【正文】 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 1 第一篇 城市地下工程測(cè)試與監(jiān)測(cè)技術(shù) 第一章 緒論 當(dāng)前地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展概況 及存在問題 隨著地下工程數(shù)量的增加及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)也發(fā)生了日新月異的變化。同時(shí)，工程的需求也給監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了新的要求。特別是“信息反饋”已成為噴錨構(gòu)筑法中具有重要作用的施工環(huán)節(jié)之后，諸如監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及不足等為題均有了調(diào)查與研究的必要。這 對(duì)監(jiān)控技術(shù)的有效應(yīng)用、監(jiān)控系統(tǒng)的形成及規(guī)范化研究等都是極為有利的。本文即是基于這一目的，在大量調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，對(duì)上述 問 題的一些看法提出來與各位專家、學(xué)者共商。 監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下工程中的地位和作用 .1 地位 地下工程是地質(zhì)工程系統(tǒng)范疇的一個(gè)方面。其特點(diǎn)在于整個(gè)工程結(jié)構(gòu)建筑于地質(zhì)體中。它包括交通隧道、城市地下建筑、地下礦產(chǎn)開采及飲水隧道等工程。 在地質(zhì)體中修建構(gòu)筑物，構(gòu)筑物的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及長(zhǎng)期有效性，是工程建設(shè)者們絞盡腦汁所期盼達(dá)到的目標(biāo)?！皣婂^構(gòu)筑法”的引入，支護(hù)特征曲線的研究、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、施工方法、工藝、各類地質(zhì)體基本力學(xué)性質(zhì)及工程特性的研究等等，無一例外地都是為了達(dá)到這一目標(biāo)而付出的努力。 近年 來提出的工程地質(zhì)控制論，使得以往對(duì)巖石（體）力學(xué)與工程間關(guān)系的模糊概念變得清晰起來。它高度概括了為達(dá)到上述目的所進(jìn)行的工作：工程地質(zhì)控制論是研究工程系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)規(guī)律的科學(xué)；是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)需要、力學(xué)分析、環(huán)境影響評(píng)價(jià)及工程技術(shù)融合的結(jié)晶。其目的亦是采用有效的調(diào)控技術(shù)，通過反饋調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)的控制巖體變形，從而獲得地質(zhì)工程系統(tǒng)的最佳效益。 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 2 目前，在地下工程界，量測(cè)監(jiān)控技術(shù)已成為自始至終不可或缺的環(huán)節(jié)之一。這是工程設(shè)計(jì)者和建設(shè)者們感知外界信息的媒介，沒有它，建設(shè)者們就好比瞎子，聾子。整個(gè)反饋系統(tǒng)將變成癱瘓，從而 使工程陷入盲目與經(jīng)驗(yàn)的泥潭。因此說，監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下工程界中起著極為重要的前哨作用。 作用 監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下工程界的作用大致有以下三方面： 在工程設(shè)計(jì)與施工過程中，對(duì)地質(zhì)體物理，力學(xué)、環(huán)境等常規(guī)參數(shù)的測(cè)定，以提供工程設(shè)計(jì)與修正的參數(shù)。 在施工過程中，通過各種測(cè)試手段，對(duì)地質(zhì)體及構(gòu)筑物的宏觀力學(xué)行為及規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。這一過程貫穿整個(gè)工程的始末，涉及到地質(zhì)體本身諸方面的力學(xué)因素，環(huán)境因素、調(diào)控技術(shù)、工程設(shè)計(jì)，施工工藝、甚至于基礎(chǔ)理論、投資與 規(guī)劃等領(lǐng)域。它是工程安全與經(jīng)濟(jì)的保障。 巖體工程是一個(gè)邊緣學(xué)科，其發(fā)展的歷程亦是一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過程。它的基本概念和基本理論還處于不斷認(rèn)識(shí)與建立之中。工程的力學(xué)分析與研究尚需長(zhǎng)期不斷的繼續(xù)與努力，而測(cè)設(shè)技術(shù)亦成為其不可缺少的研究手段之一。 