岩土工程监测在地质灾害评价预测中的应用.pdf

第27卷 增刊 成 都 理 工 学 院 学 报 Vol. 27Suppl. 2000年11月JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNov. 2000 [文章编号]1005295392000增刊20217204 岩土工程监测在地质灾害评价预测中的应用 Ξ 靳晓光 王兰生 沈军辉 成都理工学院工程地质研究所,成都 610059 [摘要] 在论述岩土工程监测技术发展及应用状况的基础上,提出了岩土工程监测系统建立 的原则,分析了基础地质信息的重要性。结合川藏公路二郎山隧道工程实例,分析了岩土工程 监测在围岩大变形、 岩爆、 滑坡等地质灾害评价预测中的应用。 [关键词] 岩土工程监测,大变形,岩爆,滑坡 [分类号] X4 [文献标识码] A 1 岩土工程监测技术发展及应用状况 自50年代末期以来,现代科技成就,特别是电 子技术和计算技术的成就被引用到岩土工程中来, 极大地推动了勘察测试技术和岩土构筑物以及地基 设计理论与方法的进展魏道垛,孙福,1998。作为 岩土工程重要内容的岩土工程监测技术包括监测 手段、 方法与工具的发展与进步,加速了信息化施 工的推行,反过来又迅速提高了人们对岩土设计方 法和理论的认识。 岩土工程设计原则正从强度破坏极限状态控制 向着变形极限状态或建筑物功能极限状态控制发 展。目前,有一部分内容正努力试行着向新的概率 极限状态可靠性设计方法控制发展。 我国岩土工程技术新进步的一个重要在某种 意义上可能是最重要的表现是岩土工程信息化作 业融施工、 监测和设计于一体的施工方法的运行。 信息化施工原理和环境效应问题被人们所注意、 关 心,以致被接受并付诸行动。这不仅是岩土工程技 术本身的进步,更是工程界直至社会方面在岩土工 程总体意识上的更新、 进步和发展,已日益表现在着 力于岩土工程各类行为信息的监测、 反馈、 监控及其 信息数据的及时处理和技术与管理措施的及时更新 等。岩土工程监测技术的进步和发展,则是岩土工 程信息化得以实施的强有力的物质基础和技术保 障。 横览中外,岩土工程监测技术的进步和发展具 体表现在以下二个方面一是监测方法及机具本身 的进步。现代物理,特别是电子技术的成就,已广泛 应用于新型监测仪表器具中,如各种材料不同形式 的收敛计、 多点位移计、 应力计、 压力盒、 远视沉降 仪、 各类孔压计及测斜仪等的设计与制作,优化了仪 表结构性能,提高了精度和稳定性;二是监测内容的 不断扩大与完整。分析方法的不断提高,岩土体竖 向变形和侧向位移、 岩土中初始应力及二次应力、 土 体侧向压力、 基础结构内力、 接触面应力、 空隙水压 力以及施工环境诸因素和对象的反应监控等都能较 全面地得到实施。前者为后者的实施提供了技术手 段保证,而后者又促进了前者的技术更新与改进。 监测用于施工,保证和控制了施工质量,防止了事故 特别是灾难性事故的发生,保证了环境安全,使岩 土工程设计施工整体水平提到新的高度。 但是,我们必须看到,目前岩土工程监测及应用 方面还存在着一些问题,主要表现以下几点①监 测仪表器具本身,在线性、 稳定性、 重复性、 响应特性 及操作性方面还存在不少问题。②监测信息的采 集对基础地质信息重视不够,信息处理的新技术、 新 方法有待进一步的研究和发展。③在一些工程项 目中,虽然重视了岩土程监测工作,但岩土工程信息 Ξ[收稿日期] 2000201213 [作者简介] 靳晓光1967 - ,男,博士,地质工程专业,主要从事地下工程、 地质灾害防治及岩土工程监测等方面的工 作. 却没有得到充分的应用。在许多工程中,岩土工程 监测信息真正得到实际应用的不多,用以现场、 指导 生产、 解决实际问题的则更少。 2 岩土工程监测信息的采集与分析 2. 1 岩土工程监测系统建立的原则 按照工程地质综合集成理论EGMS 杨志法, 1993 ,先根据地质条件分析、 理论分析和专家群体 经验判断来确定变形敏感区、 应力集中区和可能破 坏区;再在此基础上设计监测系统。当然,在施工过 程中新产生的大裂隙和塌方的部位,一般也属于重 点监测部位。另外,为了进行对比分析,某些地质条 件或工程上十分典型的有代表性的地段虽然不属于 变形敏感区、 应力集中区和可能破坏区,但也应埋设 必要的测点。 在现场监测中应合理确定监测范围及监测点的 布置,埋设必要的量测仪器,获得数据以了解地层和 地下结构中的应力场、 位移场的实际变化规律,作为 采取工程措施的依据。