锦屏水电辅助洞施工监测技术

锦屏水电辅助洞施工监测技术

刘光福

（成都畅达通地下工程科技发展有限公司　成都　610041）

摘　要　锦屏水电辅助洞工程根据地质条件和施工方法制订了针对性的监测方案，并在特殊围岩地段采用了巴塞特测斜仪技术，取得了较好的监测效果，确保了施工安全，有效地指导了施工，修正了设计。

关键词　锦屏水电辅助洞　监测　巴塞特测斜仪

1　前　言

锦屏水电辅助洞工程属特长、深埋隧道，地质条件复杂，掌握洞室开挖后的围岩变形、稳定很重要，隧洞现场监控量测也非常重要。此外，为了工后可对隧洞进行长期监测服务，对监测元器件埋设、监测管理都做了严格要求。

2　工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山州境内雅砻江干流上，利用锦屏大河湾的310 m天然落差截弯取直，开挖隧道，引水发电。

锦屏辅助洞长约17．5 km，净高5．0 m，成洞宽6．0 m，是锦屏一级、二级水电站前期工程的关键施工项目。其作用是沟通东、西雅砻江的交通，并作为锦屏二级水电站引水隧洞的施工辅助洞，也起到超前勘探洞的作用。

该区地形标高最高处4 164m，雅砻河谷最低点1 500m（西端），高差达3 664m，地貌为深切河谷高山地貌。

场区所在区域地质构造上处于川滇经向构造体系与巨型青藏滇缅印尼歹字型构造体系复合部位西侧的锦屏山褶皱带。

区内构造复杂，经历多期构造运动，形成了以北东向的褶皱、断裂带和近南北向的逆断层、平移断层，并与褶曲相互叠加。

区内地下水含水介质类分为基岩裂隙水、碳酸盐地层中的岩溶水。区内地层主要为三叠系浅海碳酸盐沉积和少量碎屑沉积，经区域变质形成的大理岩、大理岩化灰岩约占隧洞总长的87．6%，次为砂板岩及绿泥片岩。

锦屏工程区的地形地质条件复杂，辅助洞的主要工程地质问题包括岩溶水文地质、构造、高地应力与岩爆、地温和有害气体等。在已揭露的大水沟长探洞中已碰到了各类地质问题，有些已构成较严重的地质灾害，尤以突水、突泥现象最为突出。工程区内地表岩溶虽不发育，但赋存有丰富的地下水。大水沟长探洞工程地质剖面图如图1所示。

根据辅助洞东端、西端所揭露的地质情况，采用适合于锦屏特点的JPF围岩分类进行详细围岩分类。部分洞段因发生轻微、中等岩爆、强烈—极强岩爆而降级的Ⅱb，Ⅲb，Ⅳb，Ⅴb围岩，分别占12．5%，1．4%，0．19%，0．1%。分类结果见表1。

图1　大水沟长探洞工程地质剖面图

表1　按不同岩性JPF围岩分类结果表

辅助洞洞身支护建立以围岩承载为主，衬砌及喷锚支护为辅的联合支承结构。大部洞段设计喷锚支护为永久支护，洞口、Ⅲ～Ⅳ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩及断层破碎带采用混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌。

3　监测项目

辅助洞处于大埋深、高地应力、地下水丰富、水头高、围岩类别多而完整性较差的复杂地质条件的岩层中，根据工程地质条件、施工方法、监测期制订了有针对性的监测方案。本项目开展的监测项目见表2。

