潘家旭

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

巖石力學(xué)是近代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科[1]，應(yīng)用范圍涉及采礦與其它巖土工程相關(guān)領(lǐng)域。其中，巷道工程作為最常見(jiàn)地下工程之一，其開(kāi)挖過(guò)程引起圍巖力學(xué)形態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致工程失穩(wěn)破壞，工程失去建設(shè)意義[2]。因此，對(duì)巷道收斂及穩(wěn)定監(jiān)測(cè)研究具有非常實(shí)際的意義。

為掌握正在施工或運(yùn)營(yíng)中的巷道圍巖力學(xué)形態(tài)變化，采用各種儀器對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量測(cè)，以評(píng)價(jià)工程穩(wěn)定性。其中，巷道圍巖收斂觀(guān)測(cè)是最常用的一種手段[3]。通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行收斂觀(guān)測(cè)，可指導(dǎo)巷道工程的開(kāi)挖施工，為工程提供可靠的安全保障；同時(shí)，可將收斂觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)施工方案中，以便及時(shí)優(yōu)化開(kāi)挖方案和采取措施，確保施工安全和使用時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 收斂觀(guān)測(cè)的特點(diǎn)與時(shí)空要求

(1) 時(shí)效性。巷道等地下工程的服務(wù)年限一般都較長(zhǎng)，同時(shí)由于巖石發(fā)生流變、風(fēng)化現(xiàn)象等，測(cè)試設(shè)備要求保持長(zhǎng)期有效，因?qū)ο锏赖氖諗坑^(guān)測(cè)工作目標(biāo)主要是為巷道開(kāi)挖期間以及運(yùn)行過(guò)程中的施工安全、以及永久支護(hù)等工作服務(wù)，所以對(duì)圍巖的觀(guān)測(cè)一般要求在較長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行，并且要求及時(shí)把收斂觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行部門(mén)，其時(shí)效性要求高。

(2) 環(huán)境復(fù)雜。由于地下工程條件一般來(lái)說(shuō)相當(dāng)惡劣，經(jīng)常在非常潮濕等復(fù)雜的環(huán)境下，且大部分有酸性較強(qiáng)的地下水，工程爆破產(chǎn)生的粉塵、沖擊波等，都會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備造成損壞，因此要求設(shè)備防潮、防電磁干擾，甚至要求具有防爆等性能。

(3) 監(jiān)測(cè)信息的時(shí)空要求。在大型地下工程中，巷道圍巖收斂量的觀(guān)測(cè)要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，以全面地觀(guān)測(cè)圍巖各巷道的收斂量。在觀(guān)測(cè)信息的處理量和反饋速度上的要求也日漸提高。

(4) 空間制約。由于地下空間有限，在某些巷道中，大型機(jī)械難以通行，同時(shí)，對(duì)圍巖收斂的觀(guān)測(cè)工作既要盡量減少對(duì)施工的干擾，又要避免施工過(guò)程中對(duì)設(shè)備的損壞，在空間上受約束，因此要求觀(guān)測(cè)設(shè)備微型化，以便于拆裝和運(yùn)輸。

2 近年發(fā)展的巷道收斂觀(guān)測(cè)技術(shù)

根據(jù)上述技術(shù)特點(diǎn)要求，觀(guān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)。借鑒現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用的突破，近年來(lái)巷道收斂觀(guān)測(cè)技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。在最新發(fā)展的觀(guān)測(cè)技術(shù)中，按照觀(guān)測(cè)儀器與對(duì)巷道圍巖的空間位置關(guān)系，將觀(guān)測(cè)方法分為接觸式和非接觸式兩種[4-6]。

