地下工程监测与检测技术

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1、地下工程监测与检测技术地下工程监测与检测技术第一章 绪论课 程 介 绍地下工程监测与检测地下工程监测与检测在施工过程中进行动态监测和检测，实施信息化施工，提供反馈信息，从而指导施工、修改设计，以确保工程安全。监测与检测已经成为继勘察、设计、施工、监理之后的又一个产业。 地下工程是修建在具有原岩应力场、由岩土和各种结构面组合的天然岩土体中的建(构)筑物，通常包括地铁、隧道、地下停车场、地下商场、水电工程中的地下厂房等, 靠围岩和支护的共同作用保持稳定。由于围岩中存在着节理、裂隙、应力和地下水，地质结构体系极其复杂，且具有不确定性，因此地下工程的建设比地面工程复杂得多。第一节第一节 地下工程监测和

2、检测的必要性地下工程监测和检测的必要性n 地下工程是建筑工程中的重要组成部分。它以岩土地基、边坡、围岩三种主要形式与结构物组成各种形式的建筑物整体；被称为“隐蔽工程”和“灰色工程”。地下工程赋存环境的复杂性决定了其工程建设的风险性；风险的解决过程是设计、施工和监测检测相互配合协调的过程； 在施工、运行过程中，监测岩土工程的实际状况及稳定性，将为保证工程安全提供科学依据，监测信息将为修改设计、指导施工提供可靠资料；Malpasset Dam 法国马尔巴塞双曲拱坝，高66.5 m，坝底厚6.91 m，坝顶厚1.5 m，坝顶长222.66 m。1954年建成。1959年12月2日溃坝。 短短45分钟

3、，使坝下游8km处的一兵营500名士兵几乎全部丧生，距坝10km的一城镇变成废墟，直接经济损失6800万美元。 1978年夏，香港半山区一座27层大楼，因边坡滑动，整座大楼滑塌到山脚，沿途切断一座大楼和一些房屋，造成人员和财产的巨大损失。香港半山区滑坡香港半山区滑坡某地铁坍塌事故某地铁坍塌事故年月日下午时分，正在施工的某地铁站北基坑现场发生大面积坍塌事故，造成人死亡，人受伤，直接经济损失万元。坍坍塌塌后后供供水水管管线线断断裂裂情情况况坍坍塌塌后后供供水水管管线线断断裂裂情情况况坍坍塌塌后后供供水水管管线线断断裂裂情情况况坍坍塌塌后后供供水水管管线线断断裂裂情情况况坍坍塌塌后后供供水水管管线线

4、断断裂裂情情况况某地铁坍塌事故 2003年，某地铁区间隧道联络通道发生渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降，周边8层楼房发生倾斜，其主楼裙房部分倒塌。倒塌楼房以东至江边之间的地面也发生大幅沉降，江防汛墙断裂。直接经济损失多达5000多万。某广场挡土墙塌陷 2005年7月，某建筑工地基坑挡土墙突然发生坍塌，邻近的宾馆和一幢8层居民楼发生倾斜，宾馆一面客房的墙体全部坍塌。1.地下工程监测检测的必要性 保证工程的施工质量和安全，提高工程效益。 服务于工程建设的全过程。 使工程师对建(构)筑物与岩土共同作用的性状及施工和建(构)筑物运营过程的认识在理论和实践上更加完善； 运用长期积累的观测资料

5、掌握变化规律，对建筑物的未来性态作出及时有效的预测； 为未来设计提供了大量定量信息，为更新设计理论、改进施工方法及对破坏机理研究等提供宝贵的参考资料。 为法律仲裁提供依据。基本知识基本知识基本知识基本知识基本手段基本手段基本手段基本手段必须掌握必须掌握必须掌握必须掌握2. 地下工程监测和检测中存在的主要问题 部分工程未把监测、检测与信息反馈作为重要工序编入施工组织设计，有的虽然作为工序编入，但实施不规范、不彻底、应用效果差； 工程技术人员没能真正领会和掌握信息化设计与施工技术，施工中缺少专业人员，特别是信息反馈方面，很少能结合施工情况，对监测检测信息进行合理分析，进而对工程设计和施工起指导作用

