《城市轨道交通系列教材/地下工程监测和检测理论与技术》介绍和论述了地下工程监测与检测的基础知识、基本理论和基本技术。全书共分为12章，包括测试技术基础知识及传感器原理、地下工程的特点与监测目的、地下工程监测项目及控制基准、地下工程的监测仪器、地下工程监测项目的实施方法、地下工程的声波测试技术、地下工程的无损检测技术、地面建筑物的监测技术、地下工程监测实例、地下工程监测信息反馈技术、地下工程监测的组织与实施及测量误差分析与数据处理。
《城市轨道交通系列教材/地下工程监测和检测理论与技术》可供隧道与地下工程、城市轨道交通、市政工程等专业方向的本科生和研究生教学使用，也可供从事隧道与地下工程专业的技术人员参考。
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人口的急剧增加带来了严峻的社会问题，尤其是城市建筑、环境和交通容量等已经不能适应和满足城市人口快速增长的需求。为解决城市社会与经济发展中因人口增加而带来的突出问题，地下空间资源的开发和利用得到了前所未有的重视，而以地下铁道为代表的城市轨道交通则集中体现了现代科学技术的发展水平和城市现代化的进程。地下空间资源的开发与利用需要与之相适应的科学技术作为支撑。鉴于地下工程所处环境的特殊性，其安全和质量就成为工程建设的永恒主题。而监测和检测是确保地下工程建设质量与安全和耐久的重要技术环节。
当前我国地下工程正处于蓬勃发展时期，急需大量从事地下工程监测和检测的专业技术人员。地下工程监测与检测涵盖了测量学、试验力学、土力学、岩体力学、结构力学、钢筋混凝土力学、计算机科学及土木工程设计和施工的理论和方法等学科，并以仪器仪表、传感器、测试技术等学科为技术支撑，同时融合了地下工程施工工艺和积累的工程实践经验，因此地下工程监测与检测是一门综合性和实践性很强的学科。
为满足土木工程专业的教学需要，培养既具有地下工程监测基础理论又具有工程监测与检测实践能力的专门技术人才，特编写了本教材。通过本课程的学习，学生能够全面了解和掌握地下工程监测和检测的基本知识和基本理论，旨在提高学生从事地下工程监测与检测的基本技能，服务于工程实践。
在本书的编写过程中引用了近年来国内同行在地下工程建设与科研中所取得的研究成果，在此向本书所引用参考文献的作者表示衷心感谢。此外，本书的编写还得到了科学出版社和西南交通大学地下工程系全体教师的支持和帮助，在此也一并致谢！限于编者水平，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
编著者
2012.10
目录
前言
第1章 测试技术基础知识及传感器原理 1
1.1 测试系统的组成和特性 1
1.1.1 测试系统的组成 1
1.1.2 测试系统的主要性能指标 3
1.1.3 线性系统 4
1.2 测试系统的静态传递特性 5
1.2.1 静态方程和标定曲线 5
1.2.2 静态传递特性 6
1.3 传感器原理 7
1.3.1 应力计和应变计 8
1.3.2 电阻式传感器 9
1.3.3 钢弦式传感器 16
1.3.4 电容式、压电式和压磁式传感器 18
1.3.5 测试系统选择的原则与标定 22
第2章 地下工程的特点与监测目的 26
2.1 地下工程的主要特点与施工方法 26
2.1.1 地下工程的主要特点 26
2.1.2 地下工程的主要施工方法 27
2.2 监测的目的及国内外现状 32
2.2.1 监测的目的 32
2.2.2 监测的国内外现状 32
2.2.3 监测中存在的问题 33
第3章 地下工程的监测仪器 35
3.1 监测仪器 35
3.1.1 经纬仪 35
3.1.2 水准仪 36
3.1.3 全站仪 36
3.1.4 收敛计 37
3.1.5 测斜仪 37
3.1.6 分层沉降仪 38
3.1.7 多点位移计 39
3.1.8 水位计 39
3.1.9 电阻应变仪 40
3.1.10 钢弦式频率接收仪 40
3.1.11 爆破振动监测仪 40
3.2 监测传感器 41
3.2.1 钢筋计 41
3.2.2 土压力计 42
3.2.3 孔隙水压力计 42
3.2.4 轴力计 43
3.2.5 混凝土应力计 43
3.2.6 应变计 44
3.2.7 锚杆测力计 44
3.2.8 爆破振动速度传感器 45
第4章 地下工程监测项目及其控制基准 46
4.1 地下工程主要监测项目 46
4.1.1 钻爆法的主要监测项目 46
4.1.2 盾构法的主要监测项目 48
4.1.3 明挖法的主要监测项目 48
4.2 监测控制基准的确定 50
4.2.1 控制基准确定的基本原则 50
