什么是隧道及地下工程测试技术?

什么是隧道及地下工程测试技术?

[拼音]：suidao ji dixia gongcheng ceshi jishu

[外文]：field measurement and laboratory test on tunnel and underground works

用量测元件和仪表研究地下结构和围岩相互作用的手段。它包括计划、方法、量测仪表设备、数据处理和成果分析等方面的工作。其任务是对某一具体工程进行观测和试验，将量测数据进行分析，以评价围岩的稳定性和地下结构的工作性能，为设计和施工提供资料；并在验证和发展隧道及地下工程的设计理论，以及新的施工技术方面提供可靠的科学依据。测试包括现场量测和模型试验两个方面。

现场量测

在工点实测围岩性状和动态，以及支护系统的工作特性。围岩的各种地质因素是复杂的，只有在坑道开挖过程中通过观测和量测才能较真实地了解。

现场量测的作用

有下列四点：

（1）及时掌握围岩变化的动向和支护系统的受力情况，为验证和修改设计提供信息；

（2）根据量测资料，修正施工方案，指导施工作业。例如新奥法就是在施工中进行系统的量测，并将量测结果反馈到设计和施工中，逐步修改初步设计，以适应围岩条件；

（3）预计工程事故和安全报警；

（4）在地下结构物运用期间进行长期观测，收集和积累围岩与支护系统长期共同工作的有关资料，并检验建筑物的可靠性。

现场量测内容

主要包括：

（1）岩土力学性能的现场试验。指在现场进行直剪试验、变形试验和三轴强度试验，以测定岩土的粘结力、内摩擦角、变形系数、d性抗力系数（见土工试验和现场原型观测、岩体力学试验和测试）。

（2）隧道施工期间洞内状态观测。随着开挖工作面的推进及时测绘岩性、岩质、地质构造、水文地质情况的变化，观测支护系统变形和破坏情况。

（3）隧道(洞室）断面变形量测。是量测洞壁的绝对位移和相对位移。如量测拱顶、拱脚、墙底的下沉量和底板隆起量，最大水平跨度的变化和洞壁其他两测点的间距变化──收敛量测。根据位移量、位移速度及洞壁变形形态，评价围岩的稳定性，初期支护设计、施工的合理性，确定二次衬砌结构断面尺寸和修筑时间。断面变形量测可采用精密经纬仪或水准仪、收敛计等进行。

（4）围岩应变和位移量测。用量测锚杆和位移计进行。沿量测锚杆附上应变计，在围岩不同深度设置应变测点，量出锚杆各测点的应变并推算锚杆的轴力，亦可量出围岩不同深度的相应应变。若同时在坑道周边围岩埋设多点位移计，可测出洞壁与围岩测点之间和围岩各测点相互间的相对位移。从围岩应变和位移量测，可估计隧道周边的围岩松动范围，并校核锚杆的设计参数。

（5）支护系统和衬砌结构受力情况量测。通过埋设应变计或压力传感器，了解支护系统和衬砌结构的内部应力，以及围岩和支护系统或衬砌界面之间接触应力的大小和分布。此外，还可在隧道施工前或施工初期进行锚杆抗拔试验，以确定锚杆的合理长度和锚固方式。

（6）地表沉陷量测。是浅埋隧道必不可少的项目。地表沉陷量与覆盖土石的厚度、工程地质条件、地下水位，以及周围建筑物等有关。它的测点布置宜和隧道断面变形量测在同一个试验段，一般都应超前于开挖工作面布置测点进行量测。

（7）地层d性波速度测定。量测d性波在岩土中的传播速度。在d性体上施加一个瞬间的力，其内则产生动应力和动应变，使施力点（震源）周围的质点产生位移，并以波的形式向外传播，形成了d性波。其传播速度与介质密度、d性常数有关。d性波可分为纵波（p波）和横波（s波）。它们的传播速度公式为

式中 vp为纵波波速；vs为横波波速；Ed为动d性模量；μd为动泊松比；ρ为岩土的密度。

由于岩土中的各种物理因素的改变（如岩土的性质、密度、裂缝等）都会引起d性波传播特性（波速、波幅、频率）的变化。因此，可在岩土中用测定d性波传播速度方法推断岩土的动d性模量，岩土强度、层位和构造，坑道周边围岩松动范围等。按激振的频率，d性波测定可分为地震法（几十到几百赫）、声波法（几千到20千赫）和超声波法（超过20千赫）。隧道和地下工程中常采用声波法。根据测点的布置，可分为单孔法（也称下孔法）和双孔法（也称跨孔法）。通过声波仪测出声波在岩土中由发射探头到接受探头的时间，就可算出波速（见工程地球物理勘探）。