2.1 接觸式觀(guān)測(cè)方法

主要有“收斂計(jì)測(cè)量法”和“巴賽特收斂系統(tǒng)測(cè)量法”等。

(1) 收斂計(jì)測(cè)量法[7]。收斂計(jì)測(cè)量法是收斂觀(guān)測(cè)的傳統(tǒng)方法。收斂計(jì)由測(cè)力鋼環(huán)、測(cè)力卷尺和測(cè)微計(jì)及球形連接頭構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，在測(cè)設(shè)點(diǎn)斷面巷道開(kāi)挖1～2 d后沿巷道周邊、拱頂、拱腰和邊墻部位分別埋設(shè)深度30 cm、鉆孔直徑42 mm的測(cè)樁，并用快硬水泥或早強(qiáng)劑對(duì)其固定。這種測(cè)量方法，無(wú)論在理論和實(shí)踐方面都已經(jīng)很成熟，而且操作簡(jiǎn)單，儀器設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低。但該方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算比較繁瑣，獲取數(shù)據(jù)的效率低，測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)精度容易受人為因素影響。在巷道跨度過(guò)大時(shí)，由于鋼尺的抖動(dòng)、拉伸及工作條件的惡化等因素影響，可能使測(cè)量工作難以長(zhǎng)期進(jìn)行。

(2) 巴賽特收斂系統(tǒng)測(cè)量法[8]。該法主要采用“巴塞特收斂系統(tǒng)”，是由多個(gè)桿件單元首尾互相鉸鏈，構(gòu)成一個(gè)測(cè)量環(huán)，在巷道內(nèi)安裝在待測(cè)斷面四周，并在桿件單元內(nèi)放置高精度的傾角傳感器。當(dāng)巷道壁產(chǎn)生變形時(shí)，通過(guò)傾角傳感器即可測(cè)出這種圍巖變形的微小變化。根據(jù)傾角變化可推算出各固定點(diǎn)的位移，進(jìn)而得到各固定點(diǎn)在變化后的實(shí)際位置和巷道收斂情況。

2.2 非接觸式觀(guān)測(cè)方法

2.2.1 全站儀三維量測(cè)法[9]

全站儀的全稱(chēng)為全站型電子速測(cè)儀，它除了能自動(dòng)測(cè)距、測(cè)角外，還能完成一個(gè)測(cè)站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、坐標(biāo)等，它具有多功能、高精度、自動(dòng)化等特點(diǎn)，是其他常規(guī)儀器所無(wú)法比擬的，其測(cè)量過(guò)程見(jiàn)圖1。

全站儀三維量測(cè)法，在現(xiàn)代礦山應(yīng)用中比較廣泛，但是儀器的精度難以達(dá)到毫米級(jí)，在儀器的對(duì)中整平過(guò)程中容易出現(xiàn)人為的誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響。

圖1 全站儀三維測(cè)量過(guò)程

2.2.2 經(jīng)緯儀前方交會(huì)法[10]

采用經(jīng)緯儀或全站儀，應(yīng)用前方交會(huì)法，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，其適應(yīng)性較強(qiáng)。基本方法是以交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)空間前方交會(huì)原理為基礎(chǔ)，首先通過(guò)兩臺(tái)經(jīng)緯儀互瞄，測(cè)量基準(zhǔn)尺，采用相應(yīng)算法，獲取兩測(cè)站的坐標(biāo)及方位；兩臺(tái)儀器同時(shí)瞄準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，應(yīng)用三角交會(huì)解算待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

應(yīng)用這種觀(guān)測(cè)方法，需有一種適合施工環(huán)境的實(shí)施方法和一套行之有效的測(cè)量平差分析系統(tǒng)；在應(yīng)用中儀器需要不斷檢查校正，比較耗時(shí)；因反射膜片標(biāo)志點(diǎn)的安裝和維護(hù)困難，成本較高。

2.2.3 無(wú)反射棱鏡自動(dòng)跟蹤巷道收斂觀(guān)測(cè)法[11]

該方法依托無(wú)反射棱鏡自動(dòng)跟蹤巷道收斂變形系統(tǒng)，可對(duì)巷道全斷面進(jìn)行掃描，并與計(jì)算機(jī)相連，可觀(guān)測(cè)全斷面的實(shí)時(shí)變形。該系統(tǒng)掃描和計(jì)算速度較快，精度較高。

