岩土工程监测技术样本Word格式文档下载.docx
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瑞士MontTerri，
法国Bure地下实验室，shao
Tournemire
ASPOHRLZEDEX二期
Zedex：
震速测量：
BGR迷你声探（低频）；
涉及一种源，一种气动锤和两个相距10cm每个均含两个压电接受器。
震速各项异性测量：
在交叉钻孔处运用两个大速记录钻孔探测仪器，以此拟定震速各向异性。
探测仪含：
1mhz传感器，传播器及一种接受器。
相距10cm
1.4注意事项
孔内需注水耦合，应设专门钻孔或将该实验放在其她实验之后。
由于超声波测速需要加水耦合，可考虑采用带有产生振动设备振动测速仪器。
1.5拟定实验方案
A各个钻孔均进行波速测试。
B开挖断面同一钻孔开挖先后多次测试，监测波速变化，理解各某些发展扰动区随时间发展状况，并与其她监测方式相应。
2微震/声发射
20世纪50年代Kaiser效应被发现以来，声发射/微震广泛应用于无损检测、油气勘探、地热开发、核废料处置。
声发射技术已经成为人们研究岩石损伤与断裂重要手段。
微地震是岩石材料变形、裂纹开裂及扩展过程伴生现象，它与围岩构造力学行为有着密切有关性，因而信号中包括了大量关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程有用信息。
通过在采动区顶板和底板内布置多组检波器并实时采集微震数据，通过数据解决后，采用震动定位原理，可拟定破裂发生位置，并在三维空间上显示出来，以此推断岩石材料力学行为，估测岩体构造与否发生破坏。
与老式技术相比，微震定位监测具备远距离、动态、三维、实时监测特点。
这种技术是在近几年来计算机和数据采集技术迅速发展基本上产生，它为研究覆岩空间破裂形态和采动应力场分布提供了新手段。
2.1原理及监测内容
材料在外界应力作用下会引起微裂隙产生与扩展，在这个过程中伴有弹性波或应力波传播产生声发射（AcousticEmission）。
对于工程岩体，这种波在地质上也称为微地震（Microseismic），可以在周边岩体中迅速释放和传播。
微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生微小地震事件来监测生产活动影响效果以及地下硐室围岩稳定状态地球物理监测技术。
与地震勘探相反，在微地震监测中，震源位置、发震时刻和震源强度都是未知，拟定这些因素是微震监测重要任务。
微地震事件发生在岩体发生破裂变形断面上。
当岩体原有应力平衡受到生产活动干扰时，岩体中本来存在或信产生裂缝周边区域就会浮现应力集中，应变能力增高；
当外力增长到一定限度时，原有裂缝缺陷地区或新产生裂缝区域就会发生微观屈服或破裂变形，裂缝扩展，从而使应力松弛，储藏能量一某些以弹性波形式释放出来，产生微小地震（即微地震）。
任何岩体在宏观破坏前普通都会产生许多细小微破裂。
这些微破裂以弹性能释放形式产生弹性波，可被安装在有效范畴内传感器接受。
运用各种传感器接受这种弹性波信息，通过反演办法可以得到岩体微破裂发生时刻、位置和性质，即地球物理学中所谓“时空强”三要素。
依照微破裂大小、集中限度、破裂密度，则有也许推断岩石宏观破裂发展趋势。
图5微震监测及仪器
机械凿岩法重要受围岩应力重分布影响，而钻爆法除此之外，还存在开挖爆破爆炸荷载以及岩体应力瞬态卸荷导致岩体破坏。
剪应力是产生微震事件重要因素，微震发生时，岩体破裂面剪应力产生变化，其变化值称为震源应力降，震源应力降大小反映了岩体破裂面剪应力变化状况，因而，震源应力降是预测地压活动。
岩体声波波速是影响定位精度重要参数，为此，需要进行现场岩体声波速度测试。
2.2设备尺寸及用法
当前国内见报道使用仪器有ARAMISM/E
图6监测方式及传感器材
2.3详细应用实例及效果
在ZEDEX实验中，ACEL和SKB运用微震系统和声发射探测较为成功地测量了开挖过程中裂纹产生事件和裂隙位置。
声发射探测被应用于MONTterriED-B实验中，但由于钻孔条件限制，所获得数据并不抱负，只探测到100个声发射事件。
