【正文】 斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù) 。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。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。 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(guò)程，同時(shí)也是進(jìn)行施工管理的一個(gè)積極手段。 該施工方法已在一些地下工程中開始應(yīng)用。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(lái)作為判斷圍巖穩(wěn)定性的依據(jù) 。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(lái)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(guò)計(jì)算來(lái)求解巖土體的參數(shù)。通過(guò)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。但由于地應(yīng)力的分布千差萬(wàn)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。 ，測(cè)試 無(wú) 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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。 具代表性的器件如：自動(dòng)存儲(chǔ)的測(cè)斜儀，無(wú)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。因而拓寬了測(cè)試功能，提高了測(cè)試精度和速度。 ，磁電式傳感器應(yīng)用范圍最廣。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及對(duì)測(cè)量原理，功能。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。它是通過(guò)各種測(cè)量技術(shù)與原器件實(shí)現(xiàn)的。 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(guò)程。 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(guò)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)。 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?！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(wú)一例外地都是為了達(dá)到這一目標(biāo)而付出的努力。 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。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。其特點(diǎn)在于整個(gè)工程結(jié)構(gòu)建筑于地質(zhì)體中。 近年 來(lái)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(lái)。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(méi)有它，建設(shè)者們就好比瞎子，聾子。 在施工過(guò)程中，通過(guò)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。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。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。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(guò)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。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。 。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。 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(jiàn)長(zhǎng)的新型傳感器、特殊材料及傳感元器件。 存在問(wèn)題 通過(guò)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(lái)提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的使用價(jià) 值。 。要解決上述問(wèn)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)。在地下工程信息化施工過(guò)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(guò)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。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(guò)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(jiàn)或修改方案。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(lái)作為圍巖穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。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(lái)說(shuō)在地下工程中應(yīng)用還不多。