【正文】 斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性提供地質依據(jù) 。這類量測通常測試方法簡單、費用少、可靠性高，但對監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、 指導設計施工卻有巨大的作用。因此量測工作是監(jiān)視工程設計和施工是否正確 的指針。 山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 7 第二章 量測理論 在隧道工程中，量測工作是監(jiān)視設計、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，同時也是進行施工管理的一個積極手段。 該施工方法已在一些地下工程中開始應用。對埋深大、圍巖完好的隧洞 ,研究重 點一般放在對圍巖承載能力的研究上 ,即以圍巖實際的應力水平來作為判斷圍巖穩(wěn)定性的依據(jù) 。隧道周邊點的位移 ,是圍巖和支護系統(tǒng)力學形態(tài)變化的最直接、最明顯的反映 ,易于建立一些準則 ,來實現(xiàn)量測結果的反饋 信息處理 — 反演分析 反演分析法是利用施工監(jiān)測到的巖土體的一些基礎信息 ,通過計算來求解巖土體的參數(shù)。通過分析研究這些信息 ,可以間接地描述圍巖的穩(wěn)定性和支護的作用 ,以確定新的圍巖及支 護參數(shù) ,并反饋于設計和施工決策。但由于地應力的分布千差萬別 ,巖土體的非均勻性、各向異性及非線性 ,滲流與巖土應力耦合的關系很難得出較滿意的結果 ,使得反映巖土體特性的本構關 系模型難以與巖土體的實際性質完全一致。 ，測試 無 統(tǒng)一標準。使得一些體積小、精度高、性能穩(wěn)定、具遙測性和智能化的傳感器逐漸應用到地下工程監(jiān)測技術中。 具代表性的器件如：自動存儲的測斜儀，無線電式多點位移計，SSDA. B 型自動記錄伸縮儀， NIVOMTIC 水平系統(tǒng)等。因而拓寬了測試功能，提高了測試精度和速度。 ，磁電式傳感器應用范圍最廣。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)及對測量原理，功能。后者是對那些不能或不便用直接法測量獲得被測值的場合。它是通過各種測量技術與原器件實現(xiàn)的。 巖體工程是一個邊緣學科，其發(fā)展的歷程亦是一個逐步認識的過程。 作用 監(jiān)測技術在地下工程界的作用大致有以下三方面： 在工程設計與施工過程中，對地質體物理，力學、環(huán)境等常規(guī)參數(shù)的測定，以提供工程設計與修正的參數(shù)。 山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 2 目前，在地下工程界，量測監(jiān)控技術已成為自始至終不可或缺的環(huán)節(jié)之一?！皣婂^構筑法”的引入，支護特征曲線的研究、支護結構形式、施工方法、工藝、各類地質體基本力學性質及工程特性的研究等等，無一例外地都是為了達到這一目標而付出的努力。 監(jiān)測技術在地下工程中的地位和作用 .1 地位 地下工程是地質工程系統(tǒng)范疇的一個方面。同時，工程的需求也給監(jiān)測技術提出了新的要求。特別是“信息反饋”已成為噴錨構筑法中具有重要作用的施工環(huán)節(jié)之后，諸如監(jiān)測技術的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及不足等為題均有了調查與研究的必要。其特點在于整個工程結構建筑于地質體中。 近年 來提出的工程地質控制論，使得以往對巖石（體）力學與工程間關系的模糊概念變得清晰起來。這是工程設計者和建設者們感知外界信息的媒介，沒有它，建設者們就好比瞎子，聾子。 在施工過程中，通過各種測試手段，對地質體及構筑物的宏觀力學行為及規(guī)律進行監(jiān)測與控制。它的基本概念和基本理論還處于不斷認識與建立之中。測量原理即是指被測對象的測量所依據(jù)的科學原理。它常需將被測量按一定的線性函數(shù)關系與其相應的物理量進行直接測量，然后根據(jù)函數(shù)式計算出被測的量值，顯然由于被測量經過了多次轉山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 3 換，測量誤差必然增加。先進性及現(xiàn)場適用性等因素的分析研究，得出當前地下工程監(jiān)測技術的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。 。由機內軟件作媒介，使得智能測試系統(tǒng)能完成自動調零，自動量程、自動測試、記錄、繪圖、制表等功能。 2. 新型傳感元器件的產生 隨著科研與工程實踐的發(fā)展需要，在傳感元器件上涌現(xiàn)出許多以嶄新的測試原理和方法見長的新型傳感器、特殊材料及傳感元器件。 