隧道及地下工程測試技術
正文
用量測元件和儀表研究地下結構和圍岩相互作用的手段。它包括計畫、方法、量測儀表設備、數據處理和成果分析等方面的工作。其任務是對某一具體工程進行觀測和試驗，將量測數據進行分析，以評價圍岩的穩定性和地下結構的工作性能，為設計和施工提供資料；並在驗證和發展隧道及地下工程的設計理論，以及新的施工技術方面提供可靠的科學依據。測試包括現場量測和模型試驗兩個方面。現場量測 在工點實測圍岩性狀和動態，以及支護系統的工作特性。圍岩的各種地質因素是複雜的，只有在坑道開挖過程中通過觀測和量測才能較真實地了解。
現場量測的作用 有下列四點：①及時掌握圍岩變化的動向和支護系統的受力情況，為驗證和修改設計提供信息；②根據量測資料，修正施工方案，指導施工作業。例如新奧法就是在施工中進行系統的量測，並將量測結果反饋到設計和施工中，逐步修改初步設計，以適應圍岩條件；③預計工程事故和安全報警；④在地下結構物運用期間進行長期觀測，收集和積累圍岩與支護系統長期共同工作的有關資料，並檢驗建築物的可靠性。
現場量測內容 主要包括：①岩土力學性能的現場試驗。指在現場進行直剪試驗、變形試驗和三軸強度試驗，以測定岩土的粘結力、內摩擦角、變形係數、彈性抗力係數（見土工試驗和現場原型觀測、岩體力學試驗和測試）。②隧道施工期間洞內狀態觀測。隨著開挖工作面的推進及時測繪岩性、岩質、地質構造、水文地質情況的變化,觀測支護系統變形和破壞情況。③隧道(洞室）斷面變形量測。是量測洞壁的絕對位移和相對位移。如量測拱頂、拱腳、牆底的下沉量和底板隆起量，最大水平跨度的變化和洞壁其他兩測點的間距變化──收斂量測。根據位移量、位移速度及洞壁變形形態，評價圍岩的穩定性，初期支護設計、施工的合理性，確定二次襯砌結構斷面尺寸和修築時間。斷面變形量測可採用精密經緯儀或水準儀、收斂計等進行。④圍岩應變和位移量測。用量測錨桿和位移計進行。沿量測錨桿附上應變計,在圍岩不同深度設定應變測點,量出錨桿各測點的應變並推算錨桿的軸力，亦可量出圍岩不同深度的相應應變。若同時在坑道周邊圍岩埋設多點位移計，可測出洞壁與圍岩測點之間和圍岩各測點相互間的相對位移。從圍岩應變和位移量測，可估計隧道周邊的圍岩鬆動範圍，並校核錨桿的設計參數。⑤支護系統和襯砌結構受力情況量測。通過埋設應變計或壓力感測器，了解支護系統和襯砌結構的內部應力，以及圍岩和支護系統或襯砌界面之間接觸應力的大小和分布。此外，還可在隧道施工前或施工初期進行錨桿抗拔試驗，以確定錨桿的合理長度和錨固方式。⑥地表沉陷量測。是淺埋隧道必不可少的項目。地表沉陷量與覆蓋土石的厚度、工程地質條件、地下水位，以及周圍建築物等有關。它的測點布置宜和隧道斷面變形量測在同一個試驗段，一般都應超前於開挖工作面布置測點進行量測。⑦地層彈性波速度測定。量測彈性波在岩土中的傳播速度。在彈性體上施加一個瞬間的力，其內則產生動應力和動應變，使施力點（震源）周圍的質點產生位移,並以波的形式向外傳播,形成了彈性波。其傳播速度與介質密度、彈性常數有關。彈性波可分為縱波（p波）和橫波（s波）。它們的傳播速度公式為
由於岩土中的各種物理因素的改變（如岩土的性質、密度、裂縫等）都會引起彈性波傳播特性（波速、波幅、頻率）的變化。因此，可在岩土中用測定彈性波傳播速度方法推斷岩土的動彈性模量，岩土強度、層位和構造，坑道周邊圍岩鬆動範圍等。按激振的頻率，彈性波測定可分為地震法（幾十到幾百赫）、聲波法（幾千到20千赫）和超音波法（超過20千赫）。隧道和地下工程中常採用聲波法。根據測點的布置，可分為單孔法（也稱下孔法）和雙孔法（也稱跨孔法）。通過聲波儀測出聲波在岩土中由發射探頭到接受探頭的時間，就可算出波速（見工程地球物理勘探）。
除上述內容外,必要時還可對其他參數(如地溫、濕度、洞內風速、空氣中粉塵及有害氣體的含量等環境因素的參數)進行測定。
在選用實現上述量測內容的各種量測儀表和元件時，必須使它們能適應地下坑道工作場地狹窄、潮濕、多塵的條件，並要滿足較長期使用的效能。
