岩土工程监测技术

1、岩土工程监测技术1超声波/声波声波/超声波应用于岩体探测从20世纪60年代末发展起来。用于确定围岩开挖的损伤程度及形态。相似的测量仪器为震速测量。1.1原理及监测内容声波/超声波工程探测是通过探测声波/超声波在岩体内的传播特征（波速或振幅变化）来研究岩体性质和完整性的一种物探方法。声波在岩体中传播时，如果在其传播路径存在裂缝，声波就会在裂缝处发生绕射，使得传播距离增大，走时增加，波速下降。声波测试具有轻便简洁、快速经济、测量精度高、易于控制。声波探测的实质， 是利用超声波通过介质时， 波速振幅、频率等的变化情况来研究介质的性态，如密度、应力状态、裂隙发育和介质完整性等。理论研究表明， 纵波波速

2、与岩体物理力学参数有如下关系：图1 声波速度随孔深变化关系1.2设备尺寸（场地要求）及使用方法（布置简图）硐室巷道围岩松弛范围的超声波测试（张世雄2005）采用武汉岩土所研制RSM-SY5仪器进行了测量。该仪器指标如下：该系列仪器目前发展到RSM-SY7，如下图：图 2 RSM-SY7和RSM-SY6声波仪输出的电能由发射探头F 转换成超声波发射出去，经水耦合，在孔壁周围岩体内产生的纵波沿钻孔轴向传播，接收探头S1 和S2 依次接收岩体内传来的经水耦合的纵波，然后把接收到的声波转换成电能传输到声波仪，由声波仪进行放大、滤波、整形处理后输入电子计算机。目前在硐室巷道内用超声波检测围岩松动圈范围的

3、方法较成功的有两种：单孔测试法、双孔测试法。单孔测试法就是在待测的硐室巷道断面上确定测试点， 然后在测试点处用凿岩机打孔， 孔的深度可根据现场的情况而定，然后将圆管状声波探头置入钻孔内，孔内注满水以使探头与孔壁岩体有良好的声耦合。逐点测试，直到各个测点测试完毕。双孔测试法就是在待测的硐室巷道断面上打两个平行的钻孔，然后将两只圆管声波探头( 一个为发射探头，另一个为接收探头) 分别置于两个钻孔底部，孔内注满水使探头与孔壁有良好的声耦合。在测试时使两探头同步沿钻孔轴向移动，以保证两个探头始终处在同一深度。图3 单、双孔测量采用单孔法进行测试可减少钻孔工作量， 且测试操作过程简单， 易于把握。而双孔

4、测试法， 两个探头的平行度( 同步) 不容易掌握，造成测试误差大的机率高。图 4现场声波监测示意图操作步骤：1.测试前首先用风或水对钻孔进行清洗, 2.将探头放入测孔中, 并接长水管。3.用气囊堵塞孔口, 在用气筒对气囊充气时用水泵对测孔注水。4.当测孔内的水充满时, 即可测得该点的纵波波速。5.将气囊放气, 移出探头20 cm, 充气、注水, 进行下一点的测试, 直到完成。1.3具体应用实例及效果瑞士Mont Terri，法国Bure地下实验室，shaoTournemireASPO HRL ZEDEX二期Zedex：震速测量：BGR迷你声探（低频）；包括一个源，一个气动锤和两个相距10cm每

5、个均含两个压电接收器。 震速各项异性测量：在交叉钻孔处利用两个大速记录钻孔探测仪器，以此确定震速各向异性。探测仪含：1mhz传感器，传输器及一个接受器。相距10cm1.4注意事项孔内需注水耦合，应设专门钻孔或将该试验放在其他试验之后。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的振动测速仪器。1.5拟定试验方案A 各个钻孔均进行波速测试。B 开挖断面同一钻孔开挖前后多次测试，监测波速变化，了解各部分发展扰动区随时间发展情况，并与其他监测方式对应。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

