摘要:文章通過某水電站施工工程,證明觀測精度可以控制在0.5mm以內,觀測數據能夠滿足監測精度的要求,可以對圍巖和支護系統的穩定狀態進行有效監控,為初期支護和二次襯砌的設計參數調整提供依據,并對施工期間的安全生產起到了重要作用。

　　關鍵詞: 水電站,引水隧洞,圍巖變形,監控,斷面,測點,埋設

　　1 概述

　　1.1 工程概況

　　某水電站為3級電站,屬中型工程,電站裝機65MW,電站由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐等部分組成。引水發電隧洞位于攔河大壩右岸,全長8433m,為一直徑6.5m、7.0m的圓形壓力洞,隧洞開挖洞徑為7.5m,隧洞穿過地層以灰巖、粉砂巖、白云巖為主,巖體大部分呈弱～微風化狀態,少部分呈強～弱風化。

　　1.2 現場監控量測的目的

　　對隧道圍巖變形進行實時測量，并對監測結果及時進行分析，采用新奧法施工是保證施工安全、合理確定隧道支護不可缺少的重要工作。是信息化控制、施工得以實施的基礎和技術保障，越來越成為設計和施工的連接點和必要環節。

　　1.3 鋼尺式收斂計的優點

　　鋼尺式收斂計, 結構簡單、緊湊合理、操作方便; 恒力以線重合指示，百分表、鋼尺直讀書測值; 廣泛用于地下工程中洞室的圍巖位移測量。在隧洞開挖中,由于施工干擾較大,用收劍計測試隧洞的收斂變形最為適用。文中主要針對小斷面隧洞施工特點,采用鋼尺收斂計便于觀測的特點,對隧洞變形進行監測,以獲取連續的數據進行分析,對圍巖和支護系統的穩定狀態進行監控,為初期支擴和二次襯砌的參數調整提供依據,以確保施工安全。

　　2 現場監控量測的內容和斷面選擇

　　根據電站引水隧洞地質和施工特點,施工過程中的監控量測以圍巖收斂監測為主,主要服務于開挖施工過程中支護參數調整。依據施工進度和圍巖情況,有重點、有選擇地進行監測斷面的布設。

　　3 測點布置

　　電站引水隧洞開挖施工采用分層開挖的方式,分為上、下兩層進行,自上向下分層高度依次為6m、1.5m,先進行上部開挖及支護,完成后再轉入下部開挖施工。針對上述施工特點,隧洞施工期量測與之相適應,不同時期的監測重點各不相同。

　　在上部開挖過程中,主要以靠近掌子面和不良地質段圍巖為收劍監測為主,收斂測點布置見圖1。

　　圖1 引水隧洞上部收斂監測測點布置示意圖

　　1號測點布置在隧洞正頂拱位置,2號、3號測點分別布置在隧洞左右起拱處,必須保證1號、2號、3號測點在同一斷面上,且2號、3號測點在同一高程上。

　　在隧洞轉入下部工挖時,需在上部開挖底高程以上0.5m左右增設兩個測點,從而由3條收斂測線增加至6條,其中兩條為水平收斂測線。如圖2。

　　圖2 引水隧洞開挖順序和收斂測點布置示意圖

　　4 測點的埋設及觀測頻次要求

　　觀測斷面應盡可能靠近開挖掌子面,距離不大于2m。一般情況下,當掌子面距觀測斷面1.5-2倍的洞徑時,“空間效應”基本消除,距離掌子面越遠,圍巖位移釋放量越大,因此,測點埋設應盡可能靠近掌子面。

　　埋設時首先清除埋設處的松動巖石,再用和膨脹螺栓相同規格的沖擊鉆垂直洞壁鉆孔,其深度不小10cm,膨脹螺栓頭必須加工成圓形,以方便觀測時收斂計掛鉤。同時,埋設的膨脹螺栓必須牢固,以保證觀測的準確性。

　　變形觀測點的布設應緊跟掌子面推進,根據設計要求布設觀測點,一般為每5～10m為一個測量斷面,根據開挖圍巖所揭露的地質情況,可進行調整,對于不良地質段則應加密觀測斷面,對于掌子面附近的觀測,觀測完畢后應及時對觀測掛鉤進行防護,并做好位置標記,以免開挖爆破和噴射混凝土對其損壞和覆蓋。

