岩土工程监测技术

岩土工程监测技术岩土工程监测技术 1 1 超声波超声波/ /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：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，shao Tournemire ASPO HRL ZEDEX二期 ZedexZedex：震速测量：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 个均含两个压电接收器。 震速各项异性测量震速各项异性测量：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10cm 1.4 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 2 微震微震/ /声发射声发射 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、震源位置、发震时刻和震源强度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