围岩压力检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

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围岩压力检测：保障地下工程安全的关键环节

围岩压力检测是岩土工程、隧道工程、矿山开采及大型地下结构施工与运营安全监测的核心内容之一。围岩是指地下工程开挖后，洞室或巷道周围岩体因应力重分布而产生的应力场，对支撑结构（如衬砌、锚杆、钢拱架等）施加的作用力。准确掌握围岩压力的大小、分布及随时间的变化规律，对于工程设计优化、支护结构选型与安全校核、施工过程动态调整、运营期结构健康状态评估以及灾害预警具有至关重要的意义。通过系统化的检测与分析，可以有效预防岩爆、塌方、衬砌开裂甚至结构失稳等重大工程事故，显著提升地下工程的安全性与经济性。

主要检测项目

围岩压力检测的核心目标在于量化围岩与支护结构之间的相互作用力。其主要检测项目包括：

接触压力检测： 测量围岩与初次衬砌（如喷射混凝土层）或二次衬砌（模筑混凝土）之间的直接接触压力。
形变压力检测： 测量因围岩持续变形（如流变）施加在支护结构上的压力。
松动压力检测： 测量因围岩松动、破碎形成的松散岩体自重作用在支护结构上的压力，常在浅埋或破碎岩层中显著。
分布形态检测： 监测压力在支护结构表面（如拱顶、拱腰、边墙、仰拱）的空间分布情况，识别压力集中区或不均匀区域。
压力时程变化监测： 长期连续监测围岩压力随施工进程（如开挖面推进、支护施作）、时间（流变效应）及外部环境（如降雨、地震）的变化过程。

核心检测仪器

围岩压力的获取主要依靠安装在支护结构与围岩之间的专用传感器：

振弦式压力盒： 应用最广泛。其核心是钢弦，压力作用于承压膜上引起膜变形，拉紧或放松钢弦，改变其自振频率。通过测量频率变化量即可换算得到压力值。其优点是稳定性好、抗干扰性强、适合长期监测、信号可远距离传输。
电阻应变式压力盒： 在弹性元件（如膜片、圆筒）上粘贴电阻应变片。压力作用导致弹性元件变形，应变片电阻值随之变化，通过惠斯通电桥测量电阻变化量换算压力。灵敏度高，但易受温度、湿度及电磁干扰影响，需做好防护。
光纤光栅压力传感器： 利用光纤光栅的波长对轴向应变敏感的原理。压力作用于传感器引起光栅栅区应变，导致其反射或透射的光波长发生漂移，通过解调波长变化量即可获知压力值。具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现分布式测量（一根光纤串接多个传感器）的优点，是近年来的发展趋势。
液压式压力枕（囊）： 充满液体的扁平枕状或囊状元件。围岩压力挤压枕体，改变内部液体压力，通过压力表或压力变送器读取压力值。测量范围大，但安装复杂，长期稳定性相对较差。
数据采集系统： 包括数据采集仪（自动定时或触发读取传感器数据）、传输设备（有线/无线）、电源系统及计算机监控软件，用于数据的自动采集、存储、传输、显示与管理。

仪器的选择需综合考虑工程重要性、量程范围、精度要求、环境条件（温度、湿度、腐蚀性、电磁环境）、长期稳定性、安装便利性及成本预算。

常用检测方法

围岩压力检测的实施主要有两种方式：

直接测量法（接触式测量）：
- 在支护结构（如钢拱架、格栅拱架、预制块）安装前或安装过程中，将压力传感器（压力盒）按照设计要求（位置、方向）直接布设在预定测点，确保其承压面与围岩紧密接触。
- 随后安装支护结构，使结构体直接压靠在传感器上。这样，围岩施加的压力通过传感器直接传递并测量。
- 这是最常用、最直接的方法，能较真实地反映接触压力。
间接测量法：
- 通过测量支护结构的应变或变形，结合结构力学模型反算作用在结构上的围岩压力分布。
- 常用仪器包括表面安装或埋入式的应变计（电阻应变片、光纤光栅应变传感器）、收敛计（测量隧道断面收缩）、多点位移计（测量围岩深部位移）。
- 该方法需要精确的结构模型和边界条件假设，计算过程相对复杂，精度受模型简化程度影响大，通常作为直接法的补充或验证。