　　在監測時期,從圍巖開挖至襯砌支護完成后60d,監測頻次從密至疏,并且不少于30個測次。量測時間間隔如表1。

　　表1 引水隧洞開挖現場收斂量測頻次要求表

　　5 觀測方法

　　收斂測量方法采用固定測量法。測量時以1個斷面為1個單元,利用鋼尺式收斂計直接進行測量。鋼尺式收斂計讀數主要由鋼尺和游標卡尺讀數兩部分相加之和。鋼尺的最小單位為cm,游標卡尺最小單位為1%mm。在現場觀測時,首先用標桿將鋼尺式收斂計一端掛至人不易到達的觀測點的膨脹螺栓上,帶讀數表的另一端掛在方便觀測人員易讀數的觀測點上。掛好之后,收緊收斂計,使鋼尺和收斂計繃直,最佳效果是無垂度,然后由專人進行讀數,每讀一次需放松收斂計,再收緊,連續讀取3次,取其平均值作為該條收斂測線的距離的計算值。每條收斂測線的距離每測回值不大于0.3mm,或根據兩相鄰兩測回值判斷該收斂斷面變形情況,以提供該部位圍巖合理的支護方案。

　　利用每個測點的位移通過近似計算可求得收斂量。

　　近似計算的3條假設為:①洞壁輪廓線上的位移為徑向位移,切向位移忽略不計;②基線的角度變化不計。若有較大切向位移時(一般在隧洞的某側存在軟弱夾層時),則另設位移量計算;③拱頂測點的位移為垂直向位移,即為拱頂下沉。

　　水電站隧洞工程采取軸對稱三角形法進行計算。采用鋼尺式收斂計觀測的圍巖相對收斂量是兩測點的位移變化,即兩測點位移之和。兩測點各自的位移,可以通過近似的分配計算求得。具體計算方法如下所述。

　　引水隧洞的測點布置為軸對稱三角形,其測點位移計算方法如圖3。

　　圖3 軸對稱三角形測點位移計算圖

　　ΔA=h-ht ΔB=Ib-Ibt ΔC=Ic-Ict

　　式中: ΔA、ΔB、ΔC分別為3個測點的位移,a、b、c和at、bt、ct分別為3條基線初始長度和t時刻的長度。

　　Ic=(a2+c2-b2)/2a

　　Ib=a-Ic

　　h=(c2-Ib2)/0.5

　　其次:

　　Ict=(at2+ct2-bt2)/2at

　　Ibt=at-Ict

　　ht=(ct2-Ibt2)/0.5

　　6 監控量測數據分析

　　在隧洞施工時,收斂變形量測是最重要的監測手段,通過對隧洞收斂變形曲線的分析,了解隧洞圍巖的穩定性。在新奧法施工中,可以根據所獲得的收斂變形數據確定合理的支護方案。

　　當地質條件、隧洞尺寸和形態、施工方法等確定后,圍巖的位移主要受空間和時間兩種因素的影響,因此圍巖位移存在“時間效應”和“空間效應”的影響。“空間效應”是指掌子面的約束作用產生的影響,“時間效應”是指掌子面約束作用解除后,收斂位移隨時間的延長增大的現象。這兩種效應是圍巖穩定情況的重要標志,可用來判斷圍巖的穩定情況,確定支護時機,推算位移速率和最終位移值。

　　7 資料整理

　　引水隧洞圍巖收斂觀測記錄應包括:工程名稱、觀測段和觀測斷面及觀測點編號與位置、觀測時間、基線長度、觀測點高程及坐標、觀測時的環境溫度、觀測斷面與掌子面的距離等。

　　現場觀測記錄應在24h內及時進行校核、整理。觀測資料的及時整理,有利于及時糾錯和跟蹤分析。及時整理觀測資料,繪制收斂量和時間的關系曲線、收斂量與開挖掌子面距離的空間變化關系曲線、位移速率變化的時空關系曲線以及斷面的位移分布圖。以便掌握圍巖變形的“時間效應”和“空間效應”。并及時將成果以觀測日報、周報、月報的形式報送監理。如發現異常情況,立即通知發包人、設計單位、監理工程師。

　　8 結束語

　　鋼尺式收斂計收斂變形測量,較大的解決了施工干擾大,觀測困難的缺點。通過實際工程證明,觀測精度可以控制在0.5mm以內,觀測數據能夠滿足監測精度的要求,可以對圍巖和支護系統的穩定狀態進行有效監控,為初期支護和二次襯砌的設計參數調整提供依據,并對施工期間的安全生產起到了重要作用。

　　參考文獻

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　　[2] 陳佳佳;陳偉清;工程建筑變形監測及數據處理方法探討 [A];全國測繪科技信息網中南分網第二十四次學術信息交流會論文集[C];2010年