淺談某水電站引水隧洞的圍巖變形量測(cè)研究

袁士琪

摘要:文章通過某水電站施工工程,證明觀測(cè)精度可以控制在0.5mm以內(nèi),觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿足監(jiān)測(cè)精度的要求,可以對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控,為初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),并對(duì)施工期間的安全生產(chǎn)起到了重要作用。

關(guān)鍵詞: 水電站；引水隧洞；圍巖變形；監(jiān)控；斷面；測(cè)點(diǎn)；埋設(shè)

1 概述

1.1 工程概況

某水電站為3級(jí)電站,屬中型工程,電站裝機(jī)65MW,電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等部分組成。引水發(fā)電隧洞位于攔河大壩右岸,全長(zhǎng)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?guī)r、粉砂巖、白云巖為主,巖體大部分呈弱～微風(fēng)化狀態(tài),少部分呈強(qiáng)～弱風(fēng)化。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的目的

對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)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(hù)不可缺少的重要工作。是信息化控制、施工得以實(shí)施的基礎(chǔ)和技術(shù)保障，越來越成為設(shè)計(jì)和施工的連接點(diǎn)和必要環(huán)節(jié)。

1.3 鋼尺式收斂計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

鋼尺式收斂計(jì), 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)值； 廣泛用于地下工程中洞室的圍巖位移測(cè)量。在隧洞開挖中,由于施工干擾較大,用收劍計(jì)測(cè)試隧洞的收斂變形最為適用。文中主要針對(duì)小斷面隧洞施工特點(diǎn),采用鋼尺收斂計(jì)便于觀測(cè)的特點(diǎn),對(duì)隧洞變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),以獲取連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,為初期支擴(kuò)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),以確保施工安全。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容和斷面選擇

根據(jù)電站引水隧洞地質(zhì)和施工特點(diǎn),施工過程中的監(jiān)控量測(cè)以圍巖收斂監(jiān)測(cè)為主,主要服務(wù)于開挖施工過程中支護(hù)參數(shù)調(diào)整。依據(jù)施工進(jìn)度和圍巖情況,有重點(diǎn)、有選擇地進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)。

3 測(cè)點(diǎn)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(jìn)行,自上向下分層高度依次為6m、1.5m,先進(jìn)行上部開挖及支護(hù),完成后再轉(zhuǎn)入下部開挖施工。針對(duì)上述施工特點(diǎn),隧洞施工期量測(cè)與之相適應(yīng),不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)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(zhì)段圍巖為收劍監(jiān)測(cè)為主,收斂測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 引水隧洞上部收斂監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在隧洞正頂拱位置,2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)分別布置在隧洞左右起拱處,必須保證1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)在同一斷面上,且2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)在同一高程上。

在隧洞轉(zhuǎn)入下部工挖時(shí),需在上部開挖底高程以上0.5m左右增設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn),從而由3條收斂測(cè)線增加至6條,其中兩條為水平收斂測(cè)線。如圖2。

圖2 引水隧洞開挖順序和收斂測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4 測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)及觀測(cè)頻次要求

觀測(cè)斷面應(yīng)盡可能靠近開挖掌子面,距離不大于2m。一般情況下,當(dāng)掌子面距觀測(cè)斷面1.5-2倍的洞徑時(shí),“空間效應(yīng)”基本消除,距離掌子面越遠(yuǎn),圍巖位移釋放量越大,因此,測(cè)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)盡可能靠近掌子面。

埋設(shè)時(shí)首先清除埋設(shè)處的松動(dòng)巖石,再用和膨脹螺栓相同規(guī)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(cè)時(shí)收斂計(jì)掛鉤。同時(shí),埋設(shè)的膨脹螺栓必須牢固,以保證觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

變形觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)緊跟掌子面推進(jìn),根據(jù)設(shè)計(jì)要求布設(shè)觀測(cè)點(diǎn),一般為每5～10m為一個(gè)測(cè)量斷面,根據(jù)開挖圍巖所揭露的地質(zhì)情況,可進(jìn)行調(diào)整,對(duì)于不良地質(zhì)段則應(yīng)加密觀測(cè)斷面,對(duì)于掌子面附近的觀測(cè),觀測(cè)完畢后應(yīng)及時(shí)對(duì)觀測(cè)掛鉤進(jìn)行防護(hù),并做好位置標(biāo)記,以免開挖爆破和噴射混凝土對(duì)其損壞和覆蓋。

在監(jiān)測(cè)時(shí)期,從圍巖開挖至襯砌支護(hù)完成后60d,監(jiān)測(cè)頻次從密至疏,并且不少于30個(gè)測(cè)次。量測(cè)時(shí)間間隔如表1。