通過(guò)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(shuō)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。 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(guò)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。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)。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。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 。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 。是否有底鼓現(xiàn)象 )。根據(jù)變位速度判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī) 。 3. 地表沉降量測(cè) 淺埋隧道通常位于軟弱、破碎、自穩(wěn)時(shí)間極短的圍巖中，施工方法不妥極易發(fā)生冒頂塌方或地表有害下沉，當(dāng)?shù)乇碛薪ㄖ飼r(shí)會(huì)危及其安全。地表下沉穩(wěn)定的時(shí)間。 4. 拱頂下沉量測(cè) 隧道拱頂內(nèi)壁的絕對(duì)下沉量稱為拱頂下沉值，單位時(shí)間內(nèi)拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。 量測(cè)目的 :測(cè)定錨桿的錨固力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求 。這類量測(cè)項(xiàng)目 測(cè)試較為麻煩，量測(cè)項(xiàng)目較多，費(fèi)用較高。判斷圍巖變形的 發(fā)展趨勢(shì)，概略判斷圍巖內(nèi)強(qiáng)度下降區(qū)的界限 :一般把從隧道壁面至變形量最大處稱為隧道圍巖的擾動(dòng)圈，于是可為錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù) 。鋼架荷載量測(cè)目的 :了解鋼架受力的大小，為鋼架選型與設(shè)計(jì)提供依據(jù) :根據(jù)鋼架的受力狀態(tài)，為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的信息 。判斷開挖后圍巖的松動(dòng)區(qū)、強(qiáng)度下降區(qū)以及彈性區(qū)的范圍 :判斷錨桿長(zhǎng)度是否適宜，以便確定合理的錨桿長(zhǎng)度。新奧法必須嚴(yán)格控制二次支護(hù)時(shí)間，以使支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能呈現(xiàn)先柔后剛的特性，因此，在施工過(guò)程中需對(duì)噴射混凝土層進(jìn)行應(yīng)力的量測(cè)工作。 差動(dòng)電阻式傳感器利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感元件將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量 。 目前，常用于地下及隧道工程量測(cè)的主要傳感器是鋼弦式傳感器，下面對(duì)這種傳感器的工作原理作詳細(xì)的介紹。鋼弦式傳感器的敏感元件是一根金屬絲弦 (一般稱為鋼弦，振弦或簡(jiǎn)稱“弦” )，當(dāng)傳感器受外力作用時(shí)，弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，隨著弦的內(nèi)應(yīng)力改變，自振頻率也相應(yīng)地發(fā)生變化，弦的張力越大，自振頻率越高，反之，自振頻率就越低。在專用頻率計(jì)中加一個(gè)平方電路或程序也可直接顯示頻率平方。 L—— 鋼弦長(zhǎng)度 。因此，張力可用頻率 f 的關(guān)系式來(lái)表示： ? ? AffKF x ??? 202 （ 22） 式中 F — — 鋼弦張力； K —— 傳感器靈敏系數(shù)； xf —— 張力變化后的鋼弦自振頻率； 0f —— 傳感器鋼弦初始頻率； A—— 修正常數(shù)（在實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)為 0）。根據(jù)鋼弦傳感器的這個(gè)工作原理，在材料試驗(yàn)機(jī)上，求出各臺(tái)傳感器的。 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 14 圖 21 鋼弦傳感器輸出特性 f —— 鋼弦自振頻率； ? —— 鋼弦所受的張拉應(yīng)力 鋼弦式傳感器的激振一般由一個(gè)電磁線圈（通常稱磁芯）來(lái)完成。由于鋼弦被置于電測(cè)原件“磁芯”的磁場(chǎng)中，當(dāng)鋼弦振動(dòng)時(shí)就在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) V 。鋼弦傳感器的激振方式不同，所需電纜的芯數(shù)也不同。激振方式為單脈沖輸入，如圖 22( 2a )。它有兩個(gè)線圈組成 (如圖 22( 1b ))一個(gè)線圈為激振線圈，一個(gè)為接收線圈。這種結(jié)構(gòu)比單線圈的性能有了很大的改善，但同樣存在線圈內(nèi)阻小 。這種結(jié)構(gòu)比較新穎，磁芯中有一組反饋放大電路，對(duì)二次儀表 來(lái)說(shuō)，由二芯傳輸線直流輸入，經(jīng)內(nèi)部電路激發(fā)，正弦波輸出。若一組有幾個(gè)傳感器的，每增加一只傳感器只需要增加一芯電纜。 鋼弦式傳感器利用電磁線圈銅導(dǎo)線的電阻隨溫度變化的特性可以進(jìn)行溫度測(cè)量，也可在傳感器內(nèi)設(shè)置可兼測(cè)溫度的元件，同樣可以達(dá)到目的。這種儀器利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感元件將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，所以國(guó)外也稱這種傳感器為彈性鋼絲式 (Elastic Wire)儀器。