監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理與方法 地下工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，是用量測(cè)手段對(duì)工程進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)的技術(shù)。它是通過各種測(cè)量技術(shù)與原器件實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量原理即是指被測(cè)對(duì)象的測(cè)量所依據(jù)的科學(xué)原理。而地下工程測(cè)量對(duì)象的多樣性，復(fù)雜性，使得監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及近代物理學(xué)，微電子 學(xué)，熱力學(xué)，流體力學(xué)、固體力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、射線技術(shù)、無損檢測(cè)、工程數(shù)學(xué)等等諸多學(xué)科。 測(cè)試技術(shù)的方法是一種比較的方法，即將被測(cè)對(duì)象與同性質(zhì)的已知量進(jìn)行比較。后者是對(duì)那些不能或不便用直接法測(cè)量獲得被測(cè)值的場(chǎng)合。它常需將被測(cè)量按一定的線性函數(shù)關(guān)系與其相應(yīng)的物理量進(jìn)行直接測(cè)量，然后根據(jù)函數(shù)式計(jì)算出被測(cè)的量值，顯然由于被測(cè)量經(jīng)過了多次轉(zhuǎn)山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 3 換，測(cè)量誤差必然增加。從以上分析可以看出，要正確、有效的應(yīng)用監(jiān)測(cè)技術(shù)，必須對(duì)測(cè)量原理與方法進(jìn)行正確，有效的選擇。 監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 基于監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程中的重要 作用，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及工程對(duì)優(yōu)質(zhì)，高效監(jiān)控技術(shù)的渴求，使得對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的深入了解和研究變得迫切起來。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及對(duì)測(cè)量原理，功能。先進(jìn)性及現(xiàn)場(chǎng)適用性等因素的分析研究，得出當(dāng)前地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。 現(xiàn)狀 以 位移，應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量為主。 以 直接法為主，而在動(dòng)態(tài)測(cè)試中則以間接測(cè)量為主。 ，磁電式傳感器應(yīng)用范圍最廣。 。 發(fā)展方向 1. 量測(cè)設(shè)備 向著小型化，輕便化、多功能化、遙測(cè)化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。 大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微處理器的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)逐漸向智能化測(cè)試系統(tǒng)演變。因而拓寬了測(cè)試功能，提高了測(cè)試精度和速度。由機(jī)內(nèi)軟件作媒介，使得智能測(cè)試系統(tǒng)能完成自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)量程、自動(dòng)測(cè)試、記錄、繪圖、制表等功能。借助與計(jì)算機(jī)，智能測(cè)試系統(tǒng)還能完成對(duì)由于環(huán)境溫度，濕度、大氣壓力等變化所產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行自動(dòng)修正，從而提高了在線測(cè)量精度。例如：用于坑道位移測(cè)試的系統(tǒng)中，各種沉降儀系統(tǒng)，傾斜儀系統(tǒng)都出現(xiàn)了具有器件體積小，功能多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度 高，分離元件少及成本低為特點(diǎn)的測(cè)試儀器。 具代表性的器件如：自動(dòng)存儲(chǔ)的測(cè)斜儀，無線電式多點(diǎn)位移計(jì)，SSDA. B 型自動(dòng)記錄伸縮儀， NIVOMTIC 水平系統(tǒng)等。 2. 新型傳感元器件的產(chǎn)生 隨著科研與工程實(shí)踐的發(fā)展需要，在傳感元器件上涌現(xiàn)出許多以嶄新的測(cè)試原理和方法見長(zhǎng)的新型傳感器、特殊材料及傳感元器件。