻孔孔口的外壳上，测量时将测环插入定位器，测环和定位器上都有刻痕，插入测量时将两者的刻痕对准，测环上安装有百分表、千分表或深度测微计以测取读数。测头、定位器和测环用不锈钢制作。单点位移计结构简单，制作容易，测试精度高，以及钻孔直径小。受外界因素影响小，容易保护，因而可紧跟爆破开挖面安设，目前应用较多。 由单点位称计测得的位移量是洞壁与锚杆固定点之间的相对位移，若钻孔足够深，则孔底可视为位移很小的不动点，故可视测量值为绝对位移。不动点的深度与围岩工程地质条件、断面尺寸、开挖方法和支护时间等因素有关。在同一测点处，若设置不同深度的位移计，可测得不同深度的岩层相对于洞壁的位移量，据此可画出距洞壁不同深度的位移量的变化曲线。单点位移计通常与多点位移计配合使用。 2、多点位移计 多点位移计按位移监测仪器的不同有机械式和电测式两类。机械式位移计一般采用深度测微计、千分表或百分表，电测式位移计采用的位移传感器常用的有电阻式、电感式、差动式、变压式和钢弦式等多种。 1）并联式多点位移计 多点位称计由锚固器和位移测定器组成，锚固器安装在钻孔内，起固定测点的作用，位移测定器安装在钻孔口部，与锚固器之间用钢丝杆联结。同一钻孔中可设置多个测点，一个测点设置一个锚固器，各自与孔口的位移测定器相联，监测值为这些测点相对于洞壁的相对位移量。这种将位移传感器固定在孔口上，用金属杆或金属丝把不同埋深处的锚头的位移传给位移传感器的位移计，称作并联式多点位移计。 锚固器的结构有多种形式，最简单的是用注浆锚固的锚固器，锚固头用长约30cm的φ
25的螺纹钢加工而成，在远离孔口的一端钻一小孔，穿细钢丝固定注浆管，锚固头的另一头加工成长3cm，外径为φ20的光滑圆柱状，中心攻有螺孔，铟钢丝杆可拧入螺孔，铟钢丝杆外面用PVC管保护，内径为φ20PVC管插入光滑圆柱状头中，铟钢丝杆和PVC管均约2m一节，铟钢丝杆用螺纹逐节连接，两节PVC管间套一长15cm的套管，用PVC胶水粘结。待锚固头下到预定位置后，用砂浆灌满钻孔，待砂浆凝结后，锚固头与围岩一起运动，而铟钢丝杆由PVC管与砂浆和周围岩体隔离，不随围岩一起运动，因此，将锚固头处围岩的位移直接传递到孔口。机械方法锚固的锚固器有 A 液压式锚固器，当锚固头下到预定位置时，注入液压将锚固器脚撑开；b卡式锚固器，它是用专门的安装杆送入预定位置后，旋转上紧螺栓，借助支撑侧铁向两侧扩张并压紧钻孔孔壁，即可形成锚固。当岩层发生相对位移时，锚固点的位移通过钢丝传递到滑杆，钢丝从滑杆中心穿过，用压紧螺钉和夹线块将钢丝与滑杆夹住，压簧顶紧滑杆使钢丝撑紧，压簧簧座固定在外壳的底部，用深度测微计测出滑杆的滑动距离，便可算得围岩各测点的相对位移。 2）串联式多点位移计是采用电感式位移传感器的串联式多点位移计，它由位移传感器、锚固头、连接锚头和金属杆及二次仪表组成，位移传感器的线圈安装在锚头的内壳中，锚头用三片互成
120°角的弹簧片固定在孔壁上，金属杆上安装有铁芯，作为位移传感器的一部分，金属杆的一端固定在孔口或孔底，从而组成电感式多点位移计。当岩体产生位移时，各测点上铁芯在线圈中的位移量也是不一样的，因而引起不同的电感的变化，用与之配套的二次仪表测读。这种传感器串联在金属杆上，并固定在孔内不同深度的基准点上，传感器或其差动构件的另一部分与锚头直接连在一起的多点位移计，称为串联式多点位移计。 3）滑动式位移计