4.2.2 地表沉降控制基准的确定 51
4.2.3 支护结构（围岩)位移控制基准的确定 54
4.2.4 明挖基坑工程变形控制基准的确定 58
第5章 地下工程监测项目的实施方法 62
5.1 常规项目的监测方法 62
5.1.1 地表沉降监测 62
5.1.2 支护体系水平位移监测 64
5.1.3 支撑轴力监测 66
5.1.4 支护结构的钢筋应力监测 67
5.1.5 支护结构混凝土应变监测 69
5 1.6 土压力的监测 69
5.1.7 孔隙水压力的监测 71
5.1.8 地下水位监测 72
5.1.9 围护结构水平位移监测 73
5.1.10 深层土体位移监测 76
5.1.11 地下管线变形监测 78
5.1.12 拱顶下沉监测 80
5.1.13 净空收敛监测 81
5.1.14 爆破振动监测 82
5.1.1 5地质状况观察和素描 8 5
5.2 地下工程的远程监测系统 85
5.2.1 近景摄影测量系统 85
5.2.2 多通道无线遥测系统 87
5.2.3 光纤监测系统 88
5.2.4 自动全站仪非接触监测系统 89
5.2.5 巴赛特(Bassett)结构收敛系统 91
5.2.6 轨道变形监测系统 91
5.3 光纤传感系统 92
5.3.1 系统简介 92
5.3.2 光纤系统组成 92
5.3.3 工作原理 93
5.3.4 光纤传感器的埋设 95
第6章 地下工程中的声波测试技术 98
6.1 声波的传播规律 98
6.2 波动方程 98
6.2.1 纵波（primary wave) 98
6.2.2 横波（secondary wave) 99
6.2.3 表面波（rayleigh wave) 99
6.3 声波探测技术 100
6.3.1 声波探测仪器及其使用 100
6.3.2 测试技术 101
6.4 声波测试在地下工程中的应用 103
6.4.1 围岩松弛带测试 103
6.4.2 利用弹性波评价岩体强度和完整性程度 104
6.4.3 岩体力学参数测定 105
6.4.4 测定张开裂隙的延伸深度 105
6.4.5 声波测井 105
6.5 声波测试在混凝土结构质量评价中的应用 106
6.5.1 结构混凝土厚度检测 106
6.5.2 混凝土中空洞的检测 107
6.5.3 混凝土裂缝检测 107
6.5.4 深孔法检验混凝土质量 108
6.5.5 声波测试在桩基完整性检测中的应用 108
第7章 地下工程的无损检测技术 111
7.1 概论 111
7.2 回弹法检测 111
7.2.1 回弹仪 112
7.2.2 回弹值的量测 112
7.2.4 混凝土强度评定 114
7.2.5 评定报告和有关表格 115
7.3 超声波检测 116
7.3.1 超声波检测仪 116
7.3.2 超声波传播时间即声时值的测量 118
7.3.3 测区声速值计算 118
7.3.4 混凝土强度评定 118
7.4 超声回弹综合检测 119
7.4.1 测试仪器 119
7.4.2 回弹值的测量与计算 119
7.4.3 超声值的测量与计算 119
7.4.4 测区混凝土强度换算值 119
7.4.5 结构或构件的混凝土强度推定值 120
7.5 地质雷达监测技术 120
7.5.1 地质雷达原理及特点 120
7.5.2 地质雷达仪器及其发展 121
7.5.3 地质雷达数据采集的最优化分析 122
7.5.4 地质雷达图像解释 126
7.6 常见特殊地质体的地质雷达图像特征 128
第8章 地面建筑物的变形监测 133
8.1 工程建筑物变形监测 133
8.1.1 变形监测的含义 133
8.1.2 建筑物变形监测的项目 134
8.1.3 沉降的原因及种类 134
8.2 变形监测的周期及其精度 135
8.2.1 变形监测的周期 135
8.2.2 变形监测的精度 136
8.2.3 高程控制网的建立及沉降监测 137
8.2.4 变形监测平面控制网的建立 142
8.3 建筑物的倾斜监测 144
8.3.1 直接测定建筑物倾斜的方法 144
8.3.2 测定建筑物基础相对沉降的方法 146
8.3.3 液体静力水准测量方法 146
8.4 建筑物裂缝与挠度监测 147
8.4.1 裂缝监测 147
8.4.2 挠度监测 148
第9章 地下工程监测实例 150
9.1 南京地铁1号线某盾构区间隧道工程监控 150
9.1.1 工程概况 150
9.1.2 监测项目及控制标准 150
9.1.3 监测结果分析 151
9.1.4 监测信息反馈 159
9.2 广州地铁1号线某区间隧道工程监测 160
