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1、8 地下隧洞矿山巷道 施工监测技术,8.1 地下隧洞新奥法施工监测,8.1.1 观测的意义、适用范围及主要内容 隧道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，需要时也监测围岩松动圈和声发射等其他物理量。,观测目的意义地下洞室围岩和支护系统观测的目的和意义概括起来如下：（1）及时掌握和提供围岩和支护系统变化信息和工作状态。（2）评价围岩和支护系统的稳定性、安全性。（3）及时预报围岩险情，以便采取措施，防止事故发生。（4）指导安全施工，修正施工参数或施工工序。（5）验证、修改设计参数。（6）为地下洞室设计和施
2、工积累资料，为围岩稳定性理论研究提供基础数据。（7）对地下洞室未来性态作出预测。依据各类观测曲线的形态特征，可掌握其变化规律，进而对其未来性态作出有效的预测。（8）法律及公证的需要。经过计量认证的观测单位，其所提供的加盖有CMA章的观测结果，具有公证效力。对由于工程事故而引起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定其原因和责任。,观测范围,表8-1 地下洞室进行现场监控量测的工程范围选定表,注：“”者为应进行现场监控量测的地下洞室；“”者为选择局部地段进行量测的地下洞室。,地下洞室围岩观测内容及项目,表8-2 地下洞室原位观测项目及适用范围一览表,表8-2中所提及的观测仪器：,多点位移计,位移计,
3、数显收敛计,钢尺收敛计,YH0700系列智能型土压力盒,YH1000系列智能型锚索计,YH1100系列智能型孔隙水压计,测杆,液压枕,油压枕,CT-2型超声波围岩裂隙探测仪,监测方案设计 观测项目的确定（1）观测项目的确定原则 1）以安全观测项目为主的原则 2）观测项目设计宜体现全面的原则 3）观测项目宜同步设置 4）少而精的原则 5）贯彻经济性原则（2）观测项目分类及确定我国国标和日本设计指南均将地下洞室围岩观测项目分为必测项目和选测项目。必测项目是地下洞室围岩观测的核心，它是设计、施工等所必须进行的经常性量测项目。两国规范（规定）对必测项目的规定基本一致，仅是表述略有不同。选测项目则是由于
4、岩土工程条件、工程规模、工程性质等具体条件和设计要求不同而选择的观测项目。,观测布置观测布置包括观测断面的确定（断面间距）和观测测点的布置。观测断面又细分为系统观测断面和一般观测断面。把多项观测内容有机地组合在一个观测断面里，且有计划有目的的使观测内容。（1）观测断面的确定（断面间距）,表8-3 地表下沉观测的测点纵向间距,（2）观测测点的布置形式观测测点的布置形式，主要依据洞室断面尺寸、形状、围岩地质条件、开挖方式、程序、支护类型等因素进行布置。在安装埋设和观测过程中，可依据具体情况进行适当的调整。l）围岩周边收敛位移（测点、线布置）2）钻孔位移计观测孔布置形式3）锚杆应力计观测孔布置形式4
5、）钻孔测斜观测孔布置形式5）支护结构应力应变观测点布置形式,监测手段和仪表的选择监测手段和仪表的确定主要取决于围岩工程地质条件和力学性质，以及测旦的环境条件。通常，对于软弱围岩中的隧洞工程，由于围岩变形量值较大，因而可以采用精度稍低的仪器和装置；而在硬岩中则必须采用高精度监测元件和仪器。在一些干燥无水的隧洞工程中，电测仪表往往能工作得很好；在地下水发育的地层中进行电测就较为困难。埋没各种类型的监测元件时，对深理地下工程，必须在隧洞内钻孔安装，对浅埋地下工程则可以从地表钻孔安装，从而可以监测隧洞工程开控过程中围岩变形后的全过程。,观测频度（时间间隔）的确定 在洞室开挖或支护后的半个月内，每天应观
6、测l2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2天观测一次；一到三个月期间，每周测读l2次；三个月以后，每月测读13次。若设计有特殊要求，则可按设计要求执行。若遇突发事件或原因参量发生异常变化，则应按特殊观测要求执行，即应加强观测，增加观测频度。,表8-4 观测项目与观测频度,8.1.3 监测数据的分析及警戒值的确定 观测资料的整理（1）收敛观测资料整理l）收敛观测记录整理包括的内容 工程名称、观测阶段和观测断面及观测点的编号与位置、基线长度、地质描述、收敛计编号。收敛计读数、观测时间、观测温度、观测断面与开挖掌于面的间距等；观测值的温度修正；计算各断面两侧点间
