巖石隧洞安全監(jiān)測的對象主要是圍巖、襯砌、錨桿和鋼拱架及其他支撐，監(jiān)測的部位包括地表、圍巖內(nèi)、洞壁、襯砌內(nèi)和襯砌內(nèi)壁等，監(jiān)測類型主要是位移和壓力，見表7.10.1

巖石隧洞監(jiān)測的項(xiàng)目和所用儀器????????????? 表7.10.1

7.10.1、洞內(nèi)觀察

洞內(nèi)觀察是不借助于任何量測儀器，而用肉眼憑經(jīng)驗(yàn)判斷圍巖、錨桿、襯砌和隧道安全性的最直觀方法，對于個別現(xiàn)象和特殊情況的發(fā)現(xiàn)尤其重要。其目的是核對地質(zhì)資料，判別圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為施工管理和工序安排提供依據(jù)，并檢驗(yàn)支護(hù)參數(shù)。因此，監(jiān)測人員在用儀器監(jiān)測之前，首先是細(xì)致地觀察隧道內(nèi)地質(zhì)條件的變化情況，裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展情況，滲漏水情況，觀察隧道兩邊及頂部有無松動巖石，錨桿有無松動，噴層有無開裂以及中墻襯砌上有無裂隙出現(xiàn)，尤其是中墻襯砌上的裂縫，如發(fā)現(xiàn)有裂縫則要用裂縫觀察儀密切觀測記錄裂縫的開展情況。隧道內(nèi)觀察這項(xiàng)工作應(yīng)與施工單位的工程技術(shù)人員配合進(jìn)行，并及時(shí)交流信息和資料。此項(xiàng)工作貫穿于隧道施工的全過程，以便為施工提供直觀的信息。

7.10.2、位移監(jiān)測

在隧洞入洞口一定范圍內(nèi)及埋深較淺的隧洞，需監(jiān)測地表沉降和水平位移。拱頂沉降通常采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測，隧洞拱頂一般較高，用通常使用的標(biāo)尺不能測量，可在拱頂用短錨桿設(shè)置掛鉤，懸掛長度略小于隧洞高度的銦鋼絲，下面懸掛標(biāo)尺的方法監(jiān)測。

1、單點(diǎn)位移計(jì)

單點(diǎn)位移計(jì)實(shí)際上是端部固定于鉆孔底部的一根錨桿加上孔口的測讀裝置，位移計(jì)安裝在鉆孔中，錨桿體可用直徑22mm的鋼筋制作，錨固端用楔子與鉆孔壁楔緊，自由端裝有測頭，可自由伸縮，測頭平整光滑。定位器固定于鉆孔孔口的外殼上，測量時(shí)將測環(huán)插入定位器，測環(huán)和定位器上都有刻痕，插入測量時(shí)將兩者的刻痕對準(zhǔn)，測環(huán)上安裝有百分表、千分表或深度測微計(jì)以測取讀數(shù)。測頭、定位器和測環(huán)用不銹鋼制作。單點(diǎn)位移計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，測試精度高，以及鉆孔直徑小。受外界因素影響小，容易保護(hù)，因而可緊跟爆破開挖面安設(shè)，目前應(yīng)用較多。

由單點(diǎn)位稱計(jì)測得的位移量是洞壁與錨桿固定點(diǎn)之間的相對位移，若鉆孔足夠深，則孔底可視為位移很小的不動點(diǎn)，故可視測量值為絕對位移。不動點(diǎn)的深度與圍巖工程地質(zhì)條件、斷面尺寸、開挖方法和支護(hù)時(shí)間等因素有關(guān)。在同一測點(diǎn)處，若設(shè)置不同深度的位移計(jì)，可測得不同深度的巖層相對于洞壁的位移量，據(jù)此可畫出距洞壁不同深度的位移量的變化曲線。單點(diǎn)位移計(jì)通常與多點(diǎn)位移計(jì)配合使用。

2、多點(diǎn)位移計(jì)

多點(diǎn)位移計(jì)按位移監(jiān)測儀器的不同有機(jī)械式和電測式兩類。機(jī)械式位移計(jì)一般采用深度測微計(jì)、千分表或百分表，電測式位移計(jì)采用的位移傳感器常用的有電阻式、電感式、差動式、變壓式和鋼弦式等多種。

1）并聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)?多點(diǎn)位稱計(jì)由錨固器和位移測定器組成，錨固器安裝在鉆孔內(nèi)，起固定測點(diǎn)的作用，位移測定器安裝在鉆孔口部，與錨固器之間用鋼絲桿聯(lián)結(jié)。同一鉆孔中可設(shè)置多個測點(diǎn)，一個測點(diǎn)設(shè)置一個錨固器，各自與孔口的位移測定器相聯(lián)，監(jiān)測值為這些測點(diǎn)相對于洞壁的相對位移量。這種將位移傳感器固定在孔口上，用金屬桿或金屬絲把不同埋深處的錨頭的位移傳給位移傳感器的位移計(jì)，稱作并聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)。