6、人们研究岩石损伤与断裂的重要手段。微地震是岩石材料变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，它与围岩结构的力学行为有着密切的相关性，因而信号中包含了大量的关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息。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，经过数据处理后，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来，以此推断岩石材料的力学行为，估测岩体结构是否发生破坏。与传统技术相比，微震定位监测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点。这种技术是在近几年来计算机和数据采集技术快速发展的基础上产生的，它为研究覆岩空间破裂形态和采动应力场分布提供了新的手段。2.1原理及监测内容材料

7、在外界应力作用下会引起微裂隙的产生与扩展，在这个过程中伴有弹性波或应力波的传播产生声发射（Acoustic Emission）。对于工程岩体，这种波在地质上也称为微地震（Microseismic），能够在周围岩体中快速释放和传播。微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响效果以及地下硐室围岩稳定状态的地球物理监测技术。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的，确定这些因素是微震监测的主要任务。微地震事件发生在岩体发生破裂变形的断面上。当岩体原有的应力平衡受到生产活动干扰时，岩体中原来存在的或信产生的裂缝周围区域就会出现应力集

8、中，应变能力增高；当外力增加到一定程度时，原有裂缝的缺陷地区或新产生的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，储藏能量的一部分以弹性波的形式释放出来，产生微小地震（即微地震）。 任何岩体在宏观破坏前一般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，可被安装在有效范围内的传感器接收。利用多个传感器接收这种弹性波信息，通过反演方法可以得到岩体微破裂发生的时刻、位置和性质，即地球物理学中所谓的“时空强”三要素。根据微破裂的大小、集中程度、 破裂密度，则有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势。图 5微震监测及仪器机械凿岩法主要受围岩应力重分布的影响，而钻爆法除此之外，还

9、存在开挖爆破的爆炸荷载以及岩体应力瞬态卸荷导致的岩体破坏。剪应力是产生微震事件的主要原因，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的变化状况，因此，震源应力降是预测地压活动的。岩体声波波速是影响定位精度的重要参数，为此，需要进行现场岩体声波速度测试。2.2设备尺寸及使用方法目前国内见报道的使用的仪器有ARAMIS M/E图6 监测方式及传感器材2.3具体应用实例及效果在ZEDEX试验中，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的事件和裂隙位置。声发射探测被应用于MONT terri的ED-B试验中，但由

10、于钻孔条件限制，所获得数据并不理想，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扩展程度并充实应力模型数据，该研究中表明微震时间的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的微裂隙。根据张镜剑和傅冰骏对锦屏 II 级水电站辅助洞的研究可知，岩爆大多发生在顶板及拱肩处，且多发生在距掌子面 612 m 范围内，掌子面开挖后520 h 是岩爆发生的高峰期。3#引水隧洞 21 试验洞试验结果表明，TBM 开挖时掌子面前方 10 m范围已有大量声

11、发射信号，表明围岩已发生微破裂。因此，其微震监测的主要目的是监测 TBM 掘进过程中掌子面前方 30 m 及后方 20 m 范围内围岩的微破裂活动，进而评估岩爆发生的风险。首先是传感器类型的选择，通过大量现场试验，对速度型、加速度型及不同灵敏度、不同频率段的传感器适用性进行分析研究，结果表明，对于振动噪音较多的TBM 施工隧洞的微震监测，选择固有频率为 14 Hz、响应范围为 72 000 Hz、监测范围可达数百米的速度型传感器较好。传感器的耐震、不透水和不锈钢材质能抵挡恶劣的工作环境。采用能提供在孔或板类装置上同时安装单轴和三轴加速度度型传感器。目前传感器在大尺度空间布置中多采用立体空间布置

12、方法，即传感器在一个空间内均匀布置开来。利用此种布置方式，使用单轴传感器亦可实现空间定位测试。对一个测点讲，三向传感器可以同步采集一个位置的X、Y、Z 三个方向的震动数据，但从精度分析，要略低于采用立体空间布置方式的单向传感器。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，对提高微震监测的精度比采用 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个接收），频率为40khz-100khz，用于3维声速测量，阈值为40db。4台电脑控制的4通道示波器。定位精度为100mm2.4注意事项微震监测在巷道开挖监测时