 滑动多点位移计是一台高精度的位移计，用于测定的岩土和混凝土中沿某一测线的轴向位移的分布情况。它主要由测头、测读仪、操作杆以及套管组成。套管通常为外径60mm，壁厚5mm的塑料管或铝合金管，沿套管轴向每隔1m放置一个具有特殊定位功能的锥形测量标志，带有PVC保护套。测头用操作杆送入，探头做成球形，测标下部做成圆锥形，在测量位置时，两者可形成球面和圆锥面间的精密接触。两者都有锲口，当探头转动到滑动位置时，探头能沿着测标滑动，从滑动位置把探头转动45°就转到测量位置，往回拉紧导杆，就能使探头的两个测头在两个相邻的测标间张紧。当张紧力达到一定值时，探头中的线性位移传感器（LVDT）被触发，测得数据并通过电缆传送到数字式读数器，也可以用一台手提式计算机经过RS-232接口来记录数据。松开导杆，把探头转动45°就转到滑动位置，移到下一个测标位置继续测量。如此可由外向里逐点测试各测点的位移。测头主体长1m，内装有电感式位移传感器（LVDT），并装有遥测温度计，以作温差校正。在上述仪器中，若在该位移计探头上部安设两个测斜探头，测斜方向互为正交，就可同时测定钻孔的轴向和两个互为正交的横向变形，即为三向位移计，从而可测定沿钻孔各测点的三向位移分量。 该种位移计由于不必在钻孔中埋设传感元件，克服了多点位移计测试费用高、测点少、位移计可靠性不易检验及测头易损坏等特点，具有一台仪器对多个测孔进行巡回检测，而每孔中的测点数不受限制的优点。可应用于大坝、隧道以及岩土工程中位移，也可通过测量桩和隔墙的两侧的测线的应变量确定其曲率，从而估算其弯矩或偏位曲线。 3、收敛位移监测 隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化，常称为收敛位移。收敛位移监测所需进行的工作比较简单，以收敛位移监测值为判断围岩稳定性的方法比较直观和明确，所以是隧洞监测中的常规监测项目。 1）穿孔钢卷尺式收敛计，监测的粗读元件是钢尺，细读元件是百分表或测微计，钢尺的固定拉力可由重锤实现，或用弹簧、测力环配百分表实现。由于百分表的量程有限，钢卷尺每隔数厘米宜打一小孔，以便根据收敛量的变化情况调整粗读数。 2）铟纲丝弹簧式收敛计，收敛位移量由读数表读取，固定拉力由弹簧提供，并由拉力百分表显示拉紧程度，采用铟钢丝制作收敛计，可提高收敛计的温度稳定性，从而提高监测精度。 3）铟钢丝扭矩平衡式收敛计，收敛位移是由读数表读取，固定拉力由微型电机提供，电机由控制器操纵，达到一定扭矩后能自动停转。收敛测试的固定端一般采用短锚杆，并应设置保护装置。 4）对于跨度小、位移较大的隧洞，可用测杆监测收敛量，测杆可由数节组成，杆端一般装设百分表或游标尺，以提高监测精度。对于拱顶绝对下沉量，可用精密水准仪监测。一些跨度和位移均较大的洞室。也可用精密经纬仪观测。 5）洞周收敛位移也可用巴塞特收敛系统
,它是一种测量隧洞横断面轮廓线的仪器,由多组首尾相接内设倾角传感器的杆件组成,杆件之间用活动铰连接,隧洞壁上任一点的位移通过杆件的转动使倾角传感器产生角度变化,已知各杆件的长度和一个杆件一端的坐标点及各倾角传感器的起始倾角,就能以此为起点用以后各时刻测得的杆件倾角计算各点的变化值和坐标位置。巴塞特收敛系统配备有一个专用的数据采集系统，即可用串行口与计算机相连，也可用电话线经调制解调器与计算机相连，采集的数据可自动处理。 6）测试设备应根据预计位移量的大小进行选择，位移较小或精度要求较高时，可采用锢钢丝收敛计，其精度为
0.01mm，穿孔钢卷尺式收敛计的精度也相当高，亦可以采用。洞室断面较大时，可采用光电测距仪测取读数，精度可达0.2mm。 7.10.3、压力监测 压力监测包括地下洞室内部和支衬结构内部的压力，以及围岩和支衬结构间接触压力的监测。压力监测通常采用应力计或压力盒。在支衬内部及围岩与支衬接触面上的压力盒的埋设，只需要浇注混凝土前将其就位固定，监测围岩压力的压力盒则需专门的钻孔，将压力盒放入钻孔内预定的深度后，用速凝砂浆充填密实。 7.10.3、液压枕 液压枕主要有枕壳、注油三通、紫铜管和压力表组成，为了安设时排净系统内空气，设有球式排气阀。液压枕需在室内组装，经高压密封性试验合格后才能埋设使用。 