围岩内部多点位移量测的新方法

岩　　土　　力　　学RockandSoilMechanics

　　　　Vol.21No.2　　　　June2000

文章编号:1000-7598-(2000)02-0138-03

围岩内部多点位移量测的新方法

尤春安

(山东科技大学土木系,山东泰安　271019)

白　云

(华中理工大学土木工程学院,湖北武汉　430074)

摘要:地下工程围岩内部多点位移量测一直是一种投资大且较为复杂的量测项目。利用收敛计进行围岩内部多点位移量测的方法,具有简单方便、投资少、精度高等优点,是一种非常实用的量测方法。关　键　词:地下工程,围岩,多点位移量测,收敛计中图分类号:TU4　　　文献标识码:B

作者简介:尤春安,男,46岁,副教授,从事岩土工程研究与教学工作。

Anewmethodofmulti-pointdisplacementmeasurementin

surroundingrocksofundergroundengineerings

YouChun󰀁an

(ShandongUniversityofScienceandTechnology,Tai󰀁an271019,China)

BaiYun

(HuazhongUniversityofscienceandTechnology,wuhan,430074,China)

Abstract:　Thedisplacementmeasurementofmultiplepointsinundergroundengineeringsisexpensiveandvery

complicated.Thispaperpresentstheauthor󰀁sachievementtodevelopanewmethodinwhichthemulti-pointdisplacementmeasurementcanbeperformedusingaconvergence-meter.Ithasbeenprovedthatthissimpleand

convenientmethodisverypracticalinuseandinexpensivewhichgiveshighlypreciseresults.KeyWords:　undergroundengineering,surroundingrock,multi-pointdisplacementmeasurement,convergent-meter

1　概　　述

围岩内部多点位移量测是地下工程监控量测中的一个重要的内容[1],它为了解地下工程开挖或支护后围岩内部位移情况、围岩松动范围、支护及加固效果、围岩稳定状态以及围岩应力和力学参数的反演提供可靠的信息。但是在过去的工程中这种量测项目开展得很少,只在少数重要的工程中得到应用,其主要原因是过去的量测采用的是多点位移计,而各种各样的多点位移计普遍存在以下问题[1～3]。

(1)各种多点位移计成本高,而且必须钻大直径的孔,费用大。

(2)为了提高量测精度,一般多点位移计的构造都比较复杂,安装和量测难度大。

(3)量测范围小,量测的点数和深度受到。

(4)有的虽然结构简单,但精度低,量测困难。为了解决上述问题,我们在工程实践中探索出一种利用地下工程内空收敛量测的收敛计进行围岩内部多点位移量测的方法。通过多个工程的实践应用,证明这种量测方法非常简单,无需使用专门的设备和仪器,原则上量测范围和量测点数不受,有较高的量测精度,而且投资少,安装和量测方便。这种方法[2]

与内空收敛量测配合应用,其优点更为突出。

2　量测原理与方案

多点位移量测原理如图1所示。当围岩巷道内空移进时,孔内各测点、孔口固定点与参照测点的距离

图1　量测原理

Fig.1　Themeasuringprinciple

收稿日期:1999-07-05。第2期　　　　　　　　　　　　　　　尤春安:围岩内部多点位移量测的新方法

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都发生了变化,利用收敛计量测孔内各测点引出钢丝、孔口固定点与参照测点距离的改变量,可以计算出孔内各测点和孔口相对位移量。如果钻孔打得足够深,最深测点的绝对位移接近于零,则可以计算出各个测点和巷道周边(孔口固定点)的绝对位移量。

孔内测点的固定方法采用钢丝爪式固定器固定,其结构如图2所示。孔口固定点设在孔口保护盒中,是一个圆形钢环。孔口保护盒(如图3所示)起着保护孔内各测点的引出钢丝及其挂环的作用,可用短锚杆固定。参照测点原则上设在巷道周边任何位置都可以,主要应考虑量测方便。如果在进行围岩内部多点位移量测的同时,还进行巷道内空收敛量测,则这两种量测项目应联合布置,其具体做法是将多点位移量测的孔口固定测点和参照测点也作为收敛量测测点。这样做既减少量测工作量,又有利于量测数据处理和分析,提高量测精度。图4是某地下工程监控量测中围岩内部多点位移量测和巷道内空收敛量测项目联合布置方案。

图4　多点位移量测方案Fig.4　Aschemeformulti-pointdisplacementmeasurements

固定器用绳子拢起来,扎成活结,然后用钻杆将其送入孔内预定的位置,拉开绳子,固定器就牢牢地固定在孔壁上,由里至外,逐个安装。考虑到围岩的变形,引出孔外的细钢丝应预留一定的长度,并在细钢丝的端头扎上打好点号的钢环。

