地下工程测试技术

前言章 绪论 1.1 地下工程测试的目的、意义 1.2 地下工程测试的内容 1.3 地下工程测试技*的现状 1.4 地下工程测试技*的发展趋势 1.5 地下工程测试人员应具备的条件 1.6 本课程学习目的及要求2章 地下工程测试和监测技*基础知识 2.1 测试系统的组成 2.1.1 荷载系统 2.1.2 测量系统 2.1.3 信号处理系统 2.1.4 显示和记录系统 2.2 测试系统的基本原理与传递特性 2.2.1 概述 2.2.2 测试系统的静态传递特性 2.3 测试系统的误差分析和测试系统的选择 2.3.1 测试系统误差 2.3.2 精度、精密度与准确度 2.3.3 测试系统的选择 2.4 传感器原理 2.4.1 传感器的定义、组成和分类 2.4.2 电阻式传感器 2.4.3 电感式传感器 2.4.4 电容式传感器 2.4.5 钢弦式传感器 2.4.6 光纤传感器 2.4.7 传感器的选择 2.4.8 传感器的标定 思考题3章 基坑工程监测技* 3.1 基坑工程监测目的和意义 3.2 基坑工程监测原则和方案 3.2.1 监测原则 3.2.2 监测方案 3.3 监测项目与监测点的布置 3.3.1 监测项目 3.3.2 监测点布置 3.4 基坑工程监测方法及仪器 3.4.1 *位移监测 3.4.2 竖向位移监测 3.4.3 深层*位移监测 3.4.4 墙体和桩体的内力监测 3.4.5 锚杆(索)拉力监测 3.4.6 *支撑内力监测 3.4.7 地下*位监测 3.4.8 土压力监测 3.4.9 孑L隙*压力监测 3.4.1 0坑外土体分层竖向位移监测 3.4.1 l建筑物倾斜监测 3.4.1 2建筑物裂缝监测 3.5 监测频率与监测警戒值 3.5.1 监测频率 3.5.2 监测警戒值 3.6 监测数据处理及监测报告 3.6.1 数据处理 3.6.2 监测报告 思考题4章 隧道施工监测技* 4.1 概述 4.1.1 隧道施工监测的意义 4.1.2 隧道施工监测的目的及要求 4.2 隧道施工监测项目及方法 4.2.1 监测项目 4.2.2 监测方法 4.3 监测数据分析处理与信息反馈 4.3.1 量测数据分析处理 4.3.2 监控量测控制标准 4.3.3 监控量测信息反馈 4.4 监测组织与管理 4.4.1 监测人员组织 4.4.2 监测实施细则 4.4.3 监测质量保证体系 4.4.4 监测报告 思考题5章 软土地基预压处理方法监测技* 5.1 概述 5.2 预压地基监测的目的及监测项目 5.2.1 监测目的 5.2.2 监测项目 5.3 堆载预压法 5.3.1 堆载预压工艺 5.3.2 堆载预压施工监测内容 5.4 真空预压法 5.4.1 真空预压工艺 5.4.2 真空预压施工监测内容 5.5 监测数据的处理及监测中的注意事项 5.5.1 监测(检测)成果报告内容 5.5.2 预压地基处理监测中的注意事项 5.5.3 预压地基周边环境监测 思考题6章 边坡工程监测 6.1 概述 6.1.1 边坡工程监测的意义和作用 6.1.2 边坡监测原则 6.1.3 边坡监测的主要内容与方法 6.1.4 边坡变形监测技*的发展趋势 6.2 边坡地表变形监测 6.2.1 设站观测法 6.2.2 近景摄影测量法 6.2.3 自动化监测网 6.3 边坡表面裂缝量测 6.4 边坡内部变形监测 6.4.1 简单地下位移监测 6.4.2 应变管监测 6.4.3 固定式钻孑L测斜仪监测 6.4.4 钻孔伸长计监测 6.4.5 活动式测斜仪监测 6.5 边坡变形量测资料的处理与分析 6.5.1 边坡变形量测数据的预处理 6.5.2 边坡变形状态的判定 6.5.3 边坡变形的预测分析 6.6 边坡应力监测 6.6.1 边坡内部应力测试 6.6.2 岩石边坡地应力监测 6.6.3 边坡锚固应力测试 6.7 边坡地下*监测- 6.7.1 地下*位监测 6.7.2 孔隙*压力监测 6.8 监测方案设计 6.8.1 监测设计的原则 6.8.2 测点布点原则 6.8.3 边坡工程监测周期与频率 思考题7章 桩基测试技* 7.1 概述 7.1.1 桩基分类 7.1.2 桩基检测程序 7.1.3 桩基承载力代表值与静载试验 7.2 单桩竖向抗压静载试验 7.2.1 竖向受压荷载作用下的单桩工作机理 7.2.2 试验设备 7.2.3 试验要求 7.2.4 试验方法 7.2.5 试验资料整理 7.2.6 单桩竖向抗压承载力的确定 7.2.7 常见的单桩荷载一位移(Q—s)曲线 7.3 单桩竖向抗拔静载试验 7.3.1 竖向拉拔荷载作用下的单桩工作机理 7.3.2 试验设备 7.3.3 试验方法 7.3.4 试验资料整理 7.3.5 单柱竖向抗拔承载力的确定 7.4 单桩*静载试验 7.4.1 *荷载作用下的单桩作机理 7.4.2 试验设备 7.4.3 试验方法 7.4.4 试验步料整理 7.4.5 单桩*临界荷载和极限荷载的确定 7.5 钻芯法 7.5.1 试验仪器 7.5.2 试验方法 7.5.3 试验准备及芯样的选取 7.5.4 芯样加工及技*要求 7.5.5 试件抗压强度试验 7.5.6 试验数据分析与判定 7.6 低应变动力检测法 7.6.1 一维弹性应力波理论 7.6.2 检测设备 7.6.3 检测方法 7.6.4 检测结果的应用 7.7 高应变动力检测法 7.7.1 概述 7.7.2 CASE法 7.7.3 检测设备 7.7.4 检测方法 7.7.5 检测报告 7.8 声波透*法检测 7.8.1 声波法的基本原理 7.8.2 检测设备 7.8.3 声测管的布置方式 7.8.4 检测方法 7.8.5 完整性判定 思考题 参考文献2100433B