根據(jù)不同的用途，傳感器可概括為十類：光色傳感器、圖像傳感器、速度、山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 4 加速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、流量、液位傳感器、力、力矩、壓力傳感器。 近年來出現(xiàn)的超聲波傳感器、聲發(fā)射傳感器、電式傳感器等，在材料 的選擇，制造方法、工藝及測(cè)量方法上均有了很大的進(jìn)展。使得一些體積小、精度高、性能穩(wěn)定、具遙測(cè)性和智能化的傳感器逐漸應(yīng)用到地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)中。 存在問題 通過對(duì)調(diào)查資料研究發(fā)現(xiàn)，要提高地下工程監(jiān)測(cè)水平，從而深化地下工程的理論與應(yīng)用研究，提高研究效率，在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中除了繼續(xù)研制新型，先進(jìn)的傳感元器件，提高測(cè)試精度及工程適應(yīng)性外，還應(yīng)在規(guī)范化管理上做些工作，來提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的使用價(jià) 值。 當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題有 ： 類測(cè)試對(duì)象的傳感原理及方法多樣。數(shù)據(jù)的可比性差，測(cè)讀系統(tǒng)各成體系，不利于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的形成。 ，測(cè)試 無 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 。 地下工程信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù) 地下工程穩(wěn)定性與許多因素有關(guān) ,如圍巖的構(gòu)造、巖土體材料的物理力學(xué)特性、初始地應(yīng)力、地下水作用等等。現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法是根據(jù)事先確定的因素 ,建立某種物理、數(shù)學(xué)模型 ,再利用各種解析方法、數(shù)值方法等進(jìn)行穩(wěn)定性判斷并提出最優(yōu)開挖方案。但由于地應(yīng)力的分布千差萬別 ,巖土體的非均勻性、各向異性及非線性 ,滲流與巖土應(yīng)力耦合的關(guān)系很難得出較滿意的結(jié)果 ,使得反映巖土體特性的本構(gòu)關(guān) 系模型難以與巖土體的實(shí)際性質(zhì)完全一致。要解決上述問題必須提出一種新的圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法和設(shè)計(jì)方法 — 地下工程信息化設(shè)計(jì)。 地下工程信息化施工技術(shù)與原有的計(jì)算模型、計(jì)算方法相結(jié)合 ,充分山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 5 發(fā)揮各自的長(zhǎng)處 ,可以說以施工監(jiān)測(cè)和信息為顯著特征的地下工程信息化設(shè)計(jì) ,是將監(jiān)測(cè)技術(shù)、力學(xué)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)評(píng)估等結(jié)合成一體的地下工程設(shè)計(jì)方法。與其它方法不同的是信息化設(shè)計(jì)要求在施工過程中布置監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ,從圍巖的開挖和支護(hù)過程獲得圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)設(shè)施工作狀態(tài)信息。通過分析研究這些信息 ,可以間接地描述圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)的作用 ,以確定新的圍巖及支 護(hù)參數(shù) ,并反饋于設(shè)計(jì)和施工決策。在地下工程信息化施工過程中 ,量測(cè)信息可以作為輸入量反演計(jì)算圍巖的物理力學(xué)參數(shù) ,檢驗(yàn)地質(zhì)信息的正確性 ,并利用反演分析求得的圍巖力學(xué)參數(shù) ,應(yīng)用有限元等數(shù)值方法對(duì)工程施工過程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析 ,進(jìn)而指導(dǎo)工程后續(xù)施工。 信息采集 — 施工監(jiān)測(cè) 施工監(jiān)測(cè)可以把隧道開挖后圍巖和支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)的變化動(dòng)態(tài)作為判斷圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)可靠性的依據(jù) ,把施工監(jiān)測(cè)所獲得的信息加以處理 ,與工程類比的經(jīng)驗(yàn)方法相結(jié)合 ,建立一些必要的判斷準(zhǔn)則 ,借以直 接利用量測(cè)結(jié)果 (經(jīng)處理 )及時(shí)調(diào)整、確定支護(hù)參數(shù)或進(jìn)行施工決策。 