錨固器的結(jié)構(gòu)有多種形式，最簡單的是用注漿錨固的錨固器，錨固頭用長約30cm的φ25的螺紋鋼加工而成，在遠(yuǎn)離孔口的一端鉆一小孔，穿細(xì)鋼絲固定注漿管，錨固頭的另一頭加工成長3cm，外徑為φ20的光滑圓柱狀，中心攻有螺孔，銦鋼絲桿可擰入螺孔，銦鋼絲桿外面用PVC管保護(hù)，內(nèi)徑為φ20PVC管插入光滑圓柱狀頭中，銦鋼絲桿和PVC管均約2m一節(jié)，銦鋼絲桿用螺紋逐節(jié)連接，兩節(jié)PVC管間套一長15cm的套管，用PVC膠水粘結(jié)。待錨固頭下到預(yù)定位置后，用砂漿灌滿鉆孔，待砂漿凝結(jié)后，錨固頭與圍巖一起運(yùn)動，而銦鋼絲桿由PVC管與砂漿和周圍巖體隔離，不隨圍巖一起運(yùn)動，因此，將錨固頭處圍巖的位移直接傳遞到孔口。機(jī)械方法錨固的錨固器有 A 液壓式錨固器，當(dāng)錨固頭下到預(yù)定位置時(shí)，注入液壓將錨固器腳撐開；b卡式錨固器，它是用專門的安裝桿送入預(yù)定位置后，旋轉(zhuǎn)上緊螺栓，借助支撐側(cè)鐵向兩側(cè)擴(kuò)張并壓緊鉆孔孔壁，即可形成錨固。當(dāng)巖層發(fā)生相對位移時(shí)，錨固點(diǎn)的位移通過鋼絲傳遞到滑桿，鋼絲從滑桿中心穿過，用壓緊螺釘和夾線塊將鋼絲與滑桿夾住，壓簧頂緊滑桿使鋼絲撐緊，壓簧簧座固定在外殼的底部，用深度測微計(jì)測出滑桿的滑動距離，便可算得圍巖各測點(diǎn)的相對位移。

2）串聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)是采用電感式位移傳感器的串聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)，它由位移傳感器、錨固頭、連接錨頭和金屬桿及二次儀表組成，位移傳感器的線圈安裝在錨頭的內(nèi)殼中，錨頭用三片互成120°角的彈簧片固定在孔壁上，金屬桿上安裝有鐵芯，作為位移傳感器的一部分，金屬桿的一端固定在孔口或孔底，從而組成電感式多點(diǎn)位移計(jì)。當(dāng)巖體產(chǎn)生位移時(shí)，各測點(diǎn)上鐵芯在線圈中的位移量也是不一樣的，因而引起不同的電感的變化，用與之配套的二次儀表測讀。這種傳感器串聯(lián)在金屬桿上，并固定在孔內(nèi)不同深度的基準(zhǔn)點(diǎn)上，傳感器或其差動構(gòu)件的另一部分與錨頭直接連在一起的多點(diǎn)位移計(jì)，稱為串聯(lián)式多點(diǎn)位移計(jì)。

3）滑動式位移計(jì)?滑動多點(diǎn)位移計(jì)是一臺高精度的位移計(jì)，用于測定的巖土和混凝土中沿某一測線的軸向位移的分布情況。它主要由測頭、測讀儀、操作桿以及套管組成。套管通常為外徑60mm，壁厚5mm的塑料管或鋁合金管，沿套管軸向每隔1m放置一個具有特殊定位功能的錐形測量標(biāo)志，帶有PVC保護(hù)套。測頭用操作桿送入，探頭做成球形，測標(biāo)下部做成圓錐形，在測量位置時(shí)，兩者可形成球面和圓錐面間的精密接觸。兩者都有鍥口，當(dāng)探頭轉(zhuǎn)動到滑動位置時(shí)，探頭能沿著測標(biāo)滑動，從滑動位置把探頭轉(zhuǎn)動45°就轉(zhuǎn)到測量位置，往回拉緊導(dǎo)桿，就能使探頭的兩個測頭在兩個相鄰的測標(biāo)間張緊。當(dāng)張緊力達(dá)到一定值時(shí)，探頭中的線性位移傳感器（LVDT）被觸發(fā)，測得數(shù)據(jù)并通過電纜傳送到數(shù)字式讀數(shù)器，也可以用一臺手提式計(jì)算機(jī)經(jīng)過RS-232接口來記錄數(shù)據(jù)。松開導(dǎo)桿，把探頭轉(zhuǎn)動45°就轉(zhuǎn)到滑動位置，移到下一個測標(biāo)位置繼續(xù)測量。如此可由外向里逐點(diǎn)測試各測點(diǎn)的位移。測頭主體長1m，內(nèi)裝有電感式位移傳感器（LVDT），并裝有遙測溫度計(jì)，以作溫差校正。在上述儀器中，若在該位移計(jì)探頭上部安設(shè)兩個測斜探頭，測斜方向互為正交，就可同時(shí)測定鉆孔的軸向和兩個互為正交的橫向變形，即為三向位移計(jì)，從而可測定沿鉆孔各測點(diǎn)的三向位移分量。