除上述内容外，必要时还可对其他参数(如地温、湿度、洞内风速、空气中粉尘及有害气体的含量等环境因素的参数)进行测定。

在选用实现上述量测内容的各种量测仪表和元件时，必须使它们能适应地下坑道工作场地狭窄、潮湿、多尘的条件，并要满足较长期使用的效能。

在制定现场量测计划时，要根据隧道（地下工程）的用途和工程规模、地质资料、现场环境及各测量项目的作用，考虑到工点所需解决的问题和量测计划的经济效益，选择合理的量测项目。隧道施工期间，洞内状态的观测是日常施工管理所必须进行的项目，是修改设计和施工方法的主要依据，需要细心观察和测量，并应按要求格式将量测资料整理记录存档。此外，洞壁变形是由围岩应变与位移引起围岩动态变化的集中表现，它反映了围岩与支护结构共同工作的受力特性。因此，隧道（洞室）断面变形量测是非常重要的，是施工监控的必测项目。

在施工期进行施测时，应根据各项量测值的变化，各量测项目的相互关系等，并结合开挖后围岩的实际情况进行综合分析，将所得结论和推断及时反馈到设计和施工中去，以确保工程的安全和经济，并供今后的类似工程参考应用。

模型试验

用某些材料仿照原型（真实隧道衬砌结构，或包括结构周围一定范围的岩土介质）制作模型，进行室内试验，是研究隧道及地下结构受力机理的一种手段。由于模型试验能进行破坏性试验，它不仅能了解支护和衬砌结构在不断增长的荷载作用下变形的发展过程，而且能了解它的极限承载能力和破坏形态，同时模型比原型小，能节约材料、劳力和时间，又避免了施工干扰。模型试验一般包括模型的设计、制作、测试、以及成果分析和总结等。

模型设计

按照相似原理，研究相似准数，从而得到模型和原型相对应物理量的相似常数。若在静力场中选定应力相似常数Cσ＝σm/σp＝1（式中 σm为模型应力；σp为原型应力），则其相应的单位面力量纲的物理量之比都等于1，如d性模量、抗压强度等。这样采用原型材料作模型材料，或用和原型材料性质相近的材料制作模型，都可以进行超出d性范围直到破坏的试验。

模型材料

制作模型的材料应达到下述要求：

（1）物理力学性能和原型材料相似。若进行围岩和衬砌的共同工作或围岩的破坏情况的试验，应特别注意满足强度相似关系。

（2）物理力学性能稳定，不随大气温度、湿度变化而有较大的改变。

（3）满足量测要求。如模型的变形量易于测出，而且能保证精度。

（4）制模成型方便，凝固时间短，成本低。

通常采用同等强度的细石子混凝土，或用石膏来模拟原型混凝土或喷射混凝土。模拟衬砌周围的岩土，常为混合料，由胶结材料（如石膏、石蜡、凡士林等）和骨科（如砂等）组成。

模型施测

在专门的加载装置中进行，如立式静力台架（图1）、卧式静力台架（见彩图）和爆炸动荷载试验用的模爆器专用设备等。

对模型施加的荷载可分为静荷载、动荷载和自重荷载。静荷载多采用千斤顶加压，也有用液压囊和杠杆加载的。动荷载可施加冲击荷载、炸药爆破，或采用激振器等方式。

静荷载试验量测项目主要是模型指定部位的应变、位移和压力。动荷载试验要测的动参数有振幅、频率（或频率谱）、速度、加速度和动变形等。根据试验的目的，在模型上布置测点，各类测点安置相应的传感器（如位移传感器、加速度传感器等）。室内试验时更有条件将各测点接到测量控制台，用磁带进行系统量测记录，并用电子计算机进行处理。

光d模型试验

研究隧道与围岩处于d性范围的应力分布状况，还可采用光测d性法或激光全息光d法。光测d性法是将一些透明的材料（环氧树脂、赛璐珞、玻璃等）做成模型。利用偏振光测定在荷载作用下模型中d性变形的应力。这是由于模型在偏振光场中，能得到具有明暗相间条纹的应力光图（图2），即得到等差线和等倾线，再根据模型材料的应力光学常数及模型厚度，可推算各处的最大剪应力值及其主应力方向，从而得到模型的应力分布状况。用激光全息光d法，既能作等差线和等倾线，又能作等和线，并用全息摄影记录（见材料力学实验）。用光测法测定非连续介质和塑性状态的应力情况的试验工作也正在发展。

量测数据整理分析

主要包括：

（1）确定所量得的物理量的具体数值，即误差分析。找出最接近真值的代表数据，并鉴定它的精度。

（2）求出有关物理量的数量关系，即建立试验公式或经验公式──回归分析，从而将量测结果反馈到设计、施工和理论研究中去。

采用模型试验和现场量测，对同一研究任务可以互相对照比较，起到更好的效果。