13、间及空间，对施工时间的要求：微震要求监测较大研究范围，研究扰动区近、远场微震发生的时间、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) 台基应选择在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露的基岩上，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，因此在满足经济支出能力的同时，尽可能的增加观测站数目，使观测站围绕震源均匀分布，保证多数站可以获得记录信息，避免定位站数不足，影响精度和可靠性。(3) 观测站布置采用空间立体形式，必须考虑到时方程组的性质，找出监测台站最优几何分布，避免出现“病

14、态”方程，得不到正确的震源位置或使得方程组解发散。(4) 根据矿井生产实际，要使微震监测系统构成一个空间网络，拾振器的布置要确保当前开采区域和其它重点监测区域处于监测网络的中心，传感器尽可能接近待测区域，避免大断层及破碎带的影响，也要远离机械和电气的干扰等。(5) 既要照顾当前开采区域，又要考虑未来一定时期内的开采活动，尽量利用现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围，以减少施工、通风及维修费用。传统微震源定位算法在传感器布置方案确定时多强调要确保微震源位置位于传感器阵列范围之内，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，一般震源多位于传感器阵列范围之外，对此，

15、监测信息(微震事件的监测到时、波速等)与待求解参数(震源三维坐标、发震时间等)组成的方程组的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钻孔电视可直观地了解围岩宏观破裂过程3.1原理及监测内容基于光学技术的钻孔摄像设备能以照相胶片或视频图像的方式直接提供钻孔孔壁的图像。全景技术的实现使同时观测 360°钻孔孔壁成为可能，而数字技术的应用则提供了形成、显示和处理这些图像的能力图7钻孔电视结构全景数字钻孔摄像系统的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组成, 此外还包括绞车及专用电缆等。其中，全景摄像探头内部包含有可

16、获得全景图像(见图2) 的截头锥面反射镜、探测照明光源、定位磁性罗盘及微型CCD摄像机。3.2设备尺寸及使用方法3.3具体应用实例及效果Zedex：利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、及开孔中的水等。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，次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 世纪兴起的物探方法和研制的物探设备对隧道安全、快速施工产生了深远影响，保障了施工的安全性，提高了对地质灾害的预报速度和准度。比较有代表性的物探设备是TSP 图8 地质雷达组成及探测示意图和地质雷达。TSP(tunnel seismi

17、c prediction) 法基于地震波的反射原理，是利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来预报隧道施工前方的地质条件和岩石特性变化的一种方法。地质雷达( ground penetrating radar，GPR) 法是一种利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行超前地质预报的方法。在隧道中，TSP203预报有效长度200300m，SIR3000地质雷达预报准确距离为1525m。虽然地质雷达的预报距离相对较短，但是地质雷达依然是当今隧道地质灾害探测中分辨率最高的物探设备，而且探测距离已经满足隧道掘进中地质探测要求。地质雷达是目前国内外普遍推崇的一种比较先进的物探设备，它是基于所

18、探介质的电性差异对所探物体内部不可见目标体或不同介质分界面进行精确判别并定位的电磁技术。地质雷达组成及探测示意图如图8所示，主要由发射电路、发射天线、控制面板、接收天线、接收电路、笔记本电脑及光缆组成。雷达发射、接收仪器紧贴所探物体表面(接触面)，沿预测量路线(测线)逐步移动；发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式尽可能无损的定向耦合到所探物体，经存在电性差异的目标体或不同介质的界面反射后由接收天线接收。由于在介质中传播的电磁波的路径、电磁场强度等随所经介质的电性、几何形态及尺寸的不同而变化，因此反射回波的幅度、形状及其在纵、横向的展布特征也随之变化，笔记本电脑将这些不断变化的波形信号数字化后以