Pettitt在瑞典ASPO研究开挖损伤区声发射和微震活动规律，揭示了开挖应力重分布诱导开挖损伤区形成机制。
加拿大地下实验室TSX项目中采用微震、声发射系统研究了EDZ扩展限度并充实应力模型数据，该研究中表白微震时间频率显示了可以通过对围岩施加一定约束来控制巷道顶部微裂隙。
依照张镜剑和傅冰骏对锦屏II级水电站辅助洞研究可知，岩爆大多发生在顶板及拱肩处，且多发生在距掌子面6～12m范畴内，掌子面开挖后5～20h是岩爆发生高峰期。
3#引水隧洞2–1实验洞实验成果表白，TBM开挖时掌子面前方10m范畴已有大量声发射信号，表白围岩已发生微破裂。
因而，其微震监测重要目是监测TBM掘进过程中掌子面前方30m及后方20m范畴内围岩微破裂活动，进而评估岩爆发生风险。
一方面是传感器类型选取，通过大量现场实验，对速度型、加速度型及不同敏捷度、不同频率段传感器合用性进行分析研究，成果表白，对于振动噪音较多TBM施工隧洞微震监测，选取固有频率为14Hz、响应范畴为7～2000Hz、监测范畴可达数百米速度型传感器较好。
传感器耐震、不透水和不锈钢材质能抵挡恶劣工作环境。
采用能提供在孔或板类装置上同步安装单轴和三轴加速度度型传感器。
当前传感器在大尺度空间布置中多采用立体空间布置办法，即传感器在一种空间内均匀布置开来。
运用此种布置方式，使用单轴传感器亦可实现空间定位测试。
对一种测点讲，三向传感器可以同步采集一种位置X、Y、Z三个方向震动数据，但从精度分析，要略低于采用立体空间布置方式单向传感器。
对于6通道采集仪而言，采用6个单向传感器分2个监测断面进行布置，对提高微震监测精度比采用2个三向传感器更为合理。
Zedex声发射监测方案：
四个钻孔探空仪，每个钻孔内5个超声换能器（1个发送，4个接受），频率为40khz-100khz，用于3维声速测量，阈值为40db。
4台电脑控制4通道示波器。
定位精度为100mm
2.4注意事项
微震监测在巷道开挖监测时间及空间，对施工时间规定：
微震规定监测较大研究范畴，研究扰动区近、远场微震发生时间、位置及大小。
施工对监测效果影响较大，对某循环一进尺爆破后需停工半天监测。
微震台网最佳布设方案“最佳D值”
（1）台基应选取在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露基岩上，岩性要致密坚硬，如不能满足以上条件，则需要安装地点构筑水泥平台。
（2）台站间距越小，定位精度越高，因而在满足经济支出能力同步，尽量增长观测站数目，使观测站环绕震源均匀分布，保证多数站可以获得记录信息，避免定位站数局限性，影响精度和可靠性。
（3）观测站布置采用空间立体形式，必要考虑届时方程组性质，找出监测台站最优几何分布，避免浮现“病态”方程，得不到对的震源位置或使得方程组解发散。
（4）依照矿井生产实际，要使微震监测系统构成一种空间网络，拾振器布置要保证当前开采区域和其他重点监测区域处在监测网络中心，传感器尽量接近待测区域，避免大断层及破碎带影响，也要远离机械和电气干扰等。
（5）既要照顾当前开采区域，又要考虑将来一定期期内开采活动，尽量运用既有巷道或硐室和矿井风流通风，测站硐室要避开开采活动影响范畴，以减少施工、通风及维修费用。
老式微震源定位算法在传感器布置方案拟定期多强调要保证微震源位置位于传感器阵列范畴之内，但对于引水隧洞等隧洞工程，震源发生位置多在掌子面附近，普通震源多位于传感器阵列范畴之外，对此，监测信息（微震事件监测届时、波速等）与待求解参数（震源三维坐标、发震时间等）构成方程组系数矩阵易形成畸形阵，将会产生微震源定位算法收敛速度慢（有时甚至发散）、微震源定位精度低等问题。
3钻孔电视
可直观地理解围岩宏观破裂过程
3.1原理及监测内容
基于光学技术钻孔摄像设备能以照相胶片或视频图像方式直接提供钻孔孔壁图像。
全景技术实现使同步观测360°
钻孔孔壁成为也许，而数字技术应用则提供了形成、显示和解决这些图像能力
图7钻孔电视构造
全景数字钻孔摄像系统硬件系统是由全景摄像头、深度测量轮、钻孔摄像主机和计算机构成，此外还涉及绞车及专用电缆等。
其中，全景摄像探头内部包具有可获得全景图像（见图2）截头锥面反射镜、探测照明光源、定位磁性罗盘及微型CCD摄像机。