张蕾、丁祖德编写的《地下工程测试技*(高等院校城市地下空间工程专业十三五规划教材)》为“ 高等院校城市地下空间工程专业‘十三五’规划教材 ”之一，书中内容涵盖地下空间工程在建设过程中所涉及的各种测试技*，主要针对施工过程中及后期监测管理时可能使用的监测检测技*。

本书内容主要包括绪论、地下工程测试和监测技*基础知识、基坑工程监测技*、隧道施工监测技*、软土地基预压处理方法监测技*、边坡工程监测及桩基测试技*。

本书可用于城市地下空间工程专业、岩土工程专业教学使用，也可用于基坑、城市隧道与管线、软弱地基预压处理、边坡及桩基等工程在施工过程中及工后对建筑物、管线及周边环境的监测检测设计、施工、管理及科学研究等工作。

技术简介

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。

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、弹性抗力系数（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地层弹性波速度测定。量测弹性波在岩土中的传播速度。在弹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,形成了弹性波。其传播速度与介质密度、弹性常数有关。弹性波可分为纵波（p波）和横波（s波）。它们的传播速度公式为

式中为纵波波速；为横波波速；为动弹性模量；μ为动泊松比；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）都会引起弹性波传播特性（波速、波幅、频率）的变化。因此，可在岩土中用测定弹性波传播速度方法推断岩土的动弹性模量，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，弹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。

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。

若在静力场中选定应力相似常数Cσ=σ/σ=1（式中 σ为模型应力；σ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,如弹性模量、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，都可以进行超出弹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。

隧道及地下工程测试技术隧道及地下工程测试技术

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。

光弹模型试验　研究隧道与围岩处于弹性范围的应力分布状况，还可采用光测弹性法或激光全息光弹法。光测弹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弹性变形的应力。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。用激光全息光弹法，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。

隧道及地下工程测试技术

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。2100433B

《地下工程测试技术》内容包括试验与监测技术基础知识、电阻应变测量技术、岩石物理力学性质试验、基坑工程施工监测、地下洞室围岩和支护系统施工监测，以及地质雷达技术和地质超前预报技术在隧道工程中的应用。书中从实用方面出发，将理论与现代新技术、新方法相结合，详细介绍了各种监测项目的原理、方法、测点布设及监测要求等，着重解决实际工程技术问题。

《地下工程测试技术》为高等学校土木工程、交通工程等专业的教学用书，也可供研究生和有关工程技术人员参考。

第1章 试验与监测技术基础知识

1．1 测试系统的组成和特性

1．2 测试系统的静态传递特性

1．3 传感器原理

1．4 钢弦式传感器的工作原理、使用与标定

1．5 测试系统选择的原则与标定

第2章 电阻应变测量技术

2．1 电阻应变片的原理、类型及性能参数

2．2 电阻应变片的选用及粘贴工艺

2．3 测量电路、温度补偿及应变片布置、接桥方式

2．4 电阻应变式传感器的应用

第3章 岩石物理力学性质试验

3．1 岩石的物理性质

3．2 岩块变形性质测试

3．3 岩块强度性质测试

3．4 岩体力学性质测试

第4章 基坑工程施工监测

4．1 概述

4．2 监测仪器和方法

4．3 监测方案设计

4．4 监测报表、曲线与报告

第5章 地下洞室围岩和支护系统施工监测

5．1 地下洞室施工

5．2 地下洞室监测目的与项目

5．3 现场量测计划

5．4 地下洞室监控量测方法

5．5 量测数据处理与反馈

第6章 地质雷达技术及其在隧道工程中的应用

6．1 概述

6．2 地质雷达技术基本理论

6．3 地质雷达现场工作设计

6．4 雷达资料数字处理与地质解释

6．5 地质雷达技术在隧道工程中的应用

6．6 隧道衬砌检测与探测的典型图像

第7章 地质超前预报技术在隧道工程中的应用

7．1 概述

7．2 地震反射波法地质超前预报技术

7．3 红外探测地质超前预报技术

7．4 地下全空间瞬变电磁地质超前预报技术

7．5 声波探测地质超前预报技术

7．6 地质超前预报应用实例

参考文献2100433B