表1 引水隧洞開挖現(xiàn)場(chǎng)收斂量測(cè)頻次要求表

5 觀測(cè)方法

收斂測(cè)量方法采用固定測(cè)量法。測(cè)量時(shí)以1個(gè)斷面為1個(gè)單元,利用鋼尺式收斂計(jì)直接進(jìn)行測(cè)量。鋼尺式收斂計(jì)讀數(shù)主要由鋼尺和游標(biāo)卡尺讀數(shù)兩部分相加之和。鋼尺的最小單位為cm,游標(biāo)卡尺最小單位為1%mm。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí),首先用標(biāo)桿將鋼尺式收斂計(jì)一端掛至人不易到達(dá)的觀測(cè)點(diǎn)的膨脹螺栓上,帶讀數(shù)表的另一端掛在方便觀測(cè)人員易讀數(shù)的觀測(cè)點(diǎn)上。掛好之后,收緊收斂計(jì),使鋼尺和收斂計(jì)繃直,最佳效果是無垂度,然后由專人進(jìn)行讀數(shù),每讀一次需放松收斂計(jì),再收緊,連續(xù)讀取3次,取其平均值作為該條收斂測(cè)線的距離的計(jì)算值。每條收斂測(cè)線的距離每測(cè)回值不大于0.3mm,或根據(jù)兩相鄰兩測(cè)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(hù)方案。

利用每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移通過近似計(jì)算可求得收斂量。

近似計(jì)算的3條假設(shè)為:①洞壁輪廓線上的位移為徑向位移,切向位移忽略不計(jì)；②基線的角度變化不計(jì)。若有較大切向位移時(shí)(一般在隧洞的某側(cè)存在軟弱夾層時(shí)),則另設(shè)位移量計(jì)算；③拱頂測(cè)點(diǎn)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(duì)稱三角形法進(jìn)行計(jì)算。采用鋼尺式收斂計(jì)觀測(cè)的圍巖相對(duì)收斂量是兩測(cè)點(diǎn)的位移變化,即兩測(cè)點(diǎn)位移之和。兩測(cè)點(diǎn)各自的位移,可以通過近似的分配計(jì)算求得。具體計(jì)算方法如下所述。

引水隧洞的測(cè)點(diǎn)布置為軸對(duì)稱三角形,其測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算方法如圖3。

圖3 軸對(duì)稱三角形測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算圖

ΔA=h-htΔB=Ib-IbtΔC=Ic-Ict

式中: ΔA、ΔB、ΔC分別為3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移,a、b、c和at、bt、ct分別為3條基線初始長(zhǎng)度和t時(shí)刻的長(zhǎng)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(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

在隧洞施工時(shí),收斂變形量測(cè)是最重要的監(jiān)測(cè)手段,通過對(duì)隧洞收斂變形曲線的分析,了解隧洞圍巖的穩(wěn)定性。在新奧法施工中,可以根據(jù)所獲得的收斂變形數(shù)據(jù)確定合理的支護(hù)方案。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件、隧洞尺寸和形態(tài)、施工方法等確定后,圍巖的位移主要受空間和時(shí)間兩種因素的影響,因此圍巖位移存在“時(shí)間效應(yīng)”和“空間效應(yīng)”的影響?！翱臻g效應(yīng)”是指掌子面的約束作用產(chǎn)生的影響,“時(shí)間效應(yīng)”是指掌子面約束作用解除后,收斂位移隨時(shí)間的延長(zhǎng)增大的現(xiàn)象。這兩種效應(yīng)是圍巖穩(wěn)定情況的重要標(biāo)志,可用來判斷圍巖的穩(wěn)定情況,確定支護(hù)時(shí)機(jī),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(cè)記錄應(yīng)包括:工程名稱、觀測(cè)段和觀測(cè)斷面及觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)與位置、觀測(cè)時(shí)間、基線長(zhǎng)度、觀測(cè)點(diǎn)高程及坐標(biāo)、觀測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度、觀測(cè)斷面與掌子面的距離等。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄應(yīng)在24h內(nèi)及時(shí)進(jìn)行校核、整理。觀測(cè)資料的及時(shí)整理,有利于及時(shí)糾錯(cuò)和跟蹤分析。及時(shí)整理觀測(cè)資料,繪制收斂量和時(shí)間的關(guān)系曲線、收斂量與開挖掌子面距離的空間變化關(guān)系曲線、位移速率變化的時(shí)空關(guān)系曲線以及斷面的位移分布圖。以便掌握圍巖變形的“時(shí)間效應(yīng)”和“空間效應(yīng)”。并及時(shí)將成果以觀測(cè)日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)的形式報(bào)送監(jiān)理。如發(fā)現(xiàn)異常情況,立即通知發(fā)包人、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理工程師。

8 結(jié)束語

鋼尺式收斂計(jì)收斂變形測(cè)量,較大的解決了施工干擾大,觀測(cè)困難的缺點(diǎn)。通過實(shí)際工程證明,觀測(cè)精度可以控制在0.5mm以內(nèi),觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿足監(jiān)測(cè)精度的要求,可以對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控,為初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),并對(duì)施工期間的安全生產(chǎn)起到了重要作用。

參考文獻(xiàn)

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