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第十章 测量与监测

10-1 测量与监测的目的

1. 许多岩石地下工程的施工合同都把地质技术的测量和监测程序作为工程的组成部分。为了取得成功，这种监测方案必须为明确的目的而进行，经过良好的规划，通过有能力的工作人员的支持完成和实施监测方案。
2. 有关仪器和监测的基本原理以及许多仪器的详细信息，请参见EM1110-2-4300《混凝土结构仪器》。
3. 岩土工程监测项目的实施有以下一个或多个目的：
4. 在根据所遇到的情况选择初步矿山支护的情况下，监测可核实支护是否充分，并表明是否需要更多的支护。
5. 在施工期间的早期监控，也许在测试区可以帮助规划后期的施工程序，或者帮助决定是否需要使用应急计划。
6. 根据新奥地利隧洞施工法（第5-5节），位移和荷载监测是施工过程的重要组成部分，为施工期间的设计和验证提供输入。
7. 在确定地面支持的充分性的过程中，监测还起到安全功能，警告可能发生地面故障。
8. 在某些情况下，可以根据监测来决定最终衬料是否需要安装额外的钢筋或钢衬。
9. 可能需要进行监测，以证明符合环境要求（例如，地下水降低、地面沉降、振动）或合同要求。
10. 有时可以获得其他结构（地下厂房、大坝、附近其他隧道）设计所需或有用的数据。
11. 监测可用于诊断承包商项目计划中的缺陷，并指示更好的项目计划。
12. 用于获取重要结构设计数据。
13. 有时，可获得对设施长期运行有用的基线数据（如地下水压力）。
14. 有效监测计划的基本要素包括以下几点：
    • 需求和目标的定义。
    • 规划和设计。
    • 程序的执行。
    • 数据分析。
    • 根据监测结果采取行动。

所有这些组件必须提前仔细计划。如果无法及时正确分析所获得的数据，或预计不会根据数据采取任何行动，则测量程序将没有任何目的，不应实施。许多隧道，尤其是隧道掘进机通过强度合适的岩层，不需要监控程序。大型洞室和近地表结构更有可能受益于监测计划。第5-13节讨论了安全相关参数的监测，如空气质量、甲烷或氡浓度。第5-14节讨论了环境监测。

10-2 规划和设计监控程序

监控程序的开发从定义程序的目的开始，到规划如何实现测量数据结束。系统规划需要隧道或竖井设计人员和在技术仪器应用方面具有专业知识的人员之间的团队合作。表10-1列出了规划成功监测项目时应考虑的事项，并在以下小节中进行了概述。邓尼克利夫（1988）提供了更全面的信息。有关隧道和地下室施工、竖井和入口以及城市环境监测的具体问题，见第10-3节。

1. 定义项目条件。熟悉项目设计的工程师或地质学家应负责规划监测计划。但是，如果项目是由他人计划的，则必须特别努力熟悉项目条件，包括隧道或竖井的类型和布局、地下地层和地下材料的工程性质、地下水条件、附近结构或其他设施的状态、环境条件，以及计划施工方法。
2. 预测控制行为的机制。在定义仪器和监控程序之前，必须为可能控制行为的机制建立一个或多个工作假设。然后，应该围绕这些假设来规划工具。例如，如果目的是监测安全性，必须为可能导致岩石或支护失效的机制建立假设。
3. 确定测量与监测的目的以及需要解答的问题。除非有可以辩护的正当目的，否则不应使用仪器。派克(1984)指出:“仪器的合法用途是如此之多，而仪器和观测所能回答的问题是如此重要，我们不应该冒着损害仪器价值的风险，不当或不必要地使用它们。”，解决一个具体问题时应选择和放置特定的工具。如果没有问题，就不应该使用仪器。在解决度量方法本身之前，应该列出在构建过程中可能出现的问题。
4. 选择要监视的参数。表10-2给出了可能需要监视的参数列表。重要的是要考虑哪些参数对于每个特定的情况是最重要的。例如，如果问题是“支护是否超载?”支护的应力或载荷可能是主要的参数。但是，认识到应力是由岩石变形引起的，也可能需要监测变形。通过监测原因和结果，往往可以发展两者之间的关系，并可以采取行动，以消除任何不良影响的原因。