在制定現場量測計畫時，要根據隧道（地下工程）的用途和工程規模、地質資料、現場環境及各測量項目的作用，考慮到工點所需解決的問題和量測計畫的經濟效益，選擇合理的量測項目。隧道施工期間，洞內狀態的觀測是日常施工管理所必須進行的項目，是修改設計和施工方法的主要依據，需要細心觀察和測量，並應按要求格式將量測資料整理記錄存檔。此外，洞壁變形是由圍岩應變與位移引起圍岩動態變化的集中表現，它反映了圍岩與支護結構共同工作的受力特性。因此，隧道（洞室）斷面變形量測是非常重要的，是施工監控的必測項目。
在施工期進行施測時,應根據各項量測值的變化,各量測項目的相互關係等，並結合開挖後圍岩的實際情況進行綜合分析，將所得結論和推斷及時反饋到設計和施工中去，以確保工程的安全和經濟，並供今後的類似工程參考套用。
模型試驗 用某些材料仿照原型（真實隧道襯砌結構,或包括結構周圍一定範圍的岩土介質）製作模型,進行室內試驗，是研究隧道及地下結構受力機理的一種手段。由於模型試驗能進行破壞性試驗，它不僅能了解支護和襯砌結構在不斷增長的荷載作用下變形的發展過程，而且能了解它的極限承載能力和破壞形態，同時模型比原型小，能節約材料、勞力和時間，又避免了施工干擾。模型試驗一般包括模型的設計、製作、測試、以及成果分析和總結等。
模型設計 按照相似原理，研究相似準數，從而得到模型和原型相對應物理量的相似常數。若在靜力場中選定應力相似常數Cσ＝σm/σp＝1（式中 σm為模型應力；σp為原型應力），則其相應的單位面力量綱的物理量之比都等於1,如彈性模量、抗壓強度等。這樣採用原型材料作模型材料，或用和原型材料性質相近的材料製作模型，都可以進行超出彈性範圍直到破壞的試驗。
模型材料 製作模型的材料應達到下述要求：①物理力學性能和原型材料相似。若進行圍岩和襯砌的共同工作或圍岩的破壞情況的試驗，應特別注意滿足強度相似關係。②物理力學性能穩定，不隨大氣溫度、濕度變化而有較大的改變。③滿足量測要求。如模型的變形量易於測出，而且能保證精度。④制模成型方便，凝固時間短，成本低。
通常採用同等強度的細石子混凝土，或用石膏來模擬原型混凝土或噴射混凝土。模擬襯砌周圍的岩土，常為混合料，由膠結材料（如石膏、石蠟、凡士林等）和骨科（如砂等）組成。
模型施測 在專門的載入裝置中進行，如立式靜力台架（圖1）、臥式靜力台架（見彩圖）和爆炸動荷載試驗用的模爆器專用設備等。
隧道及地下工程測試技術
隧道及地下工程測試技術靜荷載試驗量測項目主要是模型指定部位的應變、位移和壓力。動荷載試驗要測的動參數有振幅、頻率（或頻率譜）、速度、加速度和動變形等。根據試驗的目的，在模型上布置測點，各類測點安置相應的感測器（如位移感測器、加速度感測器等）。室內試驗時更有條件將各測點接到測量控制台，用磁帶進行系統量測記錄，並用電子計算機進行處理。
光彈模型試驗 研究隧道與圍岩處於彈性範圍的應力分布狀況，還可採用光測彈性法或雷射全息光彈法。光測彈性法是將一些透明的材料（環氧樹脂、賽璐珞、玻璃等）做成模型。利用偏振光測定在荷載作用下模型中彈性變形的應力。這是由於模型在偏振光場中，能得到具有明暗相間條紋的應力光圖（圖2）,即得到等差線和等傾線，再根據模型材料的應力光學常數及模型厚度，可推算各處的最大剪應力值及其主應力方向，從而得到模型的應力分布狀況。用雷射全息光彈法，既能作等差線和等傾線，又能作等和線，並用全息攝影記錄（見材料力學實驗）。用光測法測定非連續介質和塑性狀態的應力情況的試驗工作也正在發展。
隧道及地下工程測試技術主要包括：①確定所量得的物理量的具體數值，即誤差分析。找出最接近真值的代表數據，並鑑定它的精度。②求出有關物理量的數量關係，即建立試驗公式或經驗公式──回歸分析，從而將量測結果反饋到設計、施工和理論研究中去。
採用模型試驗和現場量測，對同一研究任務可以互相對照比較，起到更好的效果。