19、图像的形式记录存储，进而通过研究电磁波的传播特性对图像进行解释便可判别目标体形状及其物理特征。由于松动圈是以围岩产生宏观裂隙形成的物性交接面为主要分界面，在该界面内岩体呈破裂松弛状，裂隙中充满空气或水等杂质，界面外的岩体呈完整均一状。无论围岩裂隙内填充物是空气还是水，其与岩体的相对介电常数相差都较大，雷达发射的电磁波经过松动圈与非破坏区的分界面(即完整岩体与空气或水的分界面)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，于是从收集处理的雷达探测剖面图上即可确定围岩松动范围，得到松动圈厚度值，因此地质雷达探测围岩松动圈的厚度在理论上是科学可行的。4.1原理及监测内容探地雷达探测是

20、利用岩体不同的波阻抗差异形成的分界面对电磁波反射的原理，对探测目标成像。该方法能清楚地探测在探测前方一定范围内的空洞和周围岩性的变化。近年来发展了更快速和高频率的天线。具有测量快速和测线连续的特点，尤其适用于结晶体岩体。地质雷达技术根据接收天线收到的回波信号的振幅、波形和频率等运动学特征来分析和推断介质结构和物性特征。依据巷道围岩松动圈的形成机理，松动圈实质上就是围岩中的破碎带，松动圈边界是破碎带同完整的弹塑性变形区的分界线，该界面两侧的物性差异显然很大，满足使用地质雷达探测确定松圈边界位置的基本物理条件，观测雷达电磁波在松动圈范围内外，雷达电磁波扫描图有明显的变化处为有差异性的分界面。在回采

21、巷道围岩测试中，使用100 MHz 天线进行探测，探测深度。通用的地质雷达测量方法为剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动，得到该测线的地质雷达时间 平距剖面图像，通过进一步数据处理，可得到深度平距正演图像，进而利用地质、钻探资料或其他方法所获结果并结合对图像的频率、振幅、同相轴形状分析对图像进行解释，最终得到地质雷达探测波形图4.2设备尺寸及使用方法SIR3000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工业标准 CF闪存条（自供）*

22、处理器： 32-Bit IntelStrogArmTMRISC 处理器206MHz*显示器：强光 8.4英寸 TFT，800X600分辨率，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；在 512样点时为 150线/秒*样点字节：8bit或 16bit (自选)*扫描样点数：256，512，1024，2048，4096，8192*操作模式：连续测量，测量轮，点测*测量范围：0- 8000ns（自选）*动态范围：120d

23、B*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：-10 oC -40oC*交电：15VDC, 4amps*电池：10.8VDC，内置式*发射率：至192khz 机体：*尺寸：31.5（长）X 22（宽）X 10.5（高）cm*重量：4.1公斤（包括电池）*环境：防潮、防尘4.3具体应用实例及效果锦屏二级水电站引水隧洞大型原位试验研究（张春生2014）利用地质雷达首先对隧洞边壁进行了扫描工作，用于判断前方30-35m内的地质弱面，确定主要结构面及延展情况，但不能判断具体倾角。芬兰Onkalo设施和韩国KAERI地

24、下研究巷道中被尝试用于确定EDZ范围和贯通程度。但由于在粘土岩中信号高阻尼系数，探地雷达并不适用于粘土岩。采用LTD2100 地质雷达对云南富邦偏压隧道进行实测此次探测采用中国电波传播研究所最新研制的LTD2100 型便携式地质雷达，LTD2100 地质雷达以数字化步进控制电路为基础，全数字化程控时钟控制，最小时间间隔10 ps，最大扫描速率128 Hz。与普通地质雷达不同的是，LTD2100 地质雷达配备11 种不同型号天线，可满足多种探测目的需求。由于此次松动圈厚度的测量要求雷达探测范围相对较远，故选用中心频率为100 MHz 的平板式天线，最大探测范围20 mm，符合围岩松动圈探测要求。

25、1.    系统增益：160dB；2.    发射脉冲重复频率可达到128kHz；3.    时间窗：25000ns，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：8128扫描/秒，可选；7.    波形叠加次数：14096次，可