1. 预测变化幅度并为要采取的行动设置响应值。预测变化的幅度，并设置要采取的行动的响应值。预测是必要的，以便选择所需的仪器范围和所需的仪器灵敏度或准确度。对最大可能值或最大兴趣值的估计将决定仪器的范围，最小兴趣值决定仪器的灵敏度或准确度。准确性和可靠性经常发生冲突，因为高度精确的仪器可能很脆弱。应预先确定表明需要采取补救行动的仪表读数。绿色、黄色和Ed响应值的概念非常有用。绿色表示一切都好;黄色表示需要采取预防措施，包括增加监测频率;红色表示需要及时采取补救行动。
2. 制定补救措施并安排实施。仪器使用的内在要求是必须事先确定解决任何可能由观测结果揭示的问题的积极手段(Peck 1973)。如果意见表明需要采取补救行动，那么这种行动必须以以前预期的适当计划为基础。人员参与规划过程需要为网站设计补救行动计划人员遵循的事件响应值,和设计和施工人员施工期间应保持开放的沟通渠道,这样他们之间可以讨论补救行动计划。
3. 分配所有阶段的职责。监测程序期间的职责包括计划、仪器采购、校准、安装、维护、读取、数据处理、数据表示、数据解释、报告和决定结果的实施。在指定监测职责时，对数据有最大既得利益的一方应直接负责准确地提供数据。
4. 定位与区域布局
5. 在选择监测仪器时，可靠性是最理想的特征。一种仪器的最低第一成本不应主导仪器的选择。应比较现有仪器的采购、校准、安装、维修、读数和数据处理的总费用。最便宜的仪器可能不会导致最低的总成本，因为仪器本身的成本通常只占总成本的很小一部分，所以它可能不太可靠。
6. 用户需要对他们所选择的仪器有足够的了解，并且在选择仪器之前经常与制造商的工作人员讨论应用程序。在讨论期间，所有使用限制都应该被确定下来。
7. 仪器的选择位置应根据隧道或竖井的预测行为。地点应与工作人员解释数据时使用的问题和分析方法相一致。选择仪器位置的实用方法包括三个步骤：

• 首先，确定需要特别关注的区域，例如结构薄弱的区域或负载最重的区域，并定位适当的工具。
• 其次，选择预测行为中具有代表性的区域(通常是横截面)。这些区域被认为是主要的仪器部分。在这些地区安装的仪器将提供全面的性能数据。
• 第三，因为主要区域可能不是真正具有代表性的，所以在一些次要工具部分安装简单的工具，作为比较行为的指标。如果一个或多个次要部分的性能与主要部分明显不同，可以在施工过程中在次要部分安装额外的仪器。

1. 记录影响测量的因素。
2. 为了正确解释几乎所有现场仪表数据，必须监测和记录所有可能影响测量结果的现场活动和气候条件。这些至少包括以下内容:

• 开挖进度(如掘进巷道工作面与安装距离)。
• 开挖临近洞口，包括爆破效果
• 安装衬里或其他地面支撑物。
• 安装排水渠或灌浆。
• 异常事件(地面不稳定，过量的水流入等)。
• 继续监测流入地下空间的地下水。