7、收敛值，测点绝对位移值等。2）实际收敛值的计算 经温度修正的实际收敛值，计算公式如下：（8-1）3）图表整理 收敛观测图表整理主要包括：收敛变形与时间关系曲线；收敛变形与距掌子面距离关系曲线；收敛速率与时间关系曲线；相对变形与相对距离关系曲线；收敛变形值断面分布图；收敛变形汇总表和综合表。,（2）钻孔岩体轴向位移观测资料整理1）钻孔岩体轴向位移观测记录整理钻孔岩体轴向位移及整理内容包括：工程名称、观测断面和观测孔及测点的编号及位置。地质描述、轴向位移读数值、观测时间。观测断面与开挖掌子面的距离、观测数据校核及计算。2）图表整理钻孔岩休轴向位移观测图表整理主要包括“4线2图”，即：围岩位移与时间
8、关系曲线；围岩位移与开挖进尺关系曲线；围岩位移随埋设深度变化曲线；围岩位移速率与时间关系曲线；观测断面围岩位移分布图；钻孔位移计安装竣工图。,（3）锚杆应力观测资料整理 1）锚杆应力观测记录整理 锚杆应力观测记录的整理包括：工程名称、观测端面、观测孔及测点的编号及位置、地质描述、钢弦频率值或电阻值、观测时间、观测断面与开挖掌子面的距离。2）图表整理锚杆应力观测表整理主要包括“4线1表”，即：测点应力与时间关系曲线；测点应力与掌子面距观测断面距离关系曲线；测点应力与埋设深度关系曲线；锚杆应力变化率与时间关系曲线；锚杆应力综合汇总表。资料整理时，应注意影响锚杆应力观测成果的因素。这些因素主要有：锚
9、杆应力计的精度、稳定性和灵敏度；钻孔注浆质量；安装质量；测读人员技术素质。,（4）钻孔岩体横向位移观测资料整理1）钻孔主体横向位移观测记录整理钻孔岩体场问门移观测记录及整理内容包括：工程名称、导槽方位、测斜孔编号、测孔位置、地质描述、最大位移方向及垂直最大位移方向的读数值、观测时间、观测数据校核及计算等。2）横向位移变化值计算3）图表整理钻孔岩体横向位移观测图表整理主要包括“3线1图”，即：测点变化值与深度关系曲线图；水平位移量与深度关系曲线图；测点位移与时间关系曲线；倾斜仪安装竣工图。,8.1.3.2 监测数据警戒值及围岩稳定性判断准则（1）容许位移量 容许位移量是指在保证隧洞不产生有害松动
10、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，在起供线位置的隧洞壁面间水平位移总量的最大容许值，或供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越过该值，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）容许位移速率 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。,8.2 矿山巷道锚喷支护工程施工监测,监测目的 矿山巷道施工监测能够为巷道支护的实施提供了基础数据，是巷道支护工程得以巩固和发展的重要保证。其主要目的在于：掌握巷道围岩动态及其规律性，为软岩巷道支护进行日常动态化管理提供科学依据
11、；为检验支护结构。设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数和合理确定二次支护时间提供科学依据；监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪反馈和预测，及时发现工程隐患，以保证施工安全和软岩巷道稳定；为其他类似工程的设计与施工提供全面的参考依据；通过监测资料，可作为判断软岩巷道工程的质量检查和验收的标准。,巷道围岩表面位移观测 巷道表面位移测量观测内容包括顶、底板相对移近、两帮相对移近、顶板下沉以及底臌等。根据测量结果，可以分析巷道周边相对位移变化速度、变化量以及它们与工作面位置的关系、与掘巷时间的关系，也可以得到巷道周边的最终位移，从而判断支护效果和围岩的稳定状况，为完善支护参数提供依据。