量测时采用一般收敛计,分别量测参照测点与孔内各测点(细钢丝端头的挂环)以及孔口固定点的收敛量即可。设参照测点为A,孔口测点为B,孔内各测点为Ci,见图1,则孔口固定点与参照测点的收敛量(相对位移量,即初始量测距离与后继量测距离之差)为󰀁AB,孔内各测点与参照测点的收敛量为󰀁ACi孔内各点与孔口的相对位移量由下式确定:

󰀁BCi=󰀁AB-󰀁ACi　(i=1,2,…,n)(1)　　如果钻孔打得足够深,最深的测点不受巷道周边位移的影响,其绝对位移值为零,则孔内各测点和孔口固定点的绝对位移值由下式获得:

󰀁Ci=󰀁ACi-󰀁ACn　　(2)

式中　i=0为孔口固定点,i=n为孔内最深的测点。

图2　钢丝爪式固定器

Fig.2　Clawtighternerforsteelwires

4　应用实例

在铁法矿务局小康矿,利用废旧钢丝绳作为锚索体进行极软岩巷道顶板的支护研究,初步确定锚索长度为10.0m,采用端头和全长灌浆锚固形式。为了了解锚索的支护效果,优化支护参数,特别是合理地确定锚索长度,必须对顶板岩层进行多点位移量测,而且要求测点有一定的密度,以准确地确定稳定岩层的位置。

图3　孔口保护盒

Fig.3　Pretectioncellonboreholecollar

采用一般的多点位移计量测不但成本高,而且难以满足要求,因此采用文中所述的多点位移量测方法。在安设锚索的同时,离锚索0.5m处平行于锚索打一深为12.0m的多点位移量测钻孔,按前述方法每米设置一个测点,孔内共设12个测点,并在巷道的一帮埋设参考测点。测点安装后,进行初值量测,以后每周量测一次,一直到顶板变形稳定。图5是顶板岩层第7d和稳3　量测方法与位移计算

多点位移量测测点的安装:用锚杆钻机打眼,钻孔

直径一般为42mm,钻孔打至设计深度;将钢丝爪式140

岩　　土　　力　　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2000年

定时各测点的围岩值,这里设最深测点(12m)处位移值为零。从图中可以清楚地看出,采用锚索支护后,顶板的变形发生在离巷道周边5m的范围内,而5m以外的围岩基本上不产生变形,说明5m以外的锚索基本上不受力。据此,考虑锚固段的受力特征和安全性,将锚索长度由原来的10m减少到7.2m即可满足要求。

实践证明,这种新的多点位移量测方法不但经济、简便,而且量测精度高、数据可靠、应用范围广,是一种理想的多点位移量测方法。

参　考　文　献

1　徐祯祥.地下工程试验与测试技术[M].北京:中国铁道出

版社,1984.19～30

2　韩瑞庚.地下工程新奥法[M].北京:科学出版社,1987.65～106

3　尤春安.软岩巷道监控量测[J].软岩工程,1994,(1):9～

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图5　多点位移量测结果

Fig.5　Theoutcomesofmulti-pointmeasuring

(上接第125页)

图10　DDA位移图(时步550步)

Fig.10　DisplacementdiagrambyDDA(step=550)

图11　DDA位移图(时步800步)

Fig.11　DisplacementdiagrambyDDA(step=800)

3.3　结果分析

从整个系统的变形趋势可以看出,首先是开挖后两矿体采空区之间的岩体产生滑动,接着上盘和下盘之间的岩体产生滑动和坍落,进一步的发展导致了开挖区上部岩体的下沉和地面的下沉。地面沉降量为:断裂带靠近上盘处为13.0m,靠近下盘处为11.6m。其计算结果与其他计算方法(主要指离散元)的趋势亦大体一致。

拉伸控制的判断,是一个反复的迭代过程,因此,其收敛与否以及判断的实现是一个复杂的过程,需要经验和技巧。一般时步取的越大计算结果越趋于稳定,但客观条件是不允许的。另外,DDA取的是一个完全不连续的块体系统,模拟实际岩体仍有一定的局限性。若发展一种用连续与不连续分区处理的断续介质分析方法应该更符合岩体实际。

参　考　文　献

4　结　　语

通过用DDA方法对边坡滑动的模拟和地下开挖引起地表变形的计算分析,并与离散元计算结果的对比表明,DDA计算模型对上述工况的计算是符合实际的,可以作为一种可行的工程分析手段。

计算经验表明时步和时步系数的选取对于计算结果有很大的影响。由于DDA计算过程中实现侵入和1　ShiGH.BlockSystemModelingbyDiscontinuous

DeformationAnalysis[M].Sonthampton,UKandBoston,USA:ComputationalMechanicsPublications,1993.

2　张玉军.小湾坝肩自然条件下堆积体稳定性的平面离散有

限元初步分析[R].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,1998.