位移监测点应根据地质条件 分析、 理论预测的分布规律来布置,变化越大的地 方,测点应布置得越密。离基坑或地下结构越近,测 点也应越密。土层中的水平位移、 土压力、 孔隙水压 力测点,应在预测的基础上,结合实际工程需要来布 置。应力场、 位移场变化剧烈的地方,测点间距宜小 些,而应力场、 位移场变化较小的区域,测点可以稀 疏一些。在监测点优化布置的基础上,确保监测装 置的坚固性和可靠性,按照监测方便实用,经济合理 的原则,加强关键区的重点监测。 2. 2 基础地质信息的采集与分析 基础地质信息的采集包括施工基础地质信 息 , 包括地形地貌信息,地层、 岩性、 地质构造信息, 围岩岩体类别信息等,岩土体力学性质信息等,是 合理建立监测系统,获取宏观地质资料的先决条件。 对地下工程而言,围岩分类具有特别重要的工程意 义,主要表现在 ①围岩类别的正确划分是应用工程类比分析 方法制定喷锚支护设计的首要条件; ②监控量测断面的选取,必须以围岩分类为基 础,选择有代表性的地段;③为岩石力学理论分析 服务的原位岩体力学参数试验,试件位置的选择的 选取必须以其围岩类别与计算断面一致为前提条 件,力学介质模型的选择通常与围岩类别有关; ④制定施工方案、 确定施工方法、 选择施工机 具、 计算施工定额、 安排施工计划以及工程造价估 算,工程概、 预算等,围岩分类均为其基本依据。对 地表工程如滑坡整治工程而言,控制性结构面、 岩土 体力性质等,都是重要的基础地质信息。对所获取 的基础地质信息,必须进行综合分析,充分应用到岩 土工程监测中来。 2. 3 现场量测信息的采集与处理 现场量测信息包括位移信息、 应力信息、 压力信 息等。如何采集现场量测信息以及所获得的这些信 息是否客观、 真实、 可靠,是岩土工程监测成败的关 键。目前,岩土工程监测信息的采集一般采用机械 式、 电子式和自动遥测传输等方式;信息的处理在主 要依靠传统数理统计方法的同时,引入了一些非线 性处理方法及神经网络处理技术,但研究程度还不 高,有待于进一步的研究和工程实践的检验。 3 应用实例分析 3. 1 隧道围岩的大变形及岩爆问题 目前,已近竣工的川藏公路二郎山隧道长4 176 m ,最大埋深760余米。隧道穿越泥盆系,志留系的 砂岩、 泥岩和灰岩地层,地质条件复杂,地应力高。 勘察、 设计预测表明,隧道施工过程中将会遇到一、 二、 三级大变形表 1 及强烈岩爆问题。 表1 高地应力区软岩大变形分级方案 大变形分级围岩主要工程地质条件 σHmax MPa 相对变形 估计变形量 cm 累计长度 m 一级 洞室开挖过程中围岩有较大的位移,持续时 间较长 301～2 15242 二级 洞壁位移显著,持续时间长,洞底有隆起现 象 30～402～415～3040 三级 开挖过程中洞壁岩体有剥离现象,位移显 著,甚至发生大位移,且持续时间长,洞底有 明显隆起现象 40～504～830～50223 注 据交通厅第一公路勘测设计院,1996 812成 都 理 工 学 院 学 报 第27卷 施工基础地质信息表明,原预测大变形段的岩 石单轴抗压强度为37. 62～86. 9 MPa ,并非软岩类 岩石 30 MPa ,结合地应力现场量测结果及室内 Kaiser效应成果分析,这些地段缺少发生大变形所 需的高地应力条件。 隧道周边收敛,拱顶下沉常规量测及多点位移、 TMS监测系统王兰生等,1998监测成果表明,原 设计大变形段的周边收敛和拱顶下沉趋于稳定的实 测最大位移分别为12. 0 mm和13. 25 mm ,回归最 大位移也只有49. 02 mm。最大相对变形在0. 06‰ ～5‰ 之间,设有超过有关规范允许值,更没有达到 原预测的大变形范围。因此,可以认为二郎山隧道 没有发生大变形问题。 课题组以指导施工为目的,从实践出发,采用了 改进型门塞式应力恢复法,在现场直接测试围岩的 二次应力,结合三向应力作用下岩石变形破坏的全 过程曲线进行分析,建立了σmax/ Rb σmax为二次应 力最大值,Rb为岩石单轴抗压强度与岩爆的对应 关系 ①当σmax/ Rb 0. 3时,无岩爆现象发生; ②当σmax/ Rb 0. 3～0. 5时,有轻微 Ⅰ 级岩 爆活动; ③当σmax/ Rb 0. 5～0. 7时,有中等 Ⅱ 级岩 爆发生; ④当σmax/ Rb 0. 7～0. 9时,有强烈 Ⅲ 级岩 爆活动; ⑤当σmax/ Rb 0. 9～1. 0时,有剧烈 Ⅳ 级岩 爆活动。 综合分析二郎山隧围岩二次应力的实测成果, 并计算σmax/ Rb值,发现所有岩爆段只局部σ max/ Rb 值属0. 7～0. 