・４０・ 露天采矿技术 ２０１１年第４期 岩土体变形及稳定性耦合监测技术综合研究 王明飞 （武警交通第五支队，陕西西安７１００２３） 摘要：随着人类对地下空间的开发，越来越多的大型地下工程被修建，因此对地下工程岩土体的稳定 性监测变得尤为重要。文中详细介绍了传统单一监测方法在工程中的应用情况，针对传统单一监测方法在变 形监测中捕获信息和反应问题的不足，提出采用多参数、多手段的几种耦合监测方法。耦合监测方法可以从 多方位、多层次，立体空间角度反应岩土体实时动态变形过程。 关键词：岩土体；变形监测；耦合监测方法；稳定性 中图分类号：ＴＵ ９７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—９８１６（２０１１）０４—００４０—０４ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ啪 ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｆｅｉ （Ｔｈｅ ＾ｔｅａｍ ｐｏｌｗｅ ｔｒａ￣ｗ，，Ｘｉ＂ａｎ ７１００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂ￣ｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅ￣ｍｇ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｐａｃｅ ｂｙ ｈｕｍａｎ ｂｅｉｎｇ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｌａｒｇｅ－８￣ａｌｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｂｕｌｉｔ，ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｉｔ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｎｌａｓｓ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｓｉ～ ｎｅｅｒｉｎｇｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｉｔｏｎａｌ ｍｏｎｉｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｏｎｔｒａｐｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｉｔｓ ｉｎ ｅｆｒｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｔｈｅｎ，ｂｒｉｎｇｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｅ ｍｏｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｍｅａｎ８ ｃａｎ ｍｕｈｉ－ｏｒｉｅｎｔｅｄｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍａｓｓ ｉｎ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍａｓｓ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｍ￣ｒ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ １ 引言 ２常规监测方法 ２．１ ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｉｔｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）监测 随着城市的现代化建设发展，大量的交通设施、 房屋要建，土建工程拔地而起。我们每天都看到大片 良田被钢筋混凝土所取代，并且无法再生，居住、交 通、环境的矛盾日益突出。