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1、岩土工程安全监测与反分析主要内容1 安全监测的重要性2 安全监测原理3 安全监测技术4 监测数据分析方法 1 安全监测的必要性 为了在地质体中成功地设计和施工一个重要的地质工程，根据系统论观点，可把岩土体看做开放的、动态变化着的复杂巨系统。对于这种系统，按照综合集成方法(MateSynthetic Engineering)的思路进行处理，即采用理论分析、专家群体经验和监测信息反馈相结合的方法进行可变更设计和信息化施工。毫无疑问，在这种设计思想中，监测是不可缺少的。另外，为保证工程的安全运行，也离不开长期监侧。一般而言，监测通常应达到修改设计、指导施工、验证设计和计算方法、作专题性研究以及运行监
2、督等五个目的。重要的是，应当把测试数据在现场作为信息来处理。按照这一观点，所谓监测是指在现场对原型进行的、以获取可以反映岩土工程在不同条件下所处的状态和发展趋势的有关信息的量测。实际上，岩土体对人为的或自然所加的影响(包括开挖、加固和某些自然现象所带来的后果等)所表现出的各种反应(如开裂、位移、应变和应力的变化等)，都是可以量测的信息。通过对这些信息进行的分析处理，可以预测工程师们最为关心的、有关岩土体目前所处的状态和可能的变化趋势，应该采取何种工程措施。沿着这条途径。就有可能保证系统按预定目标实现最优设计和施工。 根据测到的信息，反估某些表征岩土体的力学特征的参数和地应力分量的所谓反分析法，
3、显然也是可变更设计和信息设计的一个重要组成部分，因为其结果通常也可直接用于设计。同时，它还可从监测数据中提取更多的有用资料，例如据此可对有关力学参数和地应力分量等作出较好的估计。由此可见，位移反分析法实际上是对传统的岩石力学试验方法的一个突破。 岩土体在条件改变时所处的状态、可能产生的位移、应力和破坏进行预测是十分重要的。作出的危险预测将引起人们的重视，可为修改设计、防治方案的制定和实施赢得宝贵时间，使工程化险为夷；反之，所做的稳定预测则有可能帮助工程师们下决心削减原设计的支护强度，为工程节约处理经费和缩短工期。 预测与监测相反分析之间存在着重要关系。如果采用力学分析方法进行预测，其精度往往取
4、决于所用参数的精度。这当然也可借助于反分析法来预先确定参数。但反分析法也离不开有关信息的取得。如果采用数理统计方法进行预测，则现场量取各种信息就更加重要了。 总之，互相关联的安全监测、反分析和预测等三个方面，对于岩土工程设计和施工来说，不仅具有重要的理论意义，而且也具有不可低估的实用价值。2 安全监测原理 监测系统方案必须根据工程要求、地质条件和监测技术条件等实际情况制定。具体问题具体分析是监测系统建立的总原则。 (1)可靠性原则 监测系统必须可靠，这是最基本的要求。整个监测系统的可靠性将取决于所组成的各仪器(包括测点)的可靠性、监测网的布置、设计上的统筹安排、施工上的配合，以及仪器与测点的保
5、护和维修等方面。 (2)多层次监测原则 具体有三层意思：第一，在被监测对象的选择上以位移为主并辅以其他项目(如声发射、开裂、地下水流量、钢筋应力等)。一般地说，测自现场的位移值比较直观、可靠。另外，有关位移的量测系统还具有建立较易、经费较省等优点。许多研究者主张，在各个施工阶段都可以以各种位移实测值作为评价岩土体稳定性和修改设计、指导施工的客观标准。这也很容易理解为什么新奥法如此强调位移量测。有些有关喷锚结构作用机理的研究甚至把实测位移评价提到设计原则的高度。第二，在仪器选型上，一般要求多种仪器互相配合、互相补充。这里包括内观与外观的结合，机测与电测结合等。第三，在测点布置上，一般应考虑以下三