8范围,为强烈岩爆活动,一般为轻微 岩爆或中等岩爆。这也与现场施工实际情况相一 致。课题组及时向有关部门提供了信息,优化了施 工、 支护设计,并节省了资金。 3. 2 隧道出口西口的滑坡问题 隧道出口处的和平沟滑坡位于和平沟左岸,岩 土工程勘察及中部平台测斜孔ZK28初期岩土工 程监测1999. 2. 2～ 8. 8 都表明,该滑坡为浅表层滑 坡,未见深部滑动迹象图 1 。但是1999. 8. 8日 后,位移快速增大,于1999年9月底测斜管在19 m 处折断。同时该纵剖面最下部的另一监测孔 ZK25观测成果显示,4 m处的位移与ZK28测斜 孔19 m处位移近于等速增大图2 ,沟边片石挡墙 在 3 m 从上向下左右出现了明显的剪出缝。这些 信息表明,该滑坡在中部平台19 m处,下部4 m处 和片石挡墙3 m处已初步形成贯通性的滑动面。课 题组及时向主管部门反馈岩土工程监测信息,引起 了有关部门的高度重视。 图1 ZK28测斜孔19 m处X、Y方向位移 时间曲线 图2 ZK28、ZK25测斜孔X、Y方向合位移 时间曲线 总之,岩土工程监测信息的综合应用,为该隧道 工程建设中遇到的围岩大变形问题、 岩爆问题及滑 坡问题的评价、 预测提供了重要信息,为围岩变形、 岩力分布理论研究,提供了基础资料,为信息化设 计、 施工提供了可靠的技术保障。 4 岩土工程监测发展趋势 随着科学技术水平的不断提高,一些先进测试 仪器将不断开发研制出来,三维变形量测系统的应 用会更加广泛,自动化监测、 处理、 控制系统的实施 和应用将会发展到新的高度。总之,岩土工程监测 系统正朝着功能多样化、 数据采集自动化、 计算分析 微机化、 信息反馈控制化的方向发展。 [参考文献] [1] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[ M].北 京地质出版社,1994. 912增刊 靳晓光等岩土工程监测在地质灾害评价预测中的应用 [2] 孔福,魏道垛主编.岩土工程勘察设计与施工[M].北 京地质出版社,1998. [3] 靳晓光,王兰生,李天斌,等.川藏公路二郎山隧道洞壁 位移、 应力测试与信息化施工[J ]1 地质灾害与环境保 护,1999. Vol. 102 . [4] 靳晓光,王兰生,李天斌.地应力测量的应力恢复法试 验和数值模拟研究[J ] ,成都理工学院学报,1999 ,Vol. 263 . [5] 靳晓光 1 山区公路建设中的岩土工程监测与信息化控 制[D]1 成都理工学院博士论文,2000. THE APPLICATION OF GEOTECHNICAL ENGINEERING MONITORING TO ASSESMENT AND PREDICTION OF GEOLOGICAL HAZARDS J IN Xiao2guang ,WANGLan2sheng ,SHEN Jun2hui Insititute of Engineering Geology , Chengdu University of Technology , China Abstract Based on the present situation of development and application of geotechnical engineering monitor2 ing , the importance of basic geological ination was analyzed and the principle establishing the system of geotechnical engineering monitoring was proposed. Taking the project of Erlangshan Tunnel as example , the ap2 plication of geotechnical engineering monitoring to the assesment and prediction of geological hazards , such as large2scale deation , rock2burst and landslide , was analyzed. Key words geotechnical engineering monitoring;large2scale deation ;rock - burst ;landslide 022成 都 理 工 学 院 学 报 第27卷