为了把地面沃土多留点给 农业和环境，把地下岩土多开发点给道路交通、发电 ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）作为２０世纪的 项高新技术 由于具有定位速度快、全天候、自动 化、测站之间无需通视、可同时测定点的三维坐标及 一站、工厂和仓库，使地下空间成为人类在地球上做为 安全、舒适生活的第二个空间。国际上把２１世纪作 为人类开发利用地下空间的世 １。 精度高（从以前的１０ 提高到１０ 量级）等特点嘲， 在滑坡、地面沉降、地震、地裂缝等地质灾害监测方 面得到广泛应用。ＧＰｓ技术的应用给测量技术带来了 一场深刻的革命。据资料介绍，国外从２Ｏ世纪８Ｏ年 ２１世纪随着大量大型地下结构的兴建，为了确 保工程的使用安全，对开挖引起的岩土体的变形稳 代开始用ＧＰＳ进行变形监测。从９ｏ年代以来，世界 上许多国家纷纷布设地壳运动ＧＰＳ监测网，为地球 动力学研究和地震与火山喷发预报服务。李劲峰１９９６ 年在国内首次将ＧＰＳ应用于岩崩滑坡监测研究。 ＧＰＳ变形监测基准点和监测点的密度及位置除 定性的实时、精确监测已迫在眉间。针对传统单一监 测方法对岩土体的变形捕获信息单一，反应层面单 一，有时监测失败和具有滞后性等缺点，本文提出了 采用多参数、多手段的几种耦合监测技术，从多方 位、多层次的立体空间角度反应岩土体的变形发展 过程。该方法具有许多突出优点。 收稿Ｅｔ期：２０１１－－０２－２８ 了能满足地质和变形分析要求外，还要使基准点选 在远离滑动区的稳定区内，必须定期进行检验，确定 其可能出现的位移。而且应明确滑坡监测网成果所 采用的坐标系及所采用的坐标系相应的起算数据。 而监测点应尽量布设在地表变形的敏感地带及不稳 定的待测区域，监测点位移量必须代表岩体的位移 量。为了保证顺利地接收卫星信号，点位四周高度角 作者简介：王明飞（１９８０一），男，工程师，主要从事岩土 工程研究。 重蚕固 露天采矿技术 ２０１１年第４期 模型。 ２．２岩土体内部位移监测 ・４１・ １５ｏ以上要无成片障碍物。而且要注意让基准点和监 非线性变形，能够准确地建立地表移动的动态运动 测点远离电台、电视台、微波中继站等强信号源以及 高压线、变压器等干扰源及点周围要无信号反射物， 以免产生多路径效应嘲。选择监测点点位时，必须考 虑测量方便和监测人员的安全。测量精度，即测量误 差不掩盖非恢复性变形前后的两个相对变形量之 差，并符合以下规定：对岩质边坡监测点位移测量中 多点位移计是随着２０世纪６０年代奥地利提出 的新奥法的发展而发展、随新奥法的推广而推广起 来的。７０年代多点位移计在我国开始引进、研制和 迅速发展，开始应用于隧道工程的施工与运行安全 误差，水平方向为±４ ｍｉｌｌ，垂直方向为±２ ｍｉｌｌ；对软 质边坡水平方向误差为±６ ｍｉｌｌ，垂直方向误差为±３ ｒａｍ；对风化岩边坡，水平方向误差为±１０ ｎｌｍ。垂直 方向误差为±５ ｍｉｌｌ。对于硬岩、软岩和风化岩边坡， 监测点的水平（或垂直）位移分别大于１４ ｌ／ｉａｒ、２０ ｍｉｌｌ 和３０ ｍ／ｎ时，可认定为滑坡期开始，应进行全面监 测嗍；观测周期应根据边坡分级、变形活跃程度等方 面综合进行确定。观测时应同时使用多台ＧＰＳ接收 机构成多边形同步环。制定合理的观测方案，保证有 足够多余观测，以利于粗差的剔除，防止误差的积累。 监测网的基准通常指位置基准、方位基准和尺 度基准。对于平面网，起算点至少应有２个，才能解 决基准问题。高程网则至少需要一个高程起算点解 决高程基准问题。监测网的布置形式：可分为正方格 网、任意方格网、十字交叉网、射线网和基线交点网 等５种。采用何种监测网要根据观测区的地形条件 确定，如图１。ＧＰＳ测量所得高程为ＷＧＳ一８４坐标系 中的大地高。在进行变形分析时，可以按照大地高进 行变形分析，也可以与水准测量相结合，按水准高程 进行变形分析。如按水准高程进行变形分析，ＧＰＳ网 应联测一定数量的高精度的水准点以便将ＧＰＳ高 程转换为水准高程。经ＧＰＳ实时测量，解算出基线 变化量及三维坐标的变化量，监测出地表的多时段 一 ｌ０ １ ０ Ｉ Ｌ＇３ Ｌ‘．ｉ ｌ。Ｉ‘ｌ‘ ‘ ’ Ｉ。Ｉ‘Ｊ。 ’ ｌ Ｉ。ｌ。Ｉ‘Ｉ Ｉ’ｌ‘Ｉ。 ０ ｌ‘ ｌ ｌ Ｉ。 一一 １—监测点２—监测线３－－－－￣准点 图１边坡监测网布｜Ｉ【￣，，ｉｌｉｔ 监测，８０年代起又逐渐应用于边（滑）坡的稳定性监 测和坝基运行期的稳定性监测等。 多点位移计的测点通过锚头固定在钻孔孔壁 上，锚头与锚头用钢杆或钢丝相连传递变形，当岩体 沿钻孔轴向发生位移时，锚头随岩体同步移动。通过 与每个测点（锚头）的传感器接收变形信号，通过读 数仪放大或转换即可在读数仪上显示变形的数值。 