26、选；8.    水平距离标记：手动或测量轮自动标记；9.    连续工作时间：不小于8h。10.   尺寸： 300*210*60mm11.   重量：4kg12.   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采用的钻孔雷达：用以探测裂隙：RAMAC系统，天线：45-50m

27、hz；接收信号：600mhz，512个采样点，发射和接收器距离为7mZedex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；分辨率为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的电磁波遇到含水介质时，受水的作用比较明显，雷达波能量损耗较大，电磁波在发射与接收的过程中干扰较大，因此在这两个测试断面测试结果有一定的误差。鉴于此，对于含水部位松动圈探测应该采取声波法进行测试，因为声波法探测时需要注水进行耦合，测试部位含水更好的起到了耦合作用。5多点

28、位移计为传统的岩土力学测量方法，侧重于开挖时产生的位移和应力，监测EDZ随时间推移而发生的变化从图中可以看出：收敛计和钻孔多点位移计的测量内容和方法虽不相同, 即收敛计是测量洞径或表层两点间的相对位移, 钻孔多点位移计是测量钻孔深部各测点相对孔口的位移。但是, 两者的测量原理相同, 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时刻的相对距离, 然后, 通过计算求出两测点或测点与基准点间在不同时间间隔内的相对位移。 5.1原理及监测内容5.2设备尺寸及使用方法大量的工程实际经验表明,隧道在掌子面开挖的短时间内围岩内部便发生了大部分的弹塑性变形,如果在隧道开挖后再沿掌子面

29、埋设多点位移计来监测其围岩内变形,难以收到预期的效果。但是如果采用预埋式多点位移计,即在开挖抵达欲测断面前就埋设好多点位移计,不但可以确定松动圈形成过程与掌子面进尺变化的关系,而且还可以监测到开挖前后围岩内不同深度处的位移变形量随时间的变化情况。在隧道开挖过程中,根据多点位移计各测点的监测位移不但可以推测出测点位移随掌子面推移的变化情况,而且更重要的是,多点位移计径向各点累积变形随时间增长的变化幅度不一致,即围岩内部不同的深度受开挖的影响不同,变形情况不一样,因此可以把围岩内部的变形分成几个不同的区域,并根据多点位移计各埋设点的径向距离来确定松动圈的范围。其工作流程如图1。  BFD

30、WJ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,广泛适用于混凝土大坝内部、隧洞及岩石开挖、矿井、建筑物基础及桥墩等变形监测，以及土石坝、边坡的稳定监测等。 主要技术参数： 测量范围（mm）：25     50     100    分辨率% F S：0.05 测温范围（）：-2560 测温精度（）：±0.1          测点数：2

31、6 钻孔直径（mm）：100 扩孔直径（mm）：130 BOF-EX 钻孔多点位移计是加拿大Roctest公司生产的一款多点位移计。孔径（标准）： 76mm测量模块数： 110个锚块间最小距离，标准25mm量程传感器：30cm量程* ： 5到100m精度* ： ±0.1% F.S.分辨率* ： ±0.01% F.S.操作温度* ： 40 to +80°C5.3具体应用实例及效果Kurt：失败：两个倾钻孔设置位移计，被爆破震动破坏，钻孔长度10m，注意采用防爆仪器。Zedex：确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

32、点位移计有7个锚固点，量程为+10mm，精度为0.2mm5.4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的震动能量。监测开完面前后震动不同特点（振幅、大小、评价能量）6.2设备尺寸及使用方法6.3具体应用实例及效果ZEDEX:钻孔内四个三轴传感器，每个间隔3m，根据不同的敏感度设置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注意事项注意在钻爆法开挖可能出现震速及加速度超过量程，设计前先进行数值模拟合理选用仪器。7围岩接触压力计围岩压力：将围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力。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设备尺寸及使用方法常用监测仪器有：振铉式孔内岩石应力计、空心包体围岩应力计。7.3具体应用实例及效果7.4注意事项8针对地质特征其他方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特征识别研究中。SKB完成的TASS巷道损伤监测项目。树脂填充套孔法运用于Mont Terri，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，注射掺有荧光剂的环氧树脂渗