在新奧法施工中 ,位移是最值得推薦的測(cè)試項(xiàng)目。隧道周邊點(diǎn)的位移 ,是圍巖和支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)變化的最直接、最明顯的反映 ,易于建立一些準(zhǔn)則 ,來實(shí)現(xiàn)量測(cè)結(jié)果的反饋 信息處理 — 反演分析 反演分析法是利用施工監(jiān)測(cè)到的巖土體的一些基礎(chǔ)信息 ,通過計(jì)算來求解巖土體的參數(shù)。其目的是把施工監(jiān)測(cè)中采集到的新信息和資料以及由此通過反演分析獲得的結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)中去 ,對(duì)施工設(shè)計(jì)提出改進(jìn)性意見或修改方案。由于施工期時(shí)間緊促 ,而且在施工中不斷修改設(shè)計(jì) ,因而對(duì)修改的 施工設(shè)計(jì)方案和圖紙要在短期內(nèi)完成 ,此外 ,還要考慮修改后的方案與整體工程的協(xié)調(diào)配套問題 ,故應(yīng)借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、優(yōu)化方法、人工智能等手段來完成復(fù)雜的施工與反饋分析過程 信息反饋 — 穩(wěn)定分析 隧道穩(wěn)定問題主要是一個(gè)巖土體結(jié)構(gòu)問題 ,應(yīng)力狀態(tài)是通過巖土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)而表現(xiàn)出來的 ,因此 ,一方面通過觀測(cè)或量測(cè)圍巖的應(yīng)力山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 6 狀態(tài)可以認(rèn)識(shí)巖土體結(jié)構(gòu) ,另一方面 ,可將由反演分析得到的巖土力學(xué)參數(shù) ,應(yīng)用于穩(wěn)定分析計(jì)算。評(píng)價(jià)隧洞圍巖的穩(wěn)定性 ,實(shí)質(zhì)就是分析洞室圍巖在工作過程中的應(yīng)力和變形。對(duì)埋深大、圍巖完好的隧洞 ,研究重 點(diǎn)一般放在對(duì)圍巖承載能力的研究上 ,即以圍巖實(shí)際的應(yīng)力水平來作為判斷圍巖穩(wěn)定性的依據(jù) 。而對(duì)埋深淺、圍巖較破碎的隧洞 ,研究重點(diǎn)則應(yīng)放在對(duì)圍巖能允許多大位移移的研究上 ,即以圍巖實(shí)際的位移多少來作為圍巖穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。通過對(duì)圍巖穩(wěn)定性的分析 ,一方面以此來指導(dǎo)工程的后續(xù)施工 ,采取合理的支護(hù)措施 ,以最小的代價(jià)獲得最合適的安全程度 。另一方面可以為類似地質(zhì)條件的工程提供第一手可靠的經(jīng)驗(yàn)資料。 該施工方法已在一些地下工程中開始應(yīng)用。如在南京城北水廠輸水隧洞工程中采用 ,取得了較好的成果 ,但總的來說在地下工程中應(yīng)用還不多。以施 工監(jiān)測(cè)和信息反饋為顯著特征的信息化設(shè)計(jì) ,是將監(jiān)測(cè)技術(shù)、力學(xué)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)評(píng)估等結(jié)合成一體的地下工程設(shè)計(jì)方法 ,是一種理想的設(shè)計(jì)方法 ,易于一般工程技術(shù)人員理解 ,易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) ,是今后地下工程施工方法的發(fā)展方向?yàn)榱吮ＷC地下工程施工達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的目的 ,故在優(yōu)化施工技術(shù)方案時(shí)要因地制宜選擇施工技術(shù)方法 。此外 ,特別要關(guān)注控制對(duì)地面環(huán)境的影響 。 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 7 第二章 量測(cè)理論 在隧道工程中，量測(cè)工作是監(jiān)視設(shè)計(jì)、施工是否正確的眼睛，是監(jiān)視圍巖是否安全穩(wěn)定的手段，它始終伴隨著施工的全過程，同時(shí)也是進(jìn)行施工管理的一個(gè)積極手段。通過多種量測(cè)手段，對(duì)開挖后隧道圍巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并以此指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工，其理論是建立在巖體力學(xué)特性和巖體變形特性以及莫爾學(xué)說的基礎(chǔ)上，并考慮到隧道掘進(jìn)時(shí)的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)對(duì)圍巖應(yīng)力與變形的影響。