当测量参数位于爆破和应力释放影响范围之外时， 其他各测点相对于该点的变形可视为（或近似为）绝 对轴向变形，否则，监测到的仅是轴向相对变形。 多点位移计安设时钻孔应足够深，孔底应位于 施工影响范围之外。钻孔应平直、光滑，钻孔深度应 大于最深测点０．５ ｎｌ，垂直方向钻孔方向应控制在 ±３。之内。水平孔每１０ ｍ钻孔弯曲度不得大于钻孔 半径，钻孔过程中一般应取岩芯，作地质描述钻孔柱 状图，用于测量结果的分析翻。 ２．３岩土体表面收敛监测 收敛计是测量岩体表面两点之间距离的相对变 化的仪器，主要有距离测尺、张拉测力和变形测微３ 部分组成。必须设固定测量标点，建立准确的初值，如 两点的距离、收敛计的拉力值和气温值 每次观 读 数时，收敛计的拉力值应与初始值一致。气温变化会 引起收敛计钢尺变形，应根据气温的变化修正温度变 化引起的钢尺长度的变化值，然后得出两点的相对 变形。收敛计测点应成断面布置，有单三角形、双三 角形和多三角形及十字形几种形式，如图２所示。监 测断面应紧靠掌子面，不宜超过０．５ ｍ，以减小“空 间效应”对测量的影响，获得尽量大的观测变形阁。 根据各测线长度的变化可以解算出断面顶底板 及两帮位移随时间的动态变化规律，并可以判定围 岩的稳定情况。 图２收敛监测布置示意圈 ・４２・ 露天采矿技术 ２０１１年第４期 是许多微观破裂的综合表现，岩石发生破坏主要与 裂纹的产生、扩展及断裂过程有关，岩石在其微观破 ２．４应力变化监测 压力测量包括地下洞室内部和支衬结构内部的 压力、围岩和支衬间接触压力的测量。压力测量常用 应力计和压力盒。为了监测岩体在开挖过程中周围 岩体应力随开挖影响的变化规律，在岩体钻孔内安 设应力计来量测。由于钻孔应力计所测量的应力值 是相对变化量，因此观测点应该尽量布设在靠近采 裂过程中将产生大量的声发射信息。岩体声发射是 伴随岩体受力破坏过程产生的一种自然现象，与岩 体破坏紧密相关。大量的岩石室内试验及现场检测 试验表明：随着岩体受力破坏的加快，声发射现象明 显增多，如图３。当应力很小时，声发射现象就在试 件整个范围内出现，呈弥散分布，看不出有集中的趋 场工作面的巷道内。可以通过水平（或垂直）方向布 设应力计来测量垂直（或水平）应力随开挖影响的变 势且声发射率、能率较低。当应力达到某一值时，这 化规律。 种无序的分布才向未来的破裂面逐渐集中，声发射 ２．５声发射监测（ＡＥ） 率和能率高。当破裂面完全贯通、滑动达到新的平衡 广义而言，声发射是指材料局部因能量的快速 状态时声发射现象又变得平静。 释放而产生瞬态弹性波的现象。在岩石的受力破坏 过程中，声发射（Ａｃｏｕｓｉｔｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＥ）是指岩体内 部新产生的微破裂和原有裂隙、裂纹不断扩展、断 裂、汇合贯通过程中以弹性波的形式释放应变能的 曼 × 现象。声发射是岩石材料及其力学结构稳定性的一 藤 越 个度量。早在２０世纪３０年代末期。美国工程师奥伯 恨 特（Ｏｂｅｙ）和杜瓦尔（ＤｕｖＭ１）就发现了受压力作用的 岩石结构有声发射活动存在【叼。 在应力作用下的变形与裂纹扩展都会有声发射 产生。这种直接与变形和断裂机制有关的弹性波经 图３岩石应力一应变与声发射率的关系 介质传达到被检体表面，引起表面的机械振动。声发 ３耦合监测方法 射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，经放大、 处理后，其波形和特征参数被记录与显示。这样，就能 ３．１岩土体内部、表面变形耦舍监测 获取用来定位和评定声发射源的相关信息。描述声 根据收敛测量的分析结果得到围岩体在开挖结 发射特性的参数很多，常用的有如下两种：一种为声 束后表面位移随时间的变化规律，多点位移监测的 发射率（ＮＲ），是反映声发射突发波频度的一类参 结果却从围岩体内部反应了岩体不同深度处位移的 数，它是指每单位时间内观测到的声发射的次数。另 变化规律。通过同一布设断面两者结果的对比，可以 一种为声发射的能率（ＥＲ），是反映发声信号能量的 找出引起主要变形的岩层及其位置，并能判断围岩 脉冲信号，它是指单位时间内所观察到的全部事件 松动圈的范围，确定加固参数（如锚杆长度、注浆深 发射能的总和，与所观测到的事件所在波形的幅度 度等）。及时布设收敛监测断面测得的数据可以视为 值平方成正比。 