表2　监测项目及量测方法

监测频率根据位移速度和监测断面距开挖面距离，分别按表3和表4确定。当按表3和表4选择监测频率出现较大差异时，按监测频率高者。

表3　监测项目测次（按位移速度）

表4　监测项目测次（按距开挖面距离）

注：B为隧道开挖宽度。

4　主要监测项目技术要点

4．1　地质和支护状况观察

在每个开挖面绘出地质素描图，遇不良地质、富水地段需辅以物探手段，超前预报，并主要进行如下工作：

①地质素描：做出掌子面地质素描图，最好也能同时做出侧墙地质素描图。

②围岩工程地质调查：

a．围岩结构面特征；

b．围岩岩性、软硬程度；

c．断层或破碎带的性质、产状和特征；

d．地下水类型、出水情况和位置；

e．围岩稳定状态观察、评价；

f．底板是否有隆起现象。

③围岩级别鉴定：每次进行掌子面素描记录后，根据对围岩工程地质特征现场调查，对围岩级别进行鉴定，并与设计对比。

④初期支护状态表观描述：初期支护状态表观描述主要包括初期支护喷射混凝土的表观质量、锚杆的外观质量和钢支架的外观质量3个方面。

a．初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝状况的描述和记录；

b．有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部现象；

c．喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏；

d．有无锚杆和喷射混凝土施工质量问题；

e．钢拱架有无被压屈现象；

f．是否有底鼓现象。

⑤观察围岩破坏形态并分析：

a．危险性不大，不会发生急剧破坏，如加临时支护之后即可稳定的情况；

b．应当引起注意的破坏，如拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩影响而出现裂隙；

c．危险征兆的破坏，如拱顶混凝土喷层出现对称性局部崩塌、侧墙位移等。

4．2　净空收敛位移

在侧墙和拱顶设置测点，利用收敛计监测隧道周边某两点相对位置的变化。

测点应距开挖面2 m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24 h内或下一次爆破前测读初次读数。

4．3　洞壁收敛位移

采用巴塞特收敛监测系统进行监测。该系统具有高分辨率、抗干扰、快速高效、坚固可靠并可遥测等优点。当隧道断面发生变形时，各臂杆经过协调运动，便将变形信息转换为一组唯一对应的转角信息，这些信息由臂杆测倾角传感器量测获取。巴赛特倾斜仪安装示意图如图2所示。

根据采集到的巴塞特观测数据和工程数据计算隧道的变形量要通过两个步骤：首先把传感器读数转化为倾斜角度，再根据长短臂倾斜角的变化计算固定点的位移值。

巴塞特收敛监测系统是一种自动化监测系统。它的后处理部分是一台安装有专用数据处理程序的微型计算机，利用各臂杆端点（即铰点转轴中心）的位置坐标、臂杆转角增量和温度增量等有关数据，计算出隧道壁面各测点（铰点）的二维相对位移量，测试成果以数据表和图形两种方式显示在屏幕上或打印生成报表。

图2　巴赛特倾斜仪安装示意图

4．4　围岩深部位移

采用多点位移计进行监测。它是一种高精度用于测量岩石钻孔的纵向位移仪器设备。

多点位移计传感器按工作原理可以分为差动电阻式与振弦式。现场监测多采用振弦式多点位移计，优点在于工作面与谐振状态，迟滞、蠕变等引起的误差小，温度使用范围宽，能适应恶劣环境。

多点位移计主要由锚头、传递杆、护管、支撑架、护筒、传感器、护罩及灌浆管组成。其工作原理是当钻孔内各个锚固点（测点）的岩体产生位移时，经过传递杆传到钻孔的基准端，各点的位移量均可在基准端量测，基准端与各个测点之间的位置变化即是测点相对于基准的位移。当最深的锚头固定在岩体变形范围之外，并以它为基准点，我们称之为不动点，这样就可以量测出岩体的绝对变形。

多点位移计的埋设有在掌子面前与后两种埋设方式。在临近开挖面时或在导洞内预先埋设，这样能监测到开挖后的全过程变形，但代价较高。在掌子面埋设即到开挖面以后埋设，已经发生了部分位移。多点位移计安装示意图如图3所示。

图3　多点位移计安装示意图

4．5　锚杆应力

采用等强、等长度、等直径的监测锚杆代替施工锚杆，埋设在拱顶、拱腰、拱脚等部位。通过量测锚杆应力可以了解锚杆的受力情况及支护效果，也可以间接了解围岩的变形与稳定状态。常用的锚杆应力计有差动电阻式和振弦式，现场多采用振弦式。锚杆应力计的计算公式：

σ＝［G·（R_t－R₀）＋K·（T_t－T₀）］/S

式中，σ为应力计的应力值，MPa；G为钢筋计仪器系数；K为温度影响系数；R₀，T₀分别为基准频率与基准温度；R _t，T _t分别为t时刻的频率和温度；S为锚杆截面积。

5　数据采集处理

监测数据是在一定的数据采集环境下，对监测对象的一种量化表示。所以在数据采集时应注意以下几点：

①监测数据的连续采集必须与设计、监测设计意图相统一。

②对一组数据则主要评价其整体趋势。

图4　位移变化速率的确定

③明确仪器本身的物理偏差、量程和使用寿命。

由于各种可预见或不可预见的原因，现场监测所得的原始数据具有一定的离散性，必须进行误差分析、回归分析和归纳整理等去粗存精的分析处理后，才能很好地解释监测结果的涵义，充分地利用监测分析的成果。图4是根据监测得到的位移—时间数据做过滤处理，散点图经光滑拟合后得到时间—位移函数u＝f（t）图形曲线，通过计算该函数在时刻t的一阶导数d u/d t值，即为该时刻的位移速率。