6、； 缺乏环境的评估标准，有必要就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制标准进行研究； 在我国部分城市地下工程施工中，引入了第三方监测，对促进监测技术健康发展具有一定的积极意义，但还要进一步规范。 监测与检测技术基础知识 基坑工程监测 地下隧洞工程监测 地下工程中的声波测试技术 雷达测试技术 地质超前预报技术 监测的信息反馈技术 测量误差分析及数据处理等内容第二节第二节 教学内容和基本要求教学内容和基本要求1. 教学基本内容2. 地下工程监测和检测中存在的主要问题 部分工程未把监测、检测与信息反馈作为重要工序编入施工组织设计，有的虽然作为工序编入，但实施不规范、不彻底、应用效果差

7、； 工程技术人员没能真正领会和掌握信息化设计与施工技术，施工中缺少专业人员，特别是信息反馈方面，很少能结合施工情况，对监测检测信息进行合理分析，进而对工程设计和施工起指导作用； 缺乏环境的评估标准，有必要就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制标准进行研究； 在我国部分城市地下工程施工中，引入了第三方监测，对促进监测技术健康发展具有一定的积极意义，但还要进一步规范。第三节第三节 地下工程监测和检测技术的发展与现状地下工程监测和检测技术的发展与现状 认识阶段-20世纪50年代 大坝和上部结构的事故多由地基失稳引起的，边坡工程、地下工程的事故由岩土体失稳所致。 发展阶段- 20世纪

8、70年代 逐步加深仪器的选型、布置、埋设技术、观测方法、观测资料的整理与分析等方面的研究。 规范阶段- 20世纪80年代 逐步实现了仪器安装埋设与观测的标准化、程序化和质量控制措施，编制了一些监测规程、指南和手册。1. 发展现状 全方位发展阶段- 20世纪90年代以来 新的监测手段和设备出现，自动化、智能化的监测系统、数据处理系统、资料分析系统、预报预警系统的出现，可靠性设计理论与方法的广泛应用，使得监测技术向着标准化、自动化和智能化的方向发展。光纤监测技术三维激光扫描技术非量测相机的近景摄影测量技术无线传感网络技术 2. 发展方向 利用高性能智能传感组件、无线传输网络和信号采集系统，采用多参

9、量、多传感组件，数据智能处理与数据动态管理方法，进行实时监测、安全预警和可靠性预测。本课程的特点总结应用型、实践型、发展型地下工程监测与检测技术是一门综合性的新兴工程应用技术，涉及到地质、力学、设计、施工、仪器、监测技术和理论分析等知识领域。目前还处于发展阶段，还有大量的技术难题有待于探讨、研究和解决。是十分艰苦和繁重的技术岗位。地下工程监测与检测技术地下工程监测与检测技术第二章 测试技术基础知识及传感器的原理测试系统的组成测试系统的主要性能指标测试系统的静动态传递特性测试系统的选定原则传感器的一般原理常用传感器电阻应变片量测原理和技术传感器的选择和标定内容提要测试技术基础知识传感器基础知识测

10、试 测试是以确定量值为目的的一系列操作；由测试所获得的被测的量值叫测试结果。 被测对象传感器量测传感器量测测试信息被测试的量值变化、传输、处理变化、传输、处理测试过程第一节第一节 测试技术基础知识测试技术基础知识一.测试系统的组成1.荷载系统荷载系统 荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使与被测对象（试件）有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。 地下工程试验采用的荷载系统除液压式外，还有重力式、杠杆式、液压式、弹簧式和气压式等。2. 测量系统测量系统 测量系统由传感器、中间变换和测量电路组成，它把被测量（如力、位移等）通过传感器变成电信号，经过后接仪器的变换

11、、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。传感器是整个测试系统中采集信息首要的关键环节，它的作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。传感器传感器各种线缆各种线缆感受部分感受部分处理部分处理部分显示部分显示部分传输部分传输部分信号处理器、变换器信号处理器、变换器输出设备输出设备测斜管测头电缆测度仪3. 信号处理系统信号处理系统 信号处理系统是将测量系统的输出信号进一步进行处理以排除干扰。 计算机中需设计智能滤波等软件，以排除测量系统中的噪声干扰和偶然波动，提高所获得信号的置信度。 对模拟电路，要用专门的仪器或电路（如滤波器等）来达到这目的。 显示和记录系统是测试系统的输出环节，是将对被测对象