液压枕在埋设前用液压泵往枕壳内充油，排尽系统中空气，埋入测试点，待周围包裹的砂浆达到凝固强度后，即可打油施加初始压力，此后压力表值经24h后的稳定读数定为该测试液压枕的初承力，以后将随地层附加应力变化而变化，定期观察和记录压力表上的数值，就可得到围岩压力或混凝土层中应力变化的规律。 在混凝土结构和混凝土与围岩的接触面上埋设，只需在浇注混凝土前将其定位固定，待浇注好混凝土后即可。在钻孔内埋设时，则需先在试验位置垂直于岩面钻预计测试深度的钻孔，孔径一般为43~45mm，埋设前用高压风水将孔内岩粉冲洗干净，然后把液压枕放入，并用深度标尺校正其位置，最后用速凝砂浆充填密实。一个钻孔中可以放多个液压枕，按需要分别布置在孔底中间和孔口。液压枕常要紧跟工作面埋设，对外露的压力表应加罩保护，以防爆破或是其它人为因素损坏。 液压枕又称油枕应力计，可埋设在混凝土结构内，岩体内或结构与围岩的接触面处，长期测试结构、围岩或它们的接触面的应力。 液压枕测试直观可靠、结构简单、防潮防震、不受干扰、稳定性好、读数方便、成本低、不要电源，能在有瓦斯的隧洞工程中使用等优点，故是现场测试常用的手段。 2、锚杆轴力的监测 支护锚杆在岩石隧洞支护系统中占有重要地位，为监测施工锚杆的受力状态及大小，需以锚杆的应力进行监测。其原理通常是利用锚杆受力后，锚杆发生变形，采用应变片或应变计测量锚杆的应变，得出与应变成比例的电阻或频率的变化，然后通过标定曲线或公式将电测信号换算成锚杆应力。监测锚杆应力用的应变计主要有电阻式、差动电阻式和钢弦式。 电阻式锚杆应变计由内壁按一定间距粘贴有电阻片的钢管或铝合金管组成，电阻片粘贴后需做严格的防潮处理。也有直接采用工程锚杆，对粘贴应变片的部位经过特殊的加工，粘贴应变片后经防潮处理，并加密封保护罩制成。这种方法价格低廉，使用灵活，精度高，但由于防潮要求高，抗干扰能力低，大大限制了它的使用范围。 差动电阻式和钢弦式锚杆应变计是将应变计装入钢管，或装入锚杆加粗段的槽孔中，然后与锚杆连接而成，一根锚杆上可连接多节，其中的钢弦式应变计由于环境适用性强，测读仪器轻巧方便，故可适用于不同地质条件和环境条件的锚杆应力观测。

采用钢筋的锚杆也可采用钢筋应力监测。 7.10.4、岩体工程灾害预报  岩体冒落和崩塌以及岩爆是造成岩体工程伤亡事故和生产停顿的主要原因之一，采用声发射技术，可以预报岩体工程大面积地压和岩爆等灾害，从而防止或避免事故的发生。在岩体工程施工中，工人经常听到岩石的声响，并以此作为岩石破坏紧急险情的前。室内和现场研究表明，从岩石破坏所产生的次声能发射是这些可见声响的前兆，因此，在岩爆活动敏感的岩体工程中，检测开挖引起的声发射已越来越成为检测计划中的基本部分。 可听得见的波或声波的频率介于20Hz-20kHz之间，取决于可能发生的事件的规律，其频率随能量释放量的增长而降低。岩石在应力的作用下会发射可探测的声能，其发射频率随应力值的增大而提高。一般来说，发射速率的增长超前于岩石主破裂，采用三角网法可以确定声发射源，它是根据声波传播到几个接收站的时间差而确定的。地音检测系统就是根据上述原理研制的，在地音检测系统中，用地音探测器系统从声源传播出来的声波，它们将机械振动转变成电信号，信号经放大并输送到检测站，经调试后，信号进入计算机接口，以足以起动检测系统的记时和控制部件的信号，计算机将确定记录声波到达每一个探测器的最初时刻，根据这些数据，利用几何和波速的关系，可确定记录声波到达每一个探测器的最将用来确定事件的相对量级，声发射的时间、位置、能量等有关数据可打印出来。地音检测系统的地音探测器是安装在地下岩体工程的岩石壁面上的，数据收集也是地下进行的。对浅埋的岩体工程，探头也可放到从地面往下打的钻孔中，所有数据在地表收集。 7.10.5、监测部位的确定和测点的布置 1、监测部位的确定 从围岩稳定监控出发，应重点监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监测断面，在特殊的工程部位（如洞口和分叉处）也应设置监测断面。监测点的安装埋设应尽可能地靠近隧洞掌子面，最好不超过