3.2设备尺寸及用法
3.3详细应用实例及效果
运用前置彩色摄像机及随后扫描相机（BIPS）提供自然裂隙，充填物、及开孔中水等。
诱发裂隙不易被记录。
3.4注意事项
每个钻孔均进行钻孔电视测量，顺序放在声波测试之前。
4地质雷达（钻孔雷达）
分为地质雷达和钻孔雷达。
20世纪兴起物探办法和研制物探设备对隧道安全、迅速施工产生了深远影响，保障了施工安全性，提高了对地质灾害预报速度和准度。
比较有代表性物探设备是TSP
图8地质雷达构成及探测示意图
和地质雷达。
TSP（tunnelseismicprediction）法基于地震波反射原理，是运用地震波在不均匀地质构造中产生反射波特性来预报隧道施工前方地质条件和岩石特性变化一种办法。
地质雷达（groundpenetratingradar，GPR）法是一种运用电磁波在不同介质中产生透射、反射特性来进行超前地质预报办法。
在隧道中，TSP203预报有效长度200～300m，SIR3000地质雷达预报精确距离为15～25m。
虽然地质雷达预报距离相对较短，但是地质雷达依然是当今隧道地质灾害探测中辨别率最高物探设备，并且探测距离已经满足隧道掘进中地质探测规定。
地质雷达是当前国内外普遍推崇一种比较先进物探设备，它是基于所探介质电性差别对所探物体内部不可见目的体或不同介质分界面进行精准鉴别并定位电磁技术。
地质雷达构成及探测示意图如图8所示，重要由发射电路、发射天线、控制面板、接受天线、接受电路、笔记本电脑及光缆构成。
雷达发射、接受仪器紧贴所探物体表面（接触面），沿预测量路线（测线）逐渐移动；
发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式尽量无损定向耦合到所探物体，经存在电性差别目的体或不同介质界面反射后由接受天线接受。
由于在介质中传播电磁波途径、电磁场强度等随所经介质电性、几何形态及尺寸不同而变化，因而反射回波幅度、形状及其在纵、横向展布特性也随之变化，笔记本电脑将这些不断变化波形信号数字化后以图像形式记录存储，进而通过研究电磁波传播特性对图像进行解释便可鉴别目的体形状及其物理特性。
由于松动圈是以围岩产生宏观裂隙形成物性交接面为重要分界面，在该界面内岩体呈破裂松弛状，裂隙中布满空气或水等杂质，界面外岩体呈完整均一状。
无论围岩裂隙内填充物是空气还是水，其与岩体相对介电常数相差都较大，雷达发射电磁波通过松动圈与非破坏区别界面（即完整岩体与空气或水分界面）时必然发生强烈反射，且在其中呈杂乱无章状态传播，无明显同相轴，于是从收集解决雷达探测剖面图上即可拟定围岩松动范畴，得到松动圈厚度值，因而地质雷达探测围岩松动圈厚度在理论上是科学可行。
4.1原理及监测内容
探地雷达探测是运用岩体不同波阻抗差别形成分界面对电磁波反射原理，对探测目的成像。
该办法能清晰地探测在探测前方一定范畴内空洞和周边岩性变化。
近年来发展了更迅速和高频率天线。
具备测量迅速和测线持续特点，特别合用于结晶体岩体。
地质雷达技术依照接受天线收到回波信号振幅、波形和频率等运动学特性来分析和推断介质构造和物性特性。
根据巷道围岩松动圈形成机理，松动圈实质上就是围岩中破碎带，松动圈边界是破碎带同完整弹塑性变形区别界线，该界面两侧物性差别显然很大，满足使用地质雷达探测拟定松圈边界位置基本物理条件，观测雷达电磁波在松动圈范畴内外，雷达电磁波扫描图有明显变化处为有差别性分界面。
在回采巷道围岩测试中，使用100MHz天线进行探测，探测深度。
通用地质雷达测量办法为剖面法，即发射天线和接受天线以固定间距沿测线同步移动，得到该测线地质雷达时间－平距剖面图像，通过进一步数据解决，可得到深度－平距正演图像，进而运用地质、钻探资料或其她办法所获成果并结合对图像频率、振幅、同相轴形状分析对图像进行解释，最后得到地质雷达探测波形图
4.2设备尺寸及用法
SIR–3000系统技术指标
主机：
* 传感器：
适配所有
GSSI和
Radarteam探头
* 道数：
单通道
存储器：
* 内存：
256Mb闪存卡
* 微型闪存口：
可插接至
1GB工业原则
CF闪存条（自供）
* 解决器：
32-BitIntelStrogArmTMRISC