12、,测点布置及安设1）测点布置 一般采用十字或双十字布点法（图8.4）2）测点安设 若监测巷道为新掘巷道，则观测断面应布置在距掘进头56m范围内。按设计在观测断面布点，测点的安设方法如下：在测点处钻直径42mm，深380mm垂直围岩表面的钻孔，将直径42mm、长约400mm的木桩打人孔内，木桩端部安设环形钩和平头测钉，作为测量基点。,(a)十字布点法(b)双十字布点法,图8.4 表面位移测点布置示意图,测量方法按一定的时间间隔，用测杆、测枪、收敛计或测线绳分别测量AC、BD、AO、BO8.4（a）或AC、BD、EF、AO、BO、EO1、BO1等各测点间的距离，即可计算出个点的位移量，两测点相邻两
13、次测试数据的差值即为两点相对移近量，以此累加相邻两次测试数据的差值即可得两点相对总移近量。监测数据处理(2)数据处理现场量测的数据应及时整理绘制出位移-时间曲线(U-t曲线）或位移-距离曲线(U-D曲线）。时间-位移曲线如图8.5所示。曲线的时间横坐标下应注明开挖工作面距量测断面的距离。,（a）正常曲线（b）异常曲线,图8.5 时间位移曲线,8.2.3 巷道围岩深部位移监测 监测仪器多点位移计常用来监测巷道围岩深部位移。它是一种监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间内深部围岩变形随时间变化情况的仪器。安设多点位移计的目的是：了解巷道围岩各部分不同深度的位移，岩层弱化和破坏的范围（离层情况、塑
14、性区、破碎区的分布等）；判断锚杆与围岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变量；为修改锚杆支护设计提供依据。国内外围岩深部多点位移计的种类很多，尽管它们具有不同的结构参数、组成和适用条件，但其目的都一样，如KDWl型机械式多点位移计、DW机械式多点位移计、声波多点位移计等。这些位移计的外观如图所示:,DW-5型多点位移计,BOF-EX 可回收式钻孔多点位移计,YH2000系列智能型多点位移计,孔内安装多点位移计,KDWl型多点绘制观测数据曲线，绘制的曲线可有两种形式。l）以量测点距巷道表面距离为横坐标，各测点围岩绝对位移值为纵坐标，绘制出围岩内部位移曲线，则根据该曲线的斜率变化可以判断岩体
15、非弹性变形区和松动区范围。2）以巷道掘出时间为横坐标，围岩绝对位移值为纵坐标，绘制出距巷道表面不同深度围岩随时间的变化曲线，则根据不同深度位移变化亦可以判断围岩松动区范围以及巷道受掘进影响的程度。,图8.7 KDW-1型多点位移计围岩内部绝对位移计算原理图,顶板离层监测 监测目的安装离层指示仪的目的：对顶板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板失稳的征兆，以避免冒顶事故发生；监测数据可作为修改、完善锚杆支护初始设计数据的依据之一。监测仪器顶板离层指示仪是监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层值变化大小的一种监测装置。顶板离层指示仪实际上是两点巷道围岩位移计。在顶板钻孔中布置两个测点：一个在围岩深
16、部稳定处；一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及锚杆端部围岩与巷道顶板表面间的相对位移值。并可直观显示出相对位移值（离层量）的大小。,顶板离层计,监测数据处理及应用通过测量2个基点与顶板表面相对位移变化情况，测得顶板总离层量（S），以及相对于深基点的锚固范围之外的离层量（S外）与相对于浅基点锚固范围之内的离层量（S内）。其中锚固范围之内的离层量（S内）和顶板总离层量（S）可直接从测筒上读出，锚固范围之外的离层量。S外=SS内（8-2）绘制监测数据结果曲线，根据曲线变化，判断顶板离层情况，及早提供发现顶板失稳的征兆，以避免冒顶事故发生。同时根据曲线判断锚固范围内离层情况，及时调整锚