該種位移計(jì)由于不必在鉆孔中埋設(shè)傳感元件，克服了多點(diǎn)位移計(jì)測試費(fèi)用高、測點(diǎn)少、位移計(jì)可靠性不易檢驗(yàn)及測頭易損壞等特點(diǎn)，具有一臺儀器對多個測孔進(jìn)行巡回檢測，而每孔中的測點(diǎn)數(shù)不受限制的優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于大壩、隧道以及巖土工程中位移，也可通過測量樁和隔墻的兩側(cè)的測線的應(yīng)變量確定其曲率，從而估算其彎矩或偏位曲線。

3、收斂位移監(jiān)測

隧洞周邊或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部凈空尺寸的變化，常稱為收斂位移。收斂位移監(jiān)測所需進(jìn)行的工作比較簡單，以收斂位移監(jiān)測值為判斷圍巖穩(wěn)定性的方法比較直觀和明確，所以是隧洞監(jiān)測中的常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目。

1）穿孔鋼卷尺式收斂計(jì)，監(jiān)測的粗讀元件是鋼尺，細(xì)讀元件是百分表或測微計(jì)，鋼尺的固定拉力可由重錘實(shí)現(xiàn)，或用彈簧、測力環(huán)配百分表實(shí)現(xiàn)。由于百分表的量程有限，鋼卷尺每隔數(shù)厘米宜打一小孔，以便根據(jù)收斂量的變化情況調(diào)整粗讀數(shù)。

2）銦綱絲彈簧式收斂計(jì)，收斂位移量由讀數(shù)表讀取，固定拉力由彈簧提供，并由拉力百分表顯示拉緊程度，采用銦鋼絲制作收斂計(jì)，可提高收斂計(jì)的溫度穩(wěn)定性，從而提高監(jiān)測精度。

3）銦鋼絲扭矩平衡式收斂計(jì)，收斂位移是由讀數(shù)表讀取，固定拉力由微型電機(jī)提供，電機(jī)由控制器操縱，達(dá)到一定扭矩后能自動停轉(zhuǎn)。收斂測試的固定端一般采用短錨桿，并應(yīng)設(shè)置保護(hù)裝置。

4）對于跨度小、位移較大的隧洞，可用測桿監(jiān)測收斂量，測桿可由數(shù)節(jié)組成，桿端一般裝設(shè)百分表或游標(biāo)尺，以提高監(jiān)測精度。對于拱頂絕對下沉量，可用精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測。一些跨度和位移均較大的洞室。也可用精密經(jīng)緯儀觀測。

5）洞周收斂位移也可用巴塞特收斂系統(tǒng),它是一種測量隧洞橫斷面輪廓線的儀器,由多組首尾相接內(nèi)設(shè)傾角傳感器的桿件組成,桿件之間用活動鉸連接,隧洞壁上任一點(diǎn)的位移通過桿件的轉(zhuǎn)動使傾角傳感器產(chǎn)生角度變化,已知各桿件的長度和一個桿件一端的坐標(biāo)點(diǎn)及各傾角傳感器的起始傾角,就能以此為起點(diǎn)用以后各時(shí)刻測得的桿件傾角計(jì)算各點(diǎn)的變化值和坐標(biāo)位置。巴塞特收斂系統(tǒng)配備有一個專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可用串行口與計(jì)算機(jī)相連，也可用電話線經(jīng)調(diào)制解調(diào)器與計(jì)算機(jī)相連，采集的數(shù)據(jù)可自動處理。

6）測試設(shè)備應(yīng)根據(jù)預(yù)計(jì)位移量的大小進(jìn)行選擇，位移較小或精度要求較高時(shí)，可采用錮鋼絲收斂計(jì)，其精度為0.01mm，穿孔鋼卷尺式收斂計(jì)的精度也相當(dāng)高，亦可以采用。洞室斷面較大時(shí)，可采用光電測距儀測取讀數(shù)，精度可達(dá)0.2mm。