6、个问题：首先，充分利用各种有利的工程条件布置测点。例如大型地下工程监测可利用先开挖的排水洞的位移。其次，必要时可考虑地表和地下测点形成三维空间监测网。再次，还应考虑重点和般兼顾，以保证测点的 一定覆盖面。 (3)优先监测关键部位的原则 这是根据按突破观点进行喷锚设计的一个重要设计原则优先处理突破口原则而提出来的。一般而言，通过工程条件和地质薄弱区(如断层、风化带和不稳定块体)等的预分析就可初步确定这些重点监测区。但必要时，还可再借助于力学分析手段作进一步分析。 (4)分期监测原则 对于重大工程和重要部位，一般应考虑分期监测原则，即根据不同设计阶段对监侧提出的不同要求和可能提供的不同条件，将其分
7、为前期监测、施工期监测和竣工后的长期监测等阶段。对于一般工程和一般地段，通常仅考虑施工期监测： (5)方便实用原则 一般而言，监测所选的方法和技术应以简单、实用和方便(包括安装方便、测读方便、维修方便和分析方便等方面)为宜。 (6)高效原则 要求测读及时和信息反馈(到主管工程师处)及时，以便对各种情况作出及时反应，取得较大效果。显然，监测信息的科学管理是十分重要的，尽量作到实时监测。 (7)无干扰和少干扰的原则 监测与施工之间往往存在着干扰，而且这种互相干扰也往往难以处理。对于大型、巨型地下工程或高陡边坡来说，按照无干扰和少干扰原则来设计监测系统是很重要的。据此，应尽量利用先挖的地质探洞和排水
8、洞等布置仪器，使干扰降低到最小程度。 (8)地质信息并重原则 重视监测信息，也强调详细搜集开挖中新揭露出来的地质现象并迅速反馈到主管地质师和主管工程师处，为可变更设计和信息化施工服务。 (9)济合理原则 监测系统在选择仪器时应从功能出发，而不应过多地考虑形式。以最小的代价换取最大的效果，这是应当遵循的经济合理原则。 总之，无论是地下工程、边坡工程，还是矿井工程、大坝工程和地基工程，在建立监测系统时应当全面考虑上述这9条设计原则。3 安全监测技术岩土工程在其施工期间，由于工程条件会引起各种物理量的变化。在其服务期限内会经受周围环境变化的作用，并根据环境的变化作出不同性质的反应。在观测工程的性态时
9、，各种物理量的取得取决于：原因或环境参量，即成因量，由于它们的变化而引起建筑物性态的变化；效应参量(结果参量)即效应量，建筑物对原因参量变化而产生的反应。按照监测目的不同又可分为工程性态观测量和科研工作观测量。原因参量和效应参量随时间而不断地变化。为评估与建筑物的反应模式有关的相关关系，必须对这些变化进行测量。由于这种测量要在建筑物寿命期限内系统重复地进行很多次，唯一实用的解决办法是配备专用于监视的永久性监测系统。因此，建立一个有效的监测系统，必须选好观测物理量。一般的安全监测物理量如表所示。在被监测物理量的选择上以位移为主并辅以其他监测项目。这里介绍最主要的位移量测技术，并对常遇到的地下工程
10、、边坡工程、坝基工程等三类主要岩土工程分别讨论。31 地下工程位移量测技术和监测方法 针对大型地下洞室监测、隧道安全监测、水工隧洞安全监测、城市地铁监测及工业与民用建筑的监测。在技术上主要分五类：收敛量测、钻孔伸长量测、倾斜量测、裂缝量测以及采用经纬仪和水准仪等光学仪器测试等。 (1)收敛量测 收敛量测是借助收敛计量测两个分别埋设于岩面或支护壁面上的测点之间的、沿着它们连线方向变化的相对位移。其优点是消耗材料较少(仅用于测点)和测读方便。 从两测点的连结方式上看，收敛计又可分为带式、丝式和杆式等三种。带式收敛计常具有一组定位孔的钢卷尺连结两测点。其中美国产的Tape Extenxometer和
11、国产的QJ-85型球铰式坑道周边收敛计较为常用。丝式收敛计常用以钢丝连结两测点，其精度通常高于带式的。瑞士产的Distometer ISETH是该类仪器的代表。这类仪器的不足在于钢丝的基距难以调节。所以每对测点都需备一钢丝，从而提高了成本。杆式收敛计又可分为测杆和垂向杆式收敛计两类。前者精度较低，常用于矿山；后者(可以以中国科学院地质研究所研制的HBl型悬挂式垂向杆式收敛计为代表)主要用于量测各类地下工程的顶、底板间的相对位移。由于它不存在挠度问题，故其精度远高于测杆。此外，它还可较好地解决洞高在56m之内的测读登高问题。 (2)钻孔伸长量测（多点位移测量） 这也是取得指导设计的信息的重要手段