它集中體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)種類、支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑時(shí)機(jī)、巖體壓力、圍巖變形四者的關(guān)系上，貫穿在不斷變更的設(shè)計(jì)與施工過程中。 新奧法量測(cè)工作是伴隨施工過程同時(shí)進(jìn)行的，是新奧法構(gòu)筑隧道中十分重要的部分，它既監(jiān)視圍巖是否安全穩(wěn)定，又檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)是否合理。因此量測(cè)工作是監(jiān)視工程設(shè)計(jì)和施工是否正確 的指針。 量測(cè)項(xiàng)目及其分類 隧道施工的監(jiān)測(cè)旨在收集可反映施工過程中圍巖的動(dòng)態(tài)信息，據(jù)以判定隧道圍巖一支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)，以及所定支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工方法的合理性。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)根據(jù)其量測(cè)目的 (是否用于現(xiàn)場(chǎng)施工的常規(guī)量測(cè) )、量測(cè)手段等不同，在實(shí)際工作中，常將量測(cè)項(xiàng)目分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目?jī)纱箢悺? 必測(cè)項(xiàng)目 必測(cè)項(xiàng)目是在施工過程中必須進(jìn)行的常規(guī)量測(cè)項(xiàng)目，是為了在設(shè)計(jì)、施工中確保圍巖穩(wěn)定、判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工的經(jīng)常性量測(cè)。這類量測(cè)通常測(cè)試方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用少、可靠性高，但對(duì)監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、 指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工卻有巨大的作用。必測(cè)項(xiàng)目是新奧法的重點(diǎn)，主要包括 :隧道內(nèi)目測(cè)觀察、隧道凈空收斂量測(cè)、地表沉降量測(cè)，拱頂下沉量測(cè)、錨桿拉拔力量測(cè)。 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 8 1. 隧道內(nèi)目測(cè)觀察 在地下工程中，開挖前的地質(zhì)勘探工作很難提供非常準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，所以，在隧道過程中對(duì)前進(jìn)的開挖工作面附近圍巖的巖石性質(zhì)、狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行目測(cè)，對(duì)開挖后動(dòng)態(tài)進(jìn)行目測(cè)，對(duì)被覆后圍巖動(dòng)態(tài)進(jìn)行目測(cè)，在新奧法量測(cè)項(xiàng)目中占有很重要的地位。 （ 1）觀察目的 預(yù)測(cè)開挖面前方的地質(zhì)條件 。為判斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù) 。根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的 可靠程度。 （ 2）目測(cè)觀察內(nèi)容 對(duì)開挖后沒有支護(hù)的圍巖進(jìn)行目測(cè)，主要是了解開挖工作面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件 (巖質(zhì)種類和分布狀態(tài)，境界面位置的狀態(tài) 。巖性特征 :巖石的顏色、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 。地層時(shí)代歸屬及產(chǎn)狀 。節(jié)理性質(zhì)、組數(shù)、間距、規(guī)模，節(jié)理裂隙的發(fā)育程度和方向性，斷面狀態(tài)特征，充填物的類型和產(chǎn)狀等 。斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、破碎帶寬度、特征 。地下水類型，涌水量大小、涌水位置、涌水壓力、水的化學(xué)成分，濕度等 。開挖工作面的穩(wěn)定狀態(tài)，頂板有無剝落現(xiàn)象 )。開挖后己支護(hù)段的目測(cè)內(nèi)容 (初期支護(hù)完成后對(duì)噴層表面的觀察以及裂縫善的 描述和記錄 。有無錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內(nèi)部的現(xiàn)象