是岩体表面在开挖以后的净位移，因此可以通过表 声发射技术是研究岩石（岩体）变形破坏微观机 面位移量与多点位移计总位移量的差值来检验多点 理的重要手段，破坏过程实质上是裂隙的扩展过程， 位移计是否安设在稳定岩层。在巷道段面较小的情 而声发射是裂隙扩展过程中的声学效应 。如果裂纹 况下，虽然多点位移计无法安设在稳定岩层，但是通 等缺陷处于静止状态，没有变化和扩展，就没有声发 过与收敛计的耦合监测也可以得到开挖体表面的总 射发生，也就不能实现声发射检测。因此，声发射信 体位移及内部位移变化规律。因而，该耦合监测从开 号的强弱反映了岩体破坏时的能量释放程度，同时 挖体表面及内部多层次反应了位移的动态变化机 声发射的强弱也是评价岩体破坏倾向性的信息和指 理，可为加固和支护结构设计提供依据。 标。岩石声发射的多少、大小、频率等参数是岩石变 ３．２ ＡＥ与ＧＰｓ耦合监测 形和强度破坏过程的定性量化指标，可以了解到岩 ＧＰＳ测量方法主要集中在地表监测，测量的参 石的变形和破坏过程嗍。岩石（体）的宏观破坏现象 数是地表的位移与加速度，通过监测点三维坐标随 露天采矿技术 ２０１１．ｑ－ｇ ４期 ・４３・ 时间的动态变化规律来分析变形体的稳定情况进行 受力变化情况。可以了解岩体在开挖引起应力重新 预报监测。前提是基准点在监测的过程中不发生位 分布的过程中岩体所受应力的相对变化程度和岩体 移，是通过分析地表位移来判定稳定性具有滞后性， 中新微裂纹产生、原有裂纹扩展及相互贯通的动态 给加固和采取措施处理带来一定的困难，提高了工 变化，及裂纹源的位置。耦合监测可以从空间上了解 程的费用。而且ＧＰＳ对地下深部和向空中发展的监 在开挖过程中岩体所受的最大相对压力和岩体内部 测做得也不够。 的损伤破裂程度及位置。 ＡＥ与ＧＰＳ耦合监测技术是空间耦合监测技 术，可以从地表和岩体内部同时监测变形破坏的动 ４结论 态过程，可以从空间上确定滑移破裂面的位置及形 本文提出用耦合监测技术监测是集岩体表面、 态（通过表面裂纹与声发射分析定位的内部微裂面 内部为一体的空间立体监测技术，是加强岩体表面 的连线可大致确定滑动面）、滑体的大小以及滑动导 形变监测的同时大力发挥岩体内部变形、损伤、滑动 致后果的估计都有积极的指导作用。也可以确定出 程度的监测技术。具有有效捕捉岩体变形前兆、准确 加固参数（如锚杆（索）的长度），如图４所示。耦合监 快速预报、防大灾等特点。 测可以避免因ＧＰＳ基点位置选择不当与监测点同 该耦合监测技术通过多参数、多手段，从多方 时移动导致监测失败的现象。作为岩体变形前兆的 位、多层次实时动态监测岩土体的多时段非线性变 微小现象，在位移方面并不敏感，所以通过耦合监测 形动态。具有监控范围大、提供信息及时，能够争取 从表面位移和ＡＥ监测定位的微裂纹产生和发展源 时间制定应急方案，充分利用原有岩体强度，降低工 多层面对岩体变形信息的尽早捕捉和准确预测是可 程加固成本，提供加固参数等突出优点。 能的。岩体变形过程事实上是岩体不断向外散发各 参考文献： 种信息的过程。耦合监测通过多手段、多方位来捕获 ［１］王梦恕．２１世纪我国隧道及地下空间发展的探讨ＥＪ］．铁 最初的信息，以便争取时间和制定应急方案。 道科学与工程学报，２００４，（７）：１—３． ［２］肖鸾，胡友健．ＧＰＳ技术在变形监测中的应用综述［Ｊ］． 工程地球物理学报，２００５，２（２）：１６０—１６５． ［３］李长洪．ＧＰＳ滑坡监测的基准设计和数据处理ＥＪ］．有 色金属（矿山部分分），２００５，５７（３）：３３—３５． ［４］蔡美峰，李长洪．ＧＰＳ在深凹露天矿高陡边坡位移动态 监测中的应用［Ｊ］ 中国矿业，２００４，１３（９）：６０—６４． ［５］李迪，马水山．工程岩体变形与安全监测［Ｍ］．武汉： 长江出版社。２００６． ［６］曹树刚，刘延保．突出煤体变形破坏声发射特征的综合 预测滑移面 分析ＥＪ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（１）：２７９４－２７９９． 图４预测滑移面及加固参数示意图 ［７］王述红，张亚兵．各向异性岩体破坏过程声发射测量及 其定位实验研究［Ｊ］．东北大学学报（自然科学版）， ３．３ ＡＥ与应力变化耦合监测 ２００７，２８（７）：１０３３—１０３６． 该耦合监测技术不仅反应了岩体应力随时间的 ［８］徐东强．巷道围岩破坏时的声发射特性［Ｊ］．金属矿山， 动态变化规律，而且可以了解内部岩体在开挖后的 ２０００，（３）。２３—２７．