9.2.1 工程概况 160
9.2.2 监测项目及控制基准 160
9.2.3 监测结果分析 161
9.2.4 监测信息反馈 167
第10章 地下工程监测的信息反馈技术 170
10.1 信息反馈的目的及内容 170
10.1.1 信息反馈的目的 170
10.1.2 信息反馈的内容 170
10.2 监测数据的处理方法 171
10.2.1 散点图与回归分析法 171
10.2.2 位移监测数据分析中常用的回归函数 174
10.3 信息反馈 175
10.3.1 监测反馈的程序 175
10.3.2 收敛约束法 176
10.3.3 参数控制法 176
10.3.4 工程类比法 178
10.3.5 有限元法 180
10.3.6 反分析法 183
10.4 稳定围岩与支护结构的技术措施 185
10.4.1 钻爆法施工的围岩与支护结构稳定技术措施 186
10.4.2 盾构法施工时围岩与支护结构的稳定措施 193
10.4.3 明挖法施工时地层与围护结构的稳定措施 196
第11章 地下工程现场监测的组织与实施 199
11.1 监测方案的编制 199
11.1.1 监测方案的设计原则 199
11.1.2 监测项目的确定 199
11.1.3 监测方案的编制 200
11.1.4 监测方案的主要内容 200
11.1.5 编制监测方案的基础资料 200
11.2 监测的组织与实施 201
11.2.1 监测的前期准备 201
11.2.2 监测工作的实施 202
11.3 监测资料的整理与分析 205
11.3.1 监测资料的种类 205
11.3.2 监测数据的整理 206
11.3.3 监测数据的分析与反馈 206
第12章 测量误差分析与数据处理 207
12.1 概述 207
12.2 测量误差及其分类 207
12.2.1 误差分类 208
12.2.2 精密度、准确度和精度 208
12.3 单随机变量的数据处理 209
12.3.1 误差估计 209
12.3.2 误差的分布规律 210
12.3.3 可疑数据的舍弃 211
12.3.4 处理结果的表示 212
12.4 多变量数据的处理 214
附录A 侧区混凝土强度值换算表 217
附录B 泵送混凝土测区混凝土强度值换算表 227
主要参考文献 236
1．1测试系统的组成和特性
没有试验和测试技术就没有科学，科学技术的发展需要试验和测试技术加以支撑。试验与测试技术和科学在各自发展与相互促进的对立统一关系中不断发展。现代科学研究的方法包括理论分析、试验测试和数值计算，因此，试验与测试技术是构成科学研究的重要方法之一。
现代测试技术包括测量和试验技术，是研究测试与试验技术的规律、方法、原理及其应用的一门学科。随着现代科学技术的快速发展和生产水平的提高，各种测试技术已越来越广泛地被应用于各种工程领域和科学研究当中。测试技术水平的高低已经成为衡量一个国家科学技术现代化的重要标志之一。现代测试技术的作用主要体现在四个方面：①各种参数的测定；②自动化过程中参数的监测、反馈、调节和控制；③现场实时检测和监控；④试验过程中的参数测量和分析。
现代科学技术的不断发展为测试技术水平的提高创造了物质条件，反之拥有高水平的测试理论和测试技术又会促进科技成果的不断创新。目前，随着半导体技术的新突破和大规模集成电路构成的微处理器的应用，测试技术正向高精度、小型化和智能化的方向发展，新型传感器的研制也是目前测试技术的重要内容。
只有对测试系统有一个完整的了解，才能按照实际需要设计或配置出一个有效的测试系统，以达到实际测试目的。按照信号传递方式来分，常用的测试系统可分为模拟式测试系统和数字式测试系统。
模拟式测试系统就是将被测物理量变换成电阻、电压、电磁、指针位移和记录曲线等模拟量的测试系统。而数字式测试系统就是将被测的物理量变换成二进制或十进制数码的测试系统。
1．1．1测试系统的组成
一个测试系统可以由一个或若干个功能单元组成。为一个完整的力学测试系统，它由三大部分组成，即荷载系统、测量系统、显示与记录系统。荷载系统主要由加载体系和被测对象构成，测量系统主要包括传感器、信号变换与测量电路，显示与记录系统主要包括数据处理、打印机、存储器和绘图仪等外围设备。若要以最佳方案完成测试任务，就应该对整个测试系统的各个功能单元做全面和综合的分析与研究。
一个测试系统根据测试目的和要求不同，也可以只有其中的一至两个部分，如常用的弹簧秤，它只有一根弹簧、挂钩和刻度尺，仅仅包含了测量和显示功能。
……
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