解决器@206MHz
* 显示屏：
强光
8.4英寸
TFT，800X600辨别率，64K彩显
* 显示模式：
线扫描，示波器式
数据采集：
* 数据格式：
RADAN（dzt）
* 扫描率（举例）：
在
256样点时为
300线/秒；
512样点时为
150线/秒
* 样点字节：
8—bit或
16—bit（自选）
* 扫描样点数：
256，512，1024，2048，4096，8192
* 操作模式：
持续测量，测量轮，点测
* 测量范畴：
0-8000ns（自选）
* 动态范畴：
120dB
* 增益：
手动或自动，1-5节点（-20+800dB可调）
* 滤波器：
垂直滤波器-有限，无限低通和高通可调
操作：
* 工作温度：
-10oC-40oC
* 交电：
15VDC，4amps
* 电池：
10.8VDC，内置式
* 发射率：
至192khz
机体：
* 尺寸：
31.5（长）X22（宽）X10.5（高）cm
* 重量：
4.1公斤（涉及电池）
* 环境：
防潮、防尘
4.3详细应用实例及效果
《锦屏二级水电站引水隧洞大型原位实验研究》（张春生）运用地质雷达一方面对隧洞边壁进行了扫描工作，用于判断前方30-35m内地质弱面，拟定重要构造面及延展状况，但不能判断详细倾角。
芬兰Onkalo设施和韩国KAERI地下研究巷道中被尝试用于拟定EDZ范畴和贯通限度。
但由于在粘土岩中信号高阻尼系数，探地雷达并不合用于粘土岩。
采用LTD–2100地质雷达对云南富邦偏压隧道进行实测本次探测采用中华人民共和国电波传播研究所最新研制LTD–2100型便携式地质雷达，LTD–2100地质雷达以数字化步进控制电路为基本，全数字化程控时钟控制，最小时间间隔10ps，最大扫描速率128Hz。
与普通地质雷达不同是，LTD–2100地质雷达配备11种不同型号天线，可满足各种探测目需求。
由于本次松动圈厚度测量规定雷达探测范畴相对较远，故选用中心频率为100MHz平板式天线，最大探测范畴20mm，符合围岩松动圈探测规定。
1.
系统增益：
160dB；
2.
发射脉冲重复频率可达到128kHz；
3.
时间窗：
2～5000ns，可选；
4.
A/D：
16位；
5.
采样率：
128、256、512、1024或2048样点/扫描，可选；
6.
扫描速率：
8～128扫描/秒，可选；
7.
波形叠加次数：
1～4096次，可选；
8.
水平距离标记：
手动或测量轮自动标记；
9.
持续工作时间：
不不大于8h。
10.
尺寸：
300*210*60mm
11.
重量：
4kg
12.
功耗：
20W
电源：
12V直流
KURT采用钻孔雷达：
位于平行开挖巷道长钻孔，距离断面5.5m，每次移动10m，天线中心频率100mhz，毎爆破循环测量1到3次。
ZEDEX采用钻孔雷达：
用以探测裂隙：
RAMAC系统，天线：
45-50mhz；
接受信号：
600mhz，512个采样点，发射和接受器距离为7m
Zedex巷道雷达：
测量边墙、顶底板探测含水裂隙，GPR系统，两种天线：
0.4m偶极子天线中心频率350mhz，1.2m偶极子天线中心频率120mhz；
测点间距为0.1m；
辨别率为0.5m。
4.4注意事项
这两个测试断面处可见上述部位有水流出，地质雷达在检测时发出电磁波遇到含水介质时，受水作用比较明显，雷达波能量损耗较大，电磁波在发射与接受过程中干扰较大，因而在这两个测试断面测试成果有一定误差。
鉴于此，对于含水部位松动圈探测应当采用声波法进行测试，由于声波法探测时需要注水进行耦合，测试部位含水更好起到了耦合伙用。
5多点位移计
为老式岩土力学测量办法，侧重于开挖时产生位移和应力，监测EDZ随时间推移而发生变化
从图中可以看出：
收敛计和钻孔多点位移计测量内容和办法虽不相似，即收敛计是测量洞径或表层两点间相对位移，钻孔多点位移计是测量钻孔深部各测点相对孔口位移。
但是，
两者测量原理相似，也就是说，两者都是在恒定拉力下，测量测点与测点或测点与基准点在不同步刻相对距离，然后，通过计算求出两测点或测点与基准点间在不同步间间隔内相对位移。
5.1原理及监测内容
5.2设备尺寸及用法