2.2.4 Georobot量測(cè)法[12]

Georobot是一種具有自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、照準(zhǔn)、測(cè)角與測(cè)距等功能的測(cè)量平臺(tái)。其技術(shù)元件的組成主要包括：坐標(biāo)系統(tǒng)、操縱器、換能器、計(jì)算機(jī)控制器、閉路控制傳感器，以及決定制作軟件等等。該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是把無(wú)反射棱鏡自動(dòng)跟蹤斷面儀巷道收斂變形系統(tǒng)中對(duì)固定斷面的任意點(diǎn)的掃描變成對(duì)任意斷面固定點(diǎn)的掃描。

2.2.5 分布式光纖觀(guān)測(cè)法[13]

光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是利用人為的因素，對(duì)外界因素使光在光纖中傳輸時(shí)特征參量的變化情況進(jìn)行檢查和信號(hào)傳輸。利用該技術(shù)可對(duì)巷道收斂變形與隧道位移等進(jìn)行量測(cè)與監(jiān)控，需要結(jié)合隧道力學(xué)、光通訊技術(shù)等較多理論基礎(chǔ)，并在經(jīng)費(fèi)投入上需要較多。

2.2.6 聲光電集成監(jiān)測(cè)法[14]

該方法依托圍巖失穩(wěn)的聲光電集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：光學(xué)鉆孔窺視儀(對(duì)同一個(gè)鉆孔內(nèi)壁的圍巖損傷情況分次進(jìn)行監(jiān)測(cè))、聲發(fā)射裝置和鉆孔應(yīng)力計(jì)，以及與三者均相接的控制接受器。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高，能有效解決現(xiàn)有單一監(jiān)測(cè)手段所出現(xiàn)的精度不高、數(shù)據(jù)失真等實(shí)際問(wèn)題，特別是能避免在某些特定環(huán)境下監(jiān)測(cè)失效等現(xiàn)象，是一種綜合性的解決方案。

2.2.7 激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)法[15]

該方法主要是利用掘進(jìn)機(jī)與巷道周邊之間縱向通視空間條件，通過(guò)對(duì)拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此可在掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)獲取斷面上最大凈空位移，從而實(shí)現(xiàn)TBM施工環(huán)境下的凈空位移監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用主動(dòng)尋的測(cè)量方式，具有大量程的特性。該法尤其適用于對(duì)軟弱圍巖的變形監(jiān)測(cè)。

2.2.8 超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)[16]

利用超聲波在巖體中傳播，測(cè)試其聲波能量衰減特性，從而監(jiān)測(cè)巖體的變形，這種技術(shù)目前還處于探究階段。由于圍巖中聲波傳播要發(fā)生幾何衰變和物理衰減，圍巖體中不同的結(jié)構(gòu)面上聲波將發(fā)生折射、散射和熱損耗等現(xiàn)象，能量不斷衰減，波速降低，因而可以此監(jiān)測(cè)其巖體變形情況。

2.2.9 多通道無(wú)線(xiàn)遙測(cè)法[17]

由于近年來(lái)位移無(wú)線(xiàn)遙測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與進(jìn)步，在礦山地質(zhì)等需要測(cè)量位移的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用該方法對(duì)圍巖位移變化的測(cè)量，主要是經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，使裝在無(wú)線(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置中的容柵式位移傳感器輸出不同通道的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用數(shù)字化傳輸，因此抗干擾性好，有效提高了測(cè)量精度。由于使用了專(zhuān)用調(diào)制解調(diào)器和電容式位移傳感器，采用便攜機(jī)遙測(cè)，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

2.2.10 近景攝影測(cè)量法[18]

由于數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的分辨率提高很快，用于巷道圍巖變形測(cè)量，形成了“近景攝影測(cè)量技術(shù)”。該方法是通過(guò)多次對(duì)巷道圍巖進(jìn)行攝影來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用“高分辨率像機(jī)獲取測(cè)量對(duì)象的數(shù)字影像對(duì)，配合使用GPS和全站儀，可方便地測(cè)量控制點(diǎn)、攝像機(jī)點(diǎn)位及像控點(diǎn)的二維坐標(biāo)。