1. 通常，地质或岩石质量的变化对监测数据有很大的影响。虽然一般建议在施工期间沿重要的地下设施绘制地质图，但在广泛的监测设施附近绘制尤为重要。
2. 建立确保数据正确性的程序。负责监测仪表的人员必须能够回答以下问题:“仪表的功能是否正常?”他们有时可以通过视觉观察来确定答案。在危急情况下，即使同一种仪器的准确度大大低于主要系统的准确度，也可使用一种以上的仪器来提供后备系统。例如，光学测量经常可以用来检查用于监测地下变形的仪器的表面安装的磁头表观运动的正确性。可重复性还可以提供数据正确性的线索。通常值得在短时间内多次读取数据，以确定缺乏正常的可重复性是否表明可疑数据，
3. 准备仪表系统设计报告。应编写“仪器系统设计报告”，总结以前所有步骤的规划。此报告强制设计人员记录所有决策，此时可以对这些决策进行评审，以确保它们满足项目的需求。
4. 计划定期校准和维护。在使用寿命内，需要定期校准和维护显示装置。在规划过程中，仪表设计人员应制定现场终端和可访问嵌入式部件的定期维护程序和时间表。
5. 计划数据收集和数据管理。在该领域的仪器工作开始之前，应准备收集、处理、呈现、解释、报告和实现数据的书面程序。这些任务所需的努力不应低估。计算机化的数据收集、处理和显示程序大大减少了人员的工作量，但仍然存在局限性。任何计算机系统都不能取代工程判断，工程师必须作出特别努力，确保数据得到解释和报告，并确保测量的结果与可能的原因相关联。

10-3 隧道及地下硐室施工监控

隧道开挖的表现最明显的是隧道壁和隧道周围岩体的位移。隧道壁的收敛性是目前隧道性能最重要的指标，也是比较容易测量的。载荷、应变和应力通常更难测量，也更难解释。

1. 位移和收敛性。隧道收敛的绝对值有时是可以预测的，超过这个值会引起关注;然而，收敛速度是更重要的参数。图10-1从概念上展示了收敛速度的几个时间图。曲线a和曲线b收敛性减小，表明结构最终稳定。如果收敛速度为零，则隧道内的最终衬砌安装将无负荷。如果位移接近一个渐近值，则可以通过延迟安装来减轻最终衬砌的荷载。通常，随时间变化的位移随时间的对数线性变化，位移随时间的变化曲线可用于预测长期性能。非均匀收敛性是永久衬砌潜在非均匀荷载的证据。利用假定的均布或非均布荷载分布，通过反算可从位移中推断荷载，从而与设计中假定的荷载进行比较，评价设计的充分性。

1. 最常见的收敛测量是水平直径测量。由于对设备和交通的干扰，通常不进行垂直测量。直径的测量也是可能的。隧道掘进机经常阻止或严重妨碍收敛监测的尝试。在这种情况下，利用全站仪和反射面目标进行精确测量可能是一种实际的解决办法。在软土地基(如粘土页岩)中具有水平底板的隧道中，过应力的典型反应是底板的过度隆起。由于交通不便和水流软化，底鼓的监测工作十分困难。测量点可设置在楼顶以下一段距离并加以保护，并可读取高精度的电子水准。
2. 通常需要确定爆破破坏岩石的深度以及隧道或地下洞室壁后非弹性或蠕变变形的深度。如果收敛估计是地面支护或衬砌设计的基础的一部分，并且收敛的弹性和非弹性部分必须加以区分，这种测量特别有用。隧道壁后地面运动的数据通常是用多位置钻孔伸长仪(MPBXS)获得的。锚被固定在离井壁不同距离的径向钻孔的井壁上。这些锚被连接到墙上的测量装置上，该装置允许测定锚点之间的相对位移。将这些数据与理论的弹塑性位移或弹塑性位移变化进行比较，就有可能得到弹塑性分析的参数，并确定塑性位移的程度。这对于确定所需的销钉或锚杆的深度是很重要的。在大多数隧道中，这种测量只用于严重位移的地区，或用于可能适用于较长隧道的典型试验段。MPBX通常更适用于大型、复杂的岩洞。在邻近隧道之间留下支柱，或在隧道留下岩体前端的情况下，MPBX装置可用于评估过度应力的程度，或柱或前端内的稳定性，如位移所示。
3. 负荷测量。在过去的几年里，当广泛的钢架支架在隧道中普

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