12、所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来。数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏来实现，而数据记录则可采用函数记录仪、光线示波器等设备来实现。4. 显示和记录系统显示和记录系统二. 测试系统的主要性能指标1. 测试系统的精度和误差 测试系统的精度是指测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。测试系统的精度越高，其误差越低，反之精度越低，则误差越大。绝对误差相对误差引用误差仪器示值的稳定性有两种指标。一是时间上的稳定性，以稳定度表示；二是仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以各种影响系数表示。稳定性是由于仪器中随机性变动、周

13、期性变动、漂移等引起的示值变化，一般用精密度的数值和时间长短同时表示。2.稳定性系统在正常工作时所能测量的最大量值范围，称为测量范围，或称量程。在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围。3.测量范围（量程）传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。测试系统的传递特性分为静态传递特性和动态传递特性。描述测试系统静态测量时输入输出函数关系的方程、图形、参数称为测试系统的静态传递特性。描述测试系统动态测量时的输入输出函数关系的方程、图形、参数称为测试系统的动态传递特性。作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性，而作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性。4.分辨率

14、 分辨率是指系统可能检测到的被测量的最小变化值，也叫灵敏阈。一般来说，分辨率的数值愈小愈好。5.传递特性三.测试系统的静动态传递特性1. 测试系统的静态传递特性1) 静态方程和标定曲线当测试系统处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间而变化，将变成代数方程：系统的静态传递特性方程，斜率S（也称标定因子）是常数。表示静态（或动态）方程的图形称为测试系统的标定曲线（又称特性曲线，率定曲线，定度曲线）。 标定曲线的种类求取静态标定曲线，通常以标准量作为输入信号并测出对应的输出，将输入与输出数据描在坐标纸上的相应点上，再用统计法求出一条输入输出曲线。标准量的精度应较被标定系统的精度高一个数量级。线性

15、度灵敏度分辨力测量范围和量程 迟滞重复性 零漂和温漂 分辨率，检测到的最小输入增量 量测上下限 多次量测下，输入输出曲线的不一致性 零漂，传感器无输入或输入另一值时，每隔一定时间，其输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比；温漂 ，温度每升高1度，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比。2）测试系统的主要静态特性参数线性度(直线度) 标定曲线与理想直线的接近程度：notenote：基准直线不同，线性度不同。：基准直线不同，线性度不同。 对测试系统输入一个变化量 x，就会相应地输出另一个变化量 y，则测试系统的灵敏度为：灵敏度迟滞(回程误差) 在相同测试条件下和全量程范围内，当输入由小增大和由

16、大减小的行程中，同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax与A的比值的百分率。2. 测试系统的动态传递特性当系统的输入量与输出量随时间而变化时，测试系统所具有的特性就称为动态特性。在动态测试时，必须考察测试系统的动态传递特性，尤其要注意系统的工作频率范围。 时间响应和频率响应是动态测试过程中表现出的重要特性，也是分析测试系统动态特性的主要内容。测试系统的动态特性是描述输出y(t)和输入x(t)之间的关系。这种关系在时间域内可以用微分方程或权函数表示，在频率内可用传递函数或频率响应函数表示。四.测试系统的选定原则1. 灵敏度 灵敏度高意味着能检测到被测物理量极微小的变化，但灵敏度愈高，往往测量范围愈窄，稳定性也愈差。在选择仪器时，最好选择灵敏度有若干挡可调的仪器，以满足在不同的测试阶段对仪器不同灵敏度的测试要求。2.准确度准确度表示测试系统所获得的测量结果与真值的一致程度，并反映了测量中各类误差的综合。准确度越高，则测量结果中所包含的系统误差和随机误差就越小。测试仪器的准确度越高，价格就越昂贵。因此，应从被测对象的实际情况和测试要求出发，选用准确度合适的仪器，以获得最佳的技术经济