17、杆设计参数。,巷道喷层质量监测巷道喷层质量监测是锚喷支护的重要环节之一，同时为锚喷工程质量管理提供依据。喷层质量监测内容为喷层强度和厚度检测、喷层应力状况检测等。8.2.5.1喷射混凝土层强度检测喷射混凝土的物理力学性能指标中，强度标号（指28d抗压强度）是一个主要指标。检验喷射混凝土强度时，通常有以下五种方法。（1）喷模成型试件法（2）凿方试作法（3）超声波法（4）取芯法（5）回弹仪法,喷射混凝土层厚度检测 喷层厚度直接体现了支护施工的质量，同时也会影响喷层的强度。对喷层厚度的测量通常可用以下两种方法。（1）凿孔法在已喷射混凝土支护的巷道壁上，用凿岩机等机械对喷层凿一孔洞，直接测出自喷层与岩
18、体的接触面至喷层表面之间的厚度，即为喷射混凝土的厚度。（2）预埋钢筋柱法在待喷面上预先钉入一钢筋柱，其露出长度（L1）可根据实际情况而定。待喷射作业完成后，量出喷层外的钢筋长度（L2），即可得出喷层的厚度：LL1L2（8-3）,锚杆受力监测 观测原理锚杆支护在巷道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，需对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。8.2.6.2 观测仪器监测锚杆受力用的应变计主要有电阻式、差动电阻式和钢弦式。8.2.6.3
19、观测频度观测频度为：距掘进工作面和回采工作面50m之内，每天观测1次；其他时间每周1-2次。,YH0200系列智能型表面应变计,YH0400系列智能型钢筋计,测力锚杆,数字静态电阻应变仪,8.3岩体隧道施工监测实例,工程概况 秦岭号公路隧道是陕西省“米”字型公路网骨架户县涝峪口至筒车弯段高速公路的咽喉工程，也是我国国道主干线（GZ40）二连浩特至河口穿越陕西境内最艰巨的工程地段。秦岭号特长隧道为上下行线，其中上行线隧道单洞长度为6102米，下行线隧道单洞长度为6144米。上下行线均为单心圆隧道，开挖半径66.2m，衬砌厚4565cm，隧道洞门型式主要采用削竹式洞门。该处围岩岩性以花岗岩、闪长岩
20、和变质砂岩为主，围岩类别以、类为主，约占总长度的70以上，所处构造单元属礼县榨水华里西断褶带。区内断层发育，地层挤压强烈，隧道区出露层主要有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系和第四系。,8.3.2 监测方案设计,表8-7 监控量测方案表,监控量测结果监控量测数据处理分析后表明，该隧道K71790段正上方地表最大沉降值为72.37mm，洞内拱顶最大下沉量为34.5mm，周边最大收敛值为22.81，如图8.11、8.12所示。它们和洞内收敛位移值均在控制目标值以内，隧洞施工安全，说明设计的施工方法和支护合理可行。,图8.11 隧道拱顶沉降量监测曲线,图8.12 隧道周边收敛监测曲线,8.4 矿山巷道锚
21、喷支护施工监测实例,工程概况 石嘴山二矿2336工作面开切眼、运顺巷道、回顺巷道均属煤层巷道。其中运顺、回顺巷道长度分别为1730m，开切眼长度140m。运顺巷道断面宽4.5m，高3.0m。开切眼宽6.8m，高2.7m。回顺巷道宽3m，高2.8m。巷道埋深约450m。石嘴山二矿2336工作面三条巷道沿三层煤底板掘进。该煤层最大厚度为9.69m，最小厚度6.31m，平均煤层厚度7.79m。煤层上部属亮煤f=1.2,煤层下部属暗煤f=0.8。煤层直接顶为高岭石泥岩，平均厚度0.62m，再上一层为炭质页岩，平均厚度0.52m。老顶为灰色砂质页岩，平均厚度2.40m。三层煤直接底板为黏土岩，平均厚度0
22、.18m，以下为砂质页岩平均厚度为1.5m。三层煤结构简单，含三层夹矸，夹矸厚0.120.70m。,量测项目的选择该巷道围岩强度底，又受采动影响等原因，使用锚杆支护有一定的难度，除按设计要求认真组织施工，保证施工质量外，进行施工现场监控量测是十分重要的，锚杆支护工程的监控量测内容很多，根据现场实际情况，对于该煤层巷道锚杆支护的设计与施工，主要进行以下量测内容：（1）巷道围岩表面位移：顶底板相对位移；两帮相对位移；顶板下沉。（2）锚杆锚固力检测；（3）巷道顶板离层的监测；（4）锚杆受力状态监测；（5）围岩松动圈测量。,施测部位、测点布置、测试频率以及监 测仪器的确定（1）监测原则从围岩稳定监控出