3 主要觀(guān)測(cè)方法應(yīng)用前景

縱觀(guān)主要的觀(guān)測(cè)方法及發(fā)展情況，目前除了常規(guī)的收斂計(jì)觀(guān)測(cè)方法，新的觀(guān)測(cè)方法有逐漸向智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

主要觀(guān)測(cè)方法應(yīng)用前景概括如下：

(1) 傳統(tǒng)的收斂計(jì)測(cè)量法，在簡(jiǎn)便的情況下仍在使用，應(yīng)用的范圍和時(shí)間受環(huán)境條件限制，一般用于巷道斷面和頂?shù)装逯g以及水平位移的簡(jiǎn)易測(cè)量，尤其對(duì)于礦山巷道圍巖穩(wěn)定性方面的簡(jiǎn)單觀(guān)測(cè)，具有一定的實(shí)用性。目前新型收斂計(jì)在測(cè)力部分等方面有較大改進(jìn)，包括使用電子數(shù)字顯示，逐步向半自動(dòng)及智能化方向發(fā)展。

(2) “多通道無(wú)線(xiàn)遙測(cè)技術(shù)”較有發(fā)展?jié)摿?。未?lái)幾年，遙感科技正在走向定量化、自動(dòng)化與實(shí)用化，“GPS”和“GLONASS”兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的技術(shù)水平、精度和抗干擾能力大幅度提高。遙感觀(guān)測(cè)技術(shù)向多平臺(tái)、多通道、多角度和“高分辨率”、“高光譜”、“高時(shí)相”的“三高”方向發(fā)展。無(wú)地面控制遙感影像定位技術(shù)也許會(huì)不久將應(yīng)用于位移觀(guān)測(cè)。

(3) 鑒于地下巖土工程環(huán)境的復(fù)雜性，巷道收斂觀(guān)測(cè)將會(huì)逐步從人為操作，轉(zhuǎn)向機(jī)器自動(dòng)化操作。Georobot收斂觀(guān)測(cè)技術(shù)，在現(xiàn)階段已有應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將會(huì)從儀器的造價(jià)、數(shù)據(jù)的精確度、惡劣環(huán)境的適應(yīng)程度等方面進(jìn)行改進(jìn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，位移觀(guān)測(cè)方面在不久的將來(lái)，“Georobot”等新型技術(shù)，結(jié)合礦山數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)展，將成為巷道收斂觀(guān)測(cè)的重要技術(shù)手段。

此外，近景攝影測(cè)量技術(shù)，特別是二次攝影觀(guān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了室內(nèi)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在特定的試驗(yàn)條件下驗(yàn)證了該方法的可行性。由于成本與技術(shù)操作等方面的優(yōu)勢(shì)，二次攝影技術(shù)將成為未來(lái)幾年最有研究?jī)r(jià)值的巷道收斂觀(guān)測(cè)技術(shù)之一。

4 結(jié) 論

由于現(xiàn)代巖石力學(xué)及測(cè)量與監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)采礦等地下工程的圍巖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前取得了飛速發(fā)展。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外目前主要的圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的比較，分析結(jié)果為：在巷道收斂觀(guān)測(cè)過(guò)程中，鋼尺測(cè)量?jī)x器、全站儀、經(jīng)緯儀、巴塞特收斂觀(guān)測(cè)系統(tǒng)、光纖觀(guān)測(cè)法等常規(guī)測(cè)量方法，是日常廣泛使用的技術(shù)手段，在目前較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將使用；而其它新的觀(guān)測(cè)技術(shù)，諸如“Georobot”觀(guān)測(cè)技術(shù)、“圍巖失穩(wěn)聲光電集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”、“激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)法”、“超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)”、“多通道無(wú)線(xiàn)遙測(cè)技術(shù)”，以及“近景攝影測(cè)量”等，由于成本等方面的原因，目前應(yīng)用相對(duì)較少，但發(fā)展前景較為樂(lè)觀(guān)。

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