電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有活動(dòng)電接觸點(diǎn)、工作山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 17 可靠、靈敏度高、分辨率大、能測(cè)出 微米 ( m? )的機(jī)械位移和 角秒的微小角度變化。因?yàn)閷?dǎo)體的電阻與材料的電阻系數(shù)、長(zhǎng)度和截面積有關(guān)，導(dǎo)體在承受機(jī)械變形過(guò)程中，這三者都要變化。日本稱之為“貼片式儀器”。 測(cè)量?jī)x器和傳感器的選用 1. 量測(cè)儀器的選用要求 量測(cè)手段和儀表的選擇主要取決于圍巖工程地質(zhì)條件和力學(xué)性質(zhì)，以及測(cè)量的環(huán)境條件。在地下水發(fā)育的地層中進(jìn)行電測(cè) 就較為困難。 若在選擇傳感器時(shí)，使其各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到最佳是最好的，但這樣是不經(jīng)濟(jì)的，因此，在選擇傳感器時(shí)，首先要了解和掌握測(cè)試過(guò)程 .中對(duì)傳感器的性能要求。 （ 4）功耗小 。 （ 8）抗腐蝕性好，能長(zhǎng)期使用 : （ 9）容易維修和校準(zhǔn)。相應(yīng)地所采用的儀器主要有收斂計(jì)、土壓力計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)和鋼筋應(yīng)力計(jì)。圖 23 示出了拱項(xiàng)下沉的量測(cè)原理。彈簧控制拉力使鋼尺張緊，百分表進(jìn)行位移測(cè)微距離讀數(shù)測(cè)量，其主要組成示意如圖 2 一 4 所示。在彈簧拉力作用下鋼尺固緊，高精度的百分表可測(cè)出細(xì)調(diào)值。 1. 土壓力計(jì)的主要組成 土壓力計(jì)主要由壓力盒、壓力傳感器、油腔、承壓膜、連接管和屏蔽電纜組成。這種采用兩次膜分離式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器只感應(yīng)由壓力盒連接管傳遞來(lái)的液體壓 力，而不直接測(cè)量土壓力。其主要組成示意如圖 2 一 5 所示。 — 5006 型土壓力計(jì) 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 22 采用 JMZX— 5006 型土壓力計(jì)量測(cè)圍巖與初期支護(hù)間壓力，其有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 22； 表 22 JMZX— 5006 型土壓力計(jì)有關(guān)參數(shù) 名稱 型號(hào) 量程（ MPa） 靈敏度（ MPa） 溫度范圍（176。 圖 26 鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)示意圖 1 波紋管； 2 鋼弦； 3 電磁激勵(lì)線圈； 4端頭 1； 5端頭螺釘； 6緊銷； 7導(dǎo) 線； 8線圈架； 9端頭 2； 2. 鋼弦式應(yīng)變計(jì)工作原理 鋼弦式鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)被固定在型鋼鋼架上，通過(guò)兩端的端頭型鋼鋼架的緊密嵌固，中間受力的應(yīng)變管用鋁盒蓋住，使其不被噴混凝土山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 23 包裹，與噴混凝土隔開而不受噴混凝土變形的影響，當(dāng)型鋼鋼架產(chǎn)生變形時(shí)，則由端頭帶動(dòng)應(yīng)變管產(chǎn)生變形，使鋼弦內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化。3000 1 100 20～110 11034 29 錨桿軸力量測(cè) 錨桿軸力量測(cè)采用的主要儀器是鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，所用鋼弦式應(yīng)力計(jì)是長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司所生產(chǎn)的 JMZX— 422 型鋼弦式應(yīng)力計(jì)。 1 應(yīng)變計(jì)； 2 鋼套； 3鋼弦； 4 磁芯； 5引出電纜； 2. 鋼弦式應(yīng)力計(jì)的工作原理 山東科技大學(xué) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 24 鋼筋計(jì)與受力鋼筋對(duì)焊后聯(lián)成整體，當(dāng)鋼筋受到軸向拉力時(shí)，鋼套便產(chǎn)生拉伸變形，與鋼筋緊固在一起的感應(yīng)組件跟著拉伸產(chǎn)生變化，由此求得軸向應(yīng)力變化。其原理是，首先由頻率儀自動(dòng)激發(fā)出脈沖信號(hào)輸入到壓力盒的電磁線路，激勵(lì)鋼弦產(chǎn)生振動(dòng)，鋼弦的振動(dòng)在電磁線路內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，輸入頻率儀放大器放大后，加在示波管的 y 軸偏轉(zhuǎn)板上。與該公司生產(chǎn)的各種振弦傳感器、電感調(diào)頻類位移傳感器、半導(dǎo)體集成溫度傳感器使用，可測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、溫度、水位等物理量，可廣泛應(yīng)用于水利、交通、鐵路、建筑等巖土工程行業(yè)。 (4) 大屏幕漢字顯示，人機(jī)對(duì)話操作，簡(jiǎn)單易學(xué)。其中 JMZX 一 2021 可檢測(cè)本公司生產(chǎn)的單弦式傳感器 。 (9) 交、直兩用。 1 C? . （ 3）存儲(chǔ)容量 2500 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。如圍巖變形與地層壓力的關(guān)系 :隧道表面位移值與時(shí)間的關(guān)系等。（ ),(,),(), 2211 nn yxyxyx ?一元線性回歸分析的目的就是找出其中一條