23、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观测断面；在特殊的工程部位（如洞口和分叉处），也应设置观测断面。观测点的安装埋设应尽可能地靠近巷道掌子面，最好不超过2米，以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。,（2）监测具体方案1）监测断面平面布置图2）断面布置 顶板离层监测采用九点顶板离层位移计进行顶板离层监测，运顺、回顺每30m布置顶部、帮部各一组，每组一个测点，测点布置在巷中两排锚杆中间位置，顶部基点深度依次为6m、5m、4m、3m、2m、1.6m、1.2m、0.8
24、m、0.4m，帮部基点深度依次为2m、1.6m、1.2m、0.8m、0.4m（见图8.15、图8.16）。开切眼每30m布置一组，顶部每组3个测点，帮部每组一个测点，基点深度同上（见图8.17）。在距掘进工作面30 m内，观测离层值。30 m以外，除非离层松动仍有明显增长趋势，一般可停止测读具体数据，改为抽查。由当班技术人员负责观察，确保安全。,图8.14 监测断面平面布置图,图8.15 运顺顶板离层位移计的安设,图8.16 回顺顶板离层位移计的安设,图8.17 开切眼顶板离层位移计的安设,图8.18 运顺表面收敛量监测测点布置图,表面收敛量监测采用三角形布点法安设表面位移监测断面（图8.18
25、、8.19、8.20）。每20m一组,测点布置在锚杆端头,在锚杆端头焊接圆环。运顺每排布置4个测点，如图8.18所示。回顺每排布置3个测点，如图8.19所示。开切眼第一排布置4个测点，如图8.20所示。观测频度为：距掘进工作面50m以内，及回采工作面50m以内，每天观测一次，掘进工作面50m以外，1次/2天；或按位移速度作为基准量测；本次量测频率以上述两种判断标准中取高值作为量测频度。遇突发事件，则应加强观测，整个断面内的各基线或测点应采用相同的量测频度。允许位移值：石嘴山二矿2336运顺、回顺、运顺顶板下沉量小于120，两帮相对收敛量小于110；开切眼顶板下沉量小于180，两帮相对收敛量小于
26、100，此数值仅作为参考，使用时应按具体条件进行修正调整。,图8.19 回顺表面收敛量监测测点布置图,图8.20 开切眼表面收敛量监测测点布置图,锚杆锚固力检测a.检查锚杆设计锚固力应做拉拔试验。试验数量，每支护300根锚杆或300根以下，抽样一组（3根）进行检查。测试拉拔力达到设计锚固力为合格（64KN）。b.锚固力测试一般不作破坏性试验，当拉拔加载到锚杆设计锚固力的90%即可停止。c.锚杆质量合格条件：被检测的一组锚杆被加载到设计锚固力的90%时，其中只要有一根不合格要求，再抽检一组，再不合要求，则应有负责工程人员组织研究锚杆质量不合格原因，并采取处理措施。锚杆受力状态监测a.每20m布置
27、一组锚杆测力计（压力盒）,每组1个,测力计托盘为特制铁托盘,规格为:300*300*12mm；锚杆测力计可迟后安装，避免爆破破坏，安装时，先把锚杆原铁托盘卸掉，换成特制的铁托盘。观测频率为：距掘进工作面5M范围内至少观测2至3次。以后至少每掘进10m观测一次，直到数据趋于稳定。巷道变形相对稳定阶段，每月观测1至2次。进入回采阶段，距工作面距离分别为下列数值时进行观测：100m、50m、20m、10m和1m。b.测力锚杆安置：采用自制应变式测力锚杆，每20m布置一组，每组安装一根，将测力锚杆作为支护锚杆安设入巷道顶部巷中位置。观测频率同锚杆测力计。将锚杆测力计和测力锚杆安装好后，用YJK4500
28、B型数字静态电阻应变仪进行量测。,ZML-500B-1000B(双油路)锚杆拉力计(数显式),结果分析通过对石嘴山二矿2336工作面现场收敛变形观测、锚杆工作荷载状态监测和煤巷围岩深部位移监测，收集了大量的数据，为巷道工程安全施工提供了重要的参考依据。石嘴山二矿2336工作面变形监测的部分结果如下（图8.23-图8.26）。该监测数据表明，2336工作面运顺巷道、回顺巷道及开切眼的支护设计合理可靠，能够满足复杂条件下软岩煤层巷道安全生产的要求。,图8.23 运顺1收敛监测断面顶板沉降速率,图8.24 回顺1监测断面顶板下沉量,图8.25 回顺1监测断面两帮收敛量,图8.26 运顺1测点锚杆荷载变化速率,