存在問題 通過對調查資料研究發(fā)現(xiàn)，要提高地下工程監(jiān)測水平，從而深化地下工程的理論與應用研究，提高研究效率，在監(jiān)測領域中除了繼續(xù)研制新型，先進的傳感元器件，提高測試精度及工程適應性外，還應在規(guī)范化管理上做些工作，來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用價 值。 。要解決上述問題必須提出一種新的圍巖穩(wěn)定評價方法和設計方法 — 地下工程信息化設計。在地下工程信息化施工過程中 ,量測信息可以作為輸入量反演計算圍巖的物理力學參數(shù) ,檢驗地質信息的正確性 ,并利用反演分析求得的圍巖力學參數(shù) ,應用有限元等數(shù)值方法對工程施工過程圍巖穩(wěn)定性進行計算分析 ,進而指導工程后續(xù)施工。其目的是把施工監(jiān)測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果反饋到設計中去 ,對施工設計提出改進性意見或修改方案。而對埋深淺、圍巖較破碎的隧洞 ,研究重點則應放在對圍巖能允許多大位移移的研究上 ,即以圍巖實際的位移多少來作為圍巖穩(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 ,但總的來說在地下工程中應用還不多。通過多種量測手段，對開挖后隧道圍巖進行動態(tài)監(jiān)測，并以此指導隧道支護結構的設計與施工，其理論是建立在巖體力學特性和巖體變形特性以及莫爾學說的基礎上，并考慮到隧道掘進時的空間效應和時間效應對圍巖應力與變形的影響。 量測項目及其分類 隧道施工的監(jiān)測旨在收集可反映施工過程中圍巖的動態(tài)信息，據(jù)以判定隧道圍巖一支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)，以及所定支護結構參數(shù)和施工方法的合理性。必測項目是新奧法的重點，主要包括 :隧道內目測觀察、隧道凈空收斂量測、地表沉降量測，拱頂下沉量測、錨桿拉拔力量測。根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài)，分析支護結構的 可靠程度。節(jié)理性質、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，充填物的類型和產狀等 。開挖后己支護段的目測內容 (初期支護完成后對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時機 。 3. 地表沉降量測 淺埋隧道通常位于軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短的圍巖中，施工方法不妥極易發(fā)生冒頂塌方或地表有害下沉，當?shù)乇碛薪ㄖ飼r會危及其安全。地表下沉穩(wěn)定的時間。 4. 拱頂下沉量測 隧道拱頂內壁的絕對下沉量稱為拱頂下沉值，單位時間內拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。 量測目的 :測定錨桿的錨固力是否達到設計要求 。這類量測項目 測試較為麻煩，量測項目較多，費用較高。判斷圍巖變形的 發(fā)展趨勢，概略判斷圍巖內強度下降區(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圈，于是可為錨桿參數(shù)設計提供了一定依據(jù) 。鋼架荷載量測目的 :了解鋼架受力的大小，為鋼架選型與設計提供依據(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區(qū)、強度下降區(qū)以及彈性區(qū)的范圍 :判斷錨桿長度是否適宜，以便確定合理的錨桿長度。新奧法必須嚴格控制二次支護時間，以使支護結構的性能呈現(xiàn)先柔后剛的特性，因此，在施工過程中需對噴射混凝土層進行應力的量測工作。 差動電阻式傳感器利用張緊在儀器內部的彈性鋼絲作為傳感元件將儀器受到的物理量轉變?yōu)槟M量 。 目前，常用于地下及隧道工程量測的主要傳感器是鋼弦式傳感器，下面對這種傳感器的工作原理作詳細的介紹。鋼弦式傳感器的敏感元件是一根金屬絲弦 (一般稱為鋼弦，振弦或簡稱“弦” )，當傳感器受外力作用時，弦的內應力發(fā)生變化，隨著弦的內應力改變，自振頻率也相應地發(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。在專用頻率計中加一個平方電路或程序也可直接顯示頻率平方。 L—— 鋼弦長度 。因此，張力可用頻率 f 的關系式來表示： ? ? 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)（在實際應用中可設為 0）。根據(jù)鋼弦傳感器的這個工作原理，在材料試驗機上，求出各臺傳感器的。 山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 14 圖 21 鋼弦傳感器輸出特性 f —— 鋼弦自振頻率； ? —— 鋼弦所受的張拉應力 鋼弦式傳感器的激振一般由一個電磁線圈（通常稱磁芯）來完成。