从理论上说，设计合理、可靠的支护系统应该使一切表征围岩与支护系统力学形态的物理量随时间而渐趋稳定，反之，如果测得表征围岩或支护系统力学形态特点的某几种或某一种物理量，其变化随时间而不是渐趋稳定，则可以断言围岩不稳定，支护必须加强，或需要修改设计参数。

6　信息反馈

鉴于隧道与地下工程的外荷体系分布和量值很难准确确定，设计是建立在若干假定条件下。试验性研究，特别是隧道现场监控量测，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题的一种重要手段和主要途径，尤其以掌握施工安全状况，监视支护衬砌结构的险情为首要任务。

现场监控量测根据量测结果或回归分析数据来判断围岩的稳定性和支护系统的工作状态。在施工监测过程中，数据“异常”现象的出现可以作为调整支护参数和采取相应施工技术措施的依据。何为“异常”，这就需针对不同的工程条件（围岩地层、埋深、隧道断面、支护、施工方法等）建立一些根据量测数据对围岩稳定性和支护系统的工作条件进行判断的准则。如以位移监测信息作为施工监控的依据，则判断围岩稳定性的依据应为位移量和位移速率，因此针对工程实践的具体情况规定容许位移量与容许位移速率值，是进行施工监控的基础工作。

容许位移量，是指在保证隧洞不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，自隧洞开挖起到变形稳定为止。在隧洞开挖过程中若发现监测到的位移总量超过该值，或者根据已测位移预计最终位移将超过该值，则意味着围岩不稳定，支护系统必须加强。容许位移速率，是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，隧洞壁面间水平位移速度的最大容许值。它们与岩体条件、隧洞埋深及断面尺寸等因素有关。

现场监测到的位移—时间曲线也是判断围岩稳定性的一种方法，可能出现三种形态：对于隧洞开挖后在洞内测得的位移曲线，如果始终保持变形加速度小于0，则围岩是稳定的；如果位移曲线随即出现变形加速度等于0的情况，亦即变形速度不再继续下降，则说明围岩进入“蠕变”状态，须发出警告，及时加强支护系统；但位移出现变形加速度大于0的情况，则表示已进入危险状态，须立即停工，进行加固。

在隧洞施工险情预报中，应同时考虑收敛或变形速率、相对收敛量或变形量及位移—时间曲线，结合观察到的洞周围岩喷射混凝土和衬砌的表面状况等综合因素做出预报。隧洞位移或变形速率的骤然增加往往是围岩破坏、衬砌开裂的前兆，当位移或变形速率的骤然增加报警后，为了控制隧洞变形的进一步发展，可采取停止掘进、补打锚杆、挂钢筋网、补喷混凝土加固等施工措施，待变形趋于稳定后才可继续开挖。

7　结束语

①锦屏水电枢纽交通辅助洞洞身长、埋深大、初始地应力大，保证洞室开挖后的稳定非常重要，特别是千枚岩、板岩地段，洞室开挖后把握边墙的稳定性非常关键。监测采用巴塞特测斜仪收敛监测系统对隧洞全轮廓变形进行连续监测，解决不连续面造成的变形不均匀性监测问题。

②通过采用多种监测手段对隧洞周边和围岩内的位移和应力作监测，达到了监测结果的相互印证。特别是通过巴赛特测斜仪技术这一新型监测手段，证明了其在隧洞施工监测的适用性和有效性。

参考文献

［1］吴世勇，张春生，等．雅砻江锦屏二级次水电站——世界上规模最大的水工隧洞工程［J］．现代隧道技术，2004（增刊）．

［2］刘志刚，赵勇．隧道隧洞施工地质技术［M］．北京：中国铁道出版社，2001．

［3］岳建平，田林亚．变形监测技术与应用［M］．北京：国防工业出版社，2007．

［4］二滩水电开发有限责任公司．岩土工程安全监测手册［M］．北京：中国水利水电出版社，1999．

［5］陈建勋，马建秦．隧道工程试验检测技术［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［6］王毅才．隧道工程［M］．北京：人民交通出版社，2006．

［7］孙汝建．国外岩土工程监测仪器［M］．南京：东南大学出版社，2006．