7.10.3、壓力監(jiān)測

壓力監(jiān)測包括地下洞室內(nèi)部和支襯結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力，以及圍巖和支襯結(jié)構(gòu)間接觸壓力的監(jiān)測。壓力監(jiān)測通常采用應(yīng)力計(jì)或壓力盒。在支襯內(nèi)部及圍巖與支襯接觸面上的壓力盒的埋設(shè)，只需要澆注混凝土前將其就位固定，監(jiān)測圍巖壓力的壓力盒則需專門的鉆孔，將壓力盒放入鉆孔內(nèi)預(yù)定的深度后，用速凝砂漿充填密實(shí)。

7.10.3、液壓枕

液壓枕主要有枕殼、注油三通、紫銅管和壓力表組成，為了安設(shè)時(shí)排凈系統(tǒng)內(nèi)空氣，設(shè)有球式排氣閥。液壓枕需在室內(nèi)組裝，經(jīng)高壓密封性試驗(yàn)合格后才能埋設(shè)使用。

液壓枕在埋設(shè)前用液壓泵往枕殼內(nèi)充油，排盡系統(tǒng)中空氣，埋入測試點(diǎn)，待周圍包裹的砂漿達(dá)到凝固強(qiáng)度后，即可打油施加初始壓力，此后壓力表值經(jīng)24h后的穩(wěn)定讀數(shù)定為該測試液壓枕的初承力，以后將隨地層附加應(yīng)力變化而變化，定期觀察和記錄壓力表上的數(shù)值，就可得到圍巖壓力或混凝土層中應(yīng)力變化的規(guī)律。

在混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土與圍巖的接觸面上埋設(shè)，只需在澆注混凝土前將其定位固定，待澆注好混凝土后即可。在鉆孔內(nèi)埋設(shè)時(shí)，則需先在試驗(yàn)位置垂直于巖面鉆預(yù)計(jì)測試深度的鉆孔，孔徑一般為43~45mm，埋設(shè)前用高壓風(fēng)水將孔內(nèi)巖粉沖洗干凈，然后把液壓枕放入，并用深度標(biāo)尺校正其位置，最后用速凝砂漿充填密實(shí)。一個鉆孔中可以放多個液壓枕，按需要分別布置在孔底中間和孔口。液壓枕常要緊跟工作面埋設(shè)，對外露的壓力表應(yīng)加罩保護(hù)，以防爆破或是其它人為因素?fù)p壞。

液壓枕又稱油枕應(yīng)力計(jì)，可埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，巖體內(nèi)或結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸面處，長期測試結(jié)構(gòu)、圍巖或它們的接觸面的應(yīng)力。

液壓枕測試直觀可靠、結(jié)構(gòu)簡單、防潮防震、不受干擾、穩(wěn)定性好、讀數(shù)方便、成本低、不要電源，能在有瓦斯的隧洞工程中使用等優(yōu)點(diǎn)，故是現(xiàn)場測試常用的手段。

2、錨桿軸力的監(jiān)測

支護(hù)錨桿在巖石隧洞支護(hù)系統(tǒng)中占有重要地位，為監(jiān)測施工錨桿的受力狀態(tài)及大小，需以錨桿的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。其原理通常是利用錨桿受力后，錨桿發(fā)生變形，采用應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)測量錨桿的應(yīng)變，得出與應(yīng)變成比例的電阻或頻率的變化，然后通過標(biāo)定曲線或公式將電測信號換算成錨桿應(yīng)力。監(jiān)測錨桿應(yīng)力用的應(yīng)變計(jì)主要有電阻式、差動電阻式和鋼弦式。

電阻式錨桿應(yīng)變計(jì)由內(nèi)壁按一定間距粘貼有電阻片的鋼管或鋁合金管組成，電阻片粘貼后需做嚴(yán)格的防潮處理。也有直接采用工程錨桿，對粘貼應(yīng)變片的部位經(jīng)過特殊的加工，粘貼應(yīng)變片后經(jīng)防潮處理，并加密封保護(hù)罩制成。這種方法價(jià)格低廉，使用靈活，精度高，但由于防潮要求高，抗干擾能力低，大大限制了它的使用范圍。

差動電阻式和鋼弦式錨桿應(yīng)變計(jì)是將應(yīng)變計(jì)裝入鋼管，或裝入錨桿加粗段的槽孔中，然后與錨桿連接而成，一根錨桿上可連接多節(jié)，其中的鋼弦式應(yīng)變計(jì)由于環(huán)境適用性強(qiáng)，測讀儀器輕巧方便，故可適用于不同地質(zhì)條件和環(huán)境條件的錨桿應(yīng)力觀測。