由于鋼弦被置于電測原件“磁芯”的磁場中，當鋼弦振動時就在接收線圈中產生感應電動勢 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 )。它有兩個線圈組成 (如圖 22( 1b ))一個線圈為激振線圈，一個為接收線圈。這種結構比單線圈的性能有了很大的改善，但同樣存在線圈內阻小 。這種結構比較新穎，磁芯中有一組反饋放大電路，對二次儀表 來說，由二芯傳輸線直流輸入，經內部電路激發(fā)，正弦波輸出。若一組有幾個傳感器的，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線的電阻隨溫度變化的特性可以進行溫度測量，也可在傳感器內設置可兼測溫度的元件，同樣可以達到目的。這種儀器利用張緊在儀器內部的彈性鋼絲作為傳感元件將儀器受到的物理量轉變?yōu)槟M量，所以國外也稱這種傳感器為彈性鋼絲式 (Elastic Wire)儀器。電感式傳感器結構簡單，沒有活動電接觸點、工作山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 17 可靠、靈敏度高、分辨率大、能測出 微米 ( m? )的機械位移和 角秒的微小角度變化。因為導體的電阻與材料的電阻系數(shù)、長度和截面積有關，導體在承受機械變形過程中，這三者都要變化。日本稱之為“貼片式儀器”。 測量儀器和傳感器的選用 1. 量測儀器的選用要求 量測手段和儀表的選擇主要取決于圍巖工程地質條件和力學性質，以及測量的環(huán)境條件。在地下水發(fā)育的地層中進行電測 就較為困難。 若在選擇傳感器時，使其各項指標都達到最佳是最好的，但這樣是不經濟的，因此，在選擇傳感器時，首先要了解和掌握測試過程 .中對傳感器的性能要求。 （ 4）功耗小 。 （ 8）抗腐蝕性好，能長期使用 : （ 9）容易維修和校準。相應地所采用的儀器主要有收斂計、土壓力計、鋼結構表面應變計和鋼筋應力計。圖 23 示出了拱項下沉的量測原理。彈簧控制拉力使鋼尺張緊，百分表進行位移測微距離讀數(shù)測量，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出細調值。 1. 土壓力計的主要組成 土壓力計主要由壓力盒、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構的優(yōu)點在于傳感器只感應由壓力盒連接管傳遞來的液體壓 力，而不直接測量土壓力。其主要組成示意如圖 2 一 5 所示。 — 5006 型土壓力計 山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 22 采用 JMZX— 5006 型土壓力計量測圍巖與初期支護間壓力，其有關參數(shù)見表 22； 表 22 JMZX— 5006 型土壓力計有關參數(shù) 名稱 型號 量程（ MPa） 靈敏度（ MPa） 溫度范圍（176。 圖 26 鋼弦式表面應變計示意圖 1 波紋管； 2 鋼弦； 3 電磁激勵線圈； 4端頭 1； 5端頭螺釘； 6緊銷； 7導 線； 8線圈架； 9端頭 2； 2. 鋼弦式應變計工作原理 鋼弦式鋼結構表面應變計被固定在型鋼鋼架上，通過兩端的端頭型鋼鋼架的緊密嵌固，中間受力的應變管用鋁盒蓋住，使其不被噴混凝土山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 23 包裹，與噴混凝土隔開而不受噴混凝土變形的影響，當型鋼鋼架產生變形時，則由端頭帶動應變管產生變形，使鋼弦內應力發(fā)生變化。3000 1 100 20～110 11034 29 錨桿軸力量測 錨桿軸力量測采用的主要儀器是鋼弦式鋼筋應力計，所用鋼弦式應力計是長沙金碼高科技實業(yè)有限公司所生產的 JMZX— 422 型鋼弦式應力計。 1 應變計； 2 鋼套； 3鋼弦； 4 磁芯； 5引出電纜； 2. 鋼弦式應力計的工作原理 山東科技大學 學生 畢業(yè)設計 （ 論文 ） 24 鋼筋計與受力鋼筋對焊后聯(lián)成整體，當鋼筋受到軸向拉力時，鋼套便產生拉伸變形，與鋼筋緊固在一起的感應組件跟著拉伸產生變化，由此求得軸向應力變化。其原理是，首先由頻率儀自動激發(fā)出脈沖信號輸入到壓力盒的電磁線路，激勵鋼弦產生振動，鋼弦的振動在電磁線路內感應產生交變電動勢，輸入頻率儀放大器放大后，加在示波管的 y 軸偏轉板上。與該公司生產的各種振弦傳感器、電感調頻類位移傳感器、半導體集成溫度傳感器使用，可測量構件的應力、應變、壓力、位移、溫度、水位等物理量，可廣泛應用于水利、交通、鐵路、建筑等巖土工程行業(yè)。 (4) 大屏幕漢字顯示，人機對話操作，簡單易學。其中 JMZX 一 2021 可檢測本公司生產的單弦式傳感器 。 (9) 交、直兩用。 1 C? . （ 3）存儲容量 2500 個測試點。如圍巖變形與地層壓力的關系 :隧道表面位移值與時間的關系等。（ ),(,),(), 2211 nn yxyxyx ?一元線性回歸分析的目的就是找出其中一條