大量工程实际经验表白,隧道在掌子面开挖短时间内围岩内部便发生了大某些弹塑性变形,如果在隧道开挖后再沿掌子面埋设多点位移计来监测其围岩内变形,难以收到预期效果。
但是如果采用预埋式多点位移计,即在开挖到达欲测断面前就埋设好多点位移计,不但可以拟定松动圈形成过程与掌子面进尺变化关系,并且还可以监测到开挖先后围岩内不同深度处位移变形量随时间变化状况。
在隧道开挖过程中,依照多点位移计各测点监测位移不但可以推测出测点位移随掌子面推移变化状况,并且更重要是,多点位移计径向各点累积变形随时间增长变化幅度不一致,即围岩内部不同深度受开挖影响不同,变形状况不同样,因而可以把围岩内部变形提成几种不同区域,并依照多点位移计各埋设点径向距离来拟定松动圈范畴。
其工作流程如图1。
BFDWJ型振弦式多点位移计,采用一组振弦式位移传感器作为量测头,广泛合用于混凝土大坝内部、隧洞及岩石开挖、矿井、建筑物基本及桥墩等变形监测，以及土石坝、边坡稳定监测等。
重要技术参数：
测量范畴（mm）：
25
50
100
辨别率%FS：
≤0.05
测温范畴（℃）：
-25～60
测温精度（℃）：
±
0.1
测点数：
2～6
钻孔直径（mm）：
Φ100
扩孔直径（mm）：
Φ130
BOF-EX钻孔多点位移计是加拿大Roctest公司生产一款多点位移计。
孔径（原则）：
76mm
测量模块数：
1～10个
锚块间最小距离，原则25mm量程传感器：
30cm
量程*：
5到100m
精度*：
±
0.1%F.S.
辨别率*：
0.01%F.S.
操作温度*：
–40to+80°
C
5.3详细应用实例及效果
Kurt：
失败：
两个倾钻孔设立位移计，被爆破震动破坏，钻孔长度10m，注意采用防爆仪器。
拟定巷道周边环向位移。
TBM为开挖后布置；
钻爆法为开挖前布置。
，每个多点位移计有7个锚固点，量程为+—10mm，精度为0.2mm
5.4注意事项
某些多点位移计钻孔需要灌浆及封堵。
6速度、加速度传感器
6.1原理及监测内容
用以监测开挖过程中放射到围岩总震动
能量。
监测开完面先后震动不同特点（振幅、大小、评价能量）
6.2设备尺寸及用法
6.3详细应用实例及效果
ZEDEX:
钻孔内四个三轴传感器，每个间隔3m，依照不同敏感度设立速度或加速度传感器。
震动加速度/速度测量评价开挖过程能量释放。
6.4注意事项
注旨在钻爆法开挖也许浮现震速及加速度超过量程，设计前先进行数值模仿合理选用仪器。
7围岩接触压力计
围岩压力：
将围岩二次应力状态所有作用称为围岩压力。
按成因分为：
形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力。
7.1原理及监测内容
7.2设备尺寸及用法
惯用监测仪器有：
振铉式孔内岩石应力计、空心包体围岩应力计。
7.3详细应用实例及效果
7.4注意事项
8针对地质特性其她办法
裸露岩层裂隙绘制和计数对描述开挖损伤非常有效且成本较低，在新开挖侧壁进行记录：
裂隙频率、产状等。
并钻取岩心进行比较，绘制人工裂隙地质图。
切片染色测绘被用到EDZ特性辨认研究中。
SKB完毕TASS巷道损伤监测项目。
树脂填充套孔法运用于MontTerri，测量开挖区损伤裂纹。
在已开挖段墙壁上先钻小直径注射孔，注射掺有荧光剂环氧树脂渗入到裂隙中，然后对实验岩体进行套孔，通过度析套孔裂隙网络分布就可以清晰地辨识EDZ张开裂隙、评估原位空隙并能提供裂隙贯通度信息。
该办法提供了开挖硐室周边裂隙轨迹频率和方向基本数据信息和裂隙几何尺寸，是一种采样萃取开挖损伤区裂纹有效途径。
对于小尺寸裂隙，可采用能生成高辨别率图像扫描电镜（SEM）进行分析，FEBEX进行了实验。
岩心编录：
提供岩性及裂隙数据，运用Q/RMR等进行岩石分级。
编录作为解译EDZ特性背景信息。
巷道地质编录：
记录自然、诱导裂隙及岩性等。
记录0.5m以上裂隙。
温度测量：
zedex加入温度测量，温度升高，颗粒膨胀，引起应力扰动。
在其实验中，TBM引起5OC升高，为检测到钻爆法引起温度升高。
tbm开挖引起温度50C升高，钻爆法没有明显温度变化
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