2m，以便尽可能完整地获得围岩开挖后初期力学形态的变化和变形情况。这段时间内量得的数据对于判断围岩性态是特别重要的。 1）洞周收敛位移、拱顶沉降量、多点位移计及地表沉降量应尽量布置在同一断面上，锚杆应力和衬砌应力等最好布置在同一断面上，以使监测结果互相对照，相互检验。监测断面的间距视工程长度、地质条件变化而定。当地质条件情况良好，或开挖过程中地质条件连续不变时，间距可加大，地质变化显著时，间距应缩短。在施工初期阶段，要缩小监测间距，取得一定数据资料后可适当加大监测间距，在洞口及埋深较小地段亦应适当缩小监测间距。 2）在一般的铁路和公路隧道中，洞周收敛位移和拱顶沉降监测的断面间距根据围岩类别定为：
Ⅱ类：5-20m；Ⅲ类：20-40m；Ⅳ类：40m以上。 3）地表沉降监测的断面间距与隧洞埋深和地表状况有关，当地表是山岭田野时，断面间距根据埋深定为：埋深大于两倍洞径：
20-50m；埋深在一倍洞径与两倍洞径之间：10-20m；埋深小于洞径：5-10m。 4）锚杆应力和衬砌应力其监测断面的纵向间距可定为
200-500m。 2、测点的布置形式 1）收敛位移的现场监测方案，应视隧洞跨度和施工情况而定，监测方向一般可按十字形、三角形和交叉形等布置，十字形布置适用于底部施工已基本完成的隧洞，测试结构物内部的收敛位移量。如果隧洞顶部布有施工设备，可采用交叉形布置。三角形布置易于校核监测的数据，一般均采用这种形式监测，隧洞较大时，可设置多个三角形的监测方案。 2）若收敛位移监测的目的只是为围岩稳定监控服务，且洞室尺寸不大时，可采用较为筒洁的布置形式。若收敛位移监测的目有还要考虑对岩体地应力场和围岩力学参数作反分析，则要采用多个三角形的监测方案。当地下洞室边墙很高时，则可以沿墙高一定间距设置多个水平测量基线。 3）位移计通常布置在地下洞室的拱顶、边墙和拱脚部位。当围岩比较均一时，可利用对称性仅在洞室一侧布置测点。若要较精确地掌握洞室开挖前后围岩位移变化的全过程，可在地表或临近洞室打外孔预埋。测孔的深度一般应超出变形影响范围，测孔口测点的布置应根据位移变化梯度确定，梯度大的部位应加密，在孔口和孔底一般都应布置测点，在软弱结构面、接触面和滑动面等两侧应设置一个测点。 4）监测围岩内位移的位移计测孔在隧洞内孔口处一般需布设收敛位移测点，浅埋隧洞在拱顶布设拱顶沉降测点，在地表对应部位布设地表沉降和水平位移测点，在这两者之间再布设多点位移计测孔，在隧洞壁上对应部位布设收敛位移测点，从而可分析从拱顶到地表各测点围岩向隧洞内位移变化的规律，同时可验证沉降、多点位移、拱顶沉降和收敛位移各监测项目的正确性及其相互关系。 5）压力盒和锚杆轴力计应在典型区段选择应力变化最大或地质最不利的部位，并根据位移变化梯度和围岩应力状态，在不同的围岩深度内布测点，观测锚杆的长度应与工程锚杆相同。用于埋设压力盒的钻孔和观测锚杆的钻孔的布置形式与多点位移计的相似，通常在钻孔中布置
3个或以上的测点。 7.10.6 观测及其频度的确定 1．整个观测期间，应设立值班记录本，详细记载值班期间的一切情况，包括施工进展情况，施工部位，施工工艺流程情况，气候环境，及人工对隧洞的观察情况，喷射混凝土和衬砌上的裂缝开展情况等。 2．各监测项目通常的观测频度为：在洞室开挖或支护后的半个月内，每天应观测
1-2次；半个月后到一个月内，或掌子面推进到距观测断面大于2倍洞径的距离后，每天2天观测一次；一到三个月每周测读1-2次；三个月以后，每月测读1-3次。若设计有特殊要求，则可按设计要求进行，遇突发事件则加强观测。各监测项目原则上应根据其变化的大小来确定观测的频度。如洞周收敛位移和拱顶沉降的监测频度可根据位移速度及离开挖面的距离而定，见表7.10.6，不同的基线和测点，位移速度也不同，因此，应以产生最大位移者来决定监测频度，整个断面内的各基线或测点应采用相同的监测频度。 位移速度与监测频度