12、之一。所谓钻孔伸长量测指利用伸长计对沿钻孔埋设的各测点间的相对位移所做的测试。伸长计在原理上有机测式(如利用百分表等作为测读部件)和电测式(如电感和电阻等原理)等两类；在测点埋设上，可采用粘结剂(包括砂浆和环氧等)、涨壳式固定器(包括机械涨壳头和压缩木)等方法；在测点连结方式上又可分为串联和并联两种，并以杆或丝相连结；在安装方法上则分固定式和携带式；而在测读方法上又分接触式、有线遥测和无 线遥测等。显然，各种原理和各种方式的不同组合构成了种类很多的伸长计。限于篇幅，这里仅介绍构思独特的S1idng Micrometer。它利用等距埋设于垂直钻孔中的圆锥面卡头，把两端特制成球面形的仪器逐段推入和
13、逐段测读(当两球面借助于人工拉力与卡头的圆锥面压紧时，就可从电感元件测得钻孔轴向长度的变化)。其优点是一个钻孔可布置十几个乃至几十个等距分布的测点。 (3)倾斜量测所谓倾斜量测，系指采用倾斜仪量测两点之间的相对倾斜量。一般而言，倾斜是指垂直于两点(包括同一测点的两个测座)连线的这两点的相对位移，当然也可用倾角表示。可以用于地下工程监测的倾斜仪种类很多，这里仅介绍其中有代表性的几种。l 溢流式水管倾斜仪。中国科学院地质研究所研制的专利产品FOI型溢流式水管倾斜仪，是采用溢流方法控制水面，蒸发和温度等问题也随之解决。其特点是精度高(测读误差一般低于006mm)且价格低。该仪器主要用来量测测点相对于
14、不同点的下沉量。必要时也可配上自动加水和望远镜测读等附近装置，以便在塌方处理中实现遥测。如经特殊设计，还可以通过专门挂钩来量测拱顶相对于斜后方边墙体一相对不动点的下沉量。l S1iding lnclinoMicrometer。这种由瑞士ISETH研制的仪器比较昂贵。实际上它是图241所示的SIiding Micrometer的一种发展：把高精度电子摆元件装入后者，以量测垂直向钻孔的轴向伸长变形和两个互相垂直的方位上的倾斜量。这种仪器可以帮助工程师们确定钻孔位移后各测点的空间位置。l CX钻孔倾斜仪 北京三院研制生产，具有类似上述仪器功能的美国产的Sinco钻孔倾斜仪，在我国较为常用。量测时可将
15、它的滑轮滑人埋入垂直向钻孔中的特制套管的滑槽中，每隔半米测读一次。且可在两个相互垂直的方位上各测一遍。预先在待开挖的洞体的一侧钻一垂直向钻孔并埋入特制套管，就可以用这一类仪器监测水平向的开挖位移。体的一侧钻一垂直向钻孔并埋入特制套管，就可以用这一类仪器监测水平向的开挖位移。l Extenso-Deflectometer。这种由瑞士研制的仪器主要用于伏角较小的钻孔中，所以它实际上是一种挠度计。另外也有人利用应变片测读套管各处应变来制造挠度计。图243的b和c是挠度计的两种典型用法。 (4)裂缝量测 所谓裂缝量测系指利用测缝计对裂缝两侧的相对位移进行的量测。事实上，侧缝计也可用于尚未产生明显裂缝的地段的相对位移监测。仪器可以是携带式的，也可以是固定式的。值得指出，对于可能失稳的部位可以采用带报警装置的固定式的测缝计进行监测。德国产的Fissurameter和中国科学院地质研究所的专利产品DB1型机械式测距计为代表。32边坡工程位移量测技术和监测方法 从人工边坡和自然边坡监测角度看，各重要部位的位移监测、气象预测和地下水位量测等都很重要。仅讨论位移监测问题。 边坡位移监测手段与地下工程的基本相同。例如上述收敛计、钻孔伸长计和钻孔倾斜仪等都可用于边坡监测。但因边坡规模一般远大于地下工程尺寸，故前者比后者更多地使用经纬仪、水准仪、激光测距仪、无线遥测装置、电子经纬仪等仪器。