                表7.10.6

  7.10.7监测数据警戒值及围岩稳定性判断准则 针对工程实践的具体情况规定容许位移量与容许位移速率值，是进行施工监控的基础工作。 1．容许位移量 1）容许位移量是指在保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，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。 2）容许位移量与岩体条件、隧洞埋深、断面尺寸及地表建筑物等建筑物等因素有关，例如城市地铁，通过建筑群时一般要求地表下沉不超过
5-10mm；对于山岭隧道，地表沉降的容许位移量可由围岩的稳定性确定。 3）弗朗克林警颧标准，见表7.10.7 弗朗克林警戒标准
        表7.10.7

4）容许位移量的确定并不是一件容易的事，每一具体工程条件各异，显现出十分复杂的情况，因此，需根据工程具体情况结合前人的经验，再根据工程施工进展情况探索改进。特别是对完整的硬岩，失稳时围岩变往往较小，要特别注意。  2容许位移速率 1）容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。
        2）容许位移速率与岩体条件、隧洞埋深及断面尺寸等因素有关，容许位移速率目前的无统一规定，一般都根据经验选定，例如美国某些工程对容许位移速率的规定：第一天的位移量不超过容许位移量的
1/5-1/4（约2.54-3.18mm），第一周内平均每天的位移量应小于容许位移量的1/20（约0.63mm）。而南岭隧道、大瑶山隧道、下坑隧道、金川矿区运输平巷、张家港铁矿的稳定形速度为0.1mm/d，引滦入津输水隧洞的开挖后一个月的稳定变形速度大于10mm/30d。 3）一般规定，在开挖面通过测试断面前后的一二天内容许出现位移加速，其他的时间都应减速，达到一定程序后才能修建二次支护结构。  3．根据位移
-时间曲线判断围岩稳定性  由于岩体的流变特性，岩体坏前的变形曲线可以分成三个区段；  1）基本稳定区，主要标志是变形速度不断下降，即变形加速度小于
0； 2）过渡区，变形速度长时间保持不变，即变形加速度等于
0； 3）破坏区，变形速率渐增，即变形加速度大于
0。
   相应地，现场监测到的位移
-时间曲线也可能呈现出以上三种形态，对于隧洞开挖后在洞内测得的位移曲线，如果始终保持变形加速度小于0，则围岩是稳定的；如果位移曲线随即出现变形加速度等于0的情况，亦即变形速度不再继续下降，则说明围岩进入“定常蠕变”状态，须发出警告，及时加强支护系统；一旦位移出现变形加速度大于0的情况，则表示已进入危险状态，须立即停工，进行加固，根据该方法判断围岩的稳定性，应区分由于分步开挖时围岩中随分步开挖进度而随时间释放的弹塑性位移的突然增加，使位移-时间曲线上呈现位移速率加速，由于这是由隧洞开挖引起，所用并不预示着围岩时入破坏阶段。
   4．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。隧洞位移或变形速率的骤然增加往往是围岩破坏、衬砌开裂的前兆，当位移或变形速率的骤然增加报警后，为了控制隧洞变形的一步发展，可采取停止掘进、补打锚杆、挂钢筋网、衬喷混凝土加固等施工措施，待变形趋于正常后才可继续开挖。  

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文章名称：《岩石隧洞施工安全监测》

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