振弦式多点位移计在穿黄隧洞工程F3断层施工中的应用

高鹏伟，罗晓薇，朱海亚，周黎辉，高作宏

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066）

1 概况

南水北调东线穿黄隧洞工程共安装埋设多点位移计8套。其中，在隧洞竖井段A-A监测断面▽1.05 m处，布置多点位移计2套，对称分布在竖井两侧；在隧洞斜井段B-B监测断面 （桩号为6+886.917）F12断层破碎带处，布置多点位移计3套，分布在洞顶拱和左右边墙；在隧洞斜井段D-D监测断面（桩号为6+973.617）F3断层破碎带处，布置多点位移计3套，分布在洞顶拱和左右边墙。

2 多点位移计选取及主要技术参数

2.1 选取原则

根据穿黄隧洞工程技术条款及设计蓝图相关要求，按照国产优先、操作方便、易于安装、性能稳定、经济适用、技术过硬的仪器选取原则，择优选取了由水利部南京水利水文自动化研究所生产的SXF型振弦式多点位移计。该仪器是将3支SXF型多点位移计组合在一起，按照不同深度梯度埋设，用于测量同一测孔中不同深度裂缝的开合度，适用于隧道及洞室等水工建筑物的不同深度变位观测。其特点有：长期稳定、灵敏度高、温度影响小、不锈钢结构、高防水性能、同时测量温度、不受长电缆影响，适用于自动化监测。

2.2 主要技术参数

多点位移计的主要技术参数，详见表1。

表1 多点位移计的主要技术参数

3 多点位移计结构及工作原理

3.1 结构

多点位移计主要由液压锚头、位移传递杆 （测杆）、PVC保护管、孔口预埋管、位移传感器、测温传感器及保护筒、支撑板、排气管、注浆管等组成。多点位移计结构，如图1所示。

3.2 工作原理

结合本工程实际特点，振弦式多点位移计的工作原理概括为：当结构物伸缩缝或裂缝的开合度（变形）发生变化时，会使位移计左、右安装座产生相对位移，该位移传递给振弦，使振弦受到应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激拨振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到被测结构物伸缩缝或裂缝相对位移的变化量。同时，由位移计中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。

4 多点位移计安装设计要求

（1）在隧洞 F3断层桩号 6+973.617上半拱 180°范围内共布置了3套多点位移计，设计编号分别为T-M3401、T-M3402、T-M3403，如图2所示。

（2）多点位移计锚头按三点布置，锚头锚固深度分别为 3、8、15 m。

（3）钻孔深度为16 m，钻孔直径孔前端为0.5 m、孔内 15.5 m，如图 3 所示。

（4）仪器连接电缆为8芯位移计专用屏蔽电缆，采用钢管保护埋设在混凝土内牵引至监测站。

（5）多点位移计在距掌子面5 m以内安装埋设，安装后48 h内严禁爆破作业。

5 多点位移计安装的难点分析及对策

5.1 难点分析

在隧洞内安装埋设多点位移计，由于工作面狭窄且与土建施工相互干扰等因素的影响，施工难点主要表现为：

（1）仪器安装埋设需要造孔，造孔均在洞内进行，施工场地狭窄，造孔角度要求较高，又要不影响土建施工工期。

（2）位移计要在隧洞衬砌前完成，一旦失误补救困难，而且直接影响土建施工进度。

（3）观测电缆需穿钢管进行保护，在隧洞、廊道内牵引，牵引及保护难度非常大。

5.2 主要对策与措施

（1）配备多台钻机同时造孔，合理安排施工工序，以满足土建工期要求。

（2）配备长期从事原型观测工作的技师2人和技术工人5人。在施工过程中，加强与土建施工人员联系，仪器设备安装前进行技术交底和协调，减少相互干扰。

（3）在保证工程施工顺利进行的前提下，确保3套多点位移计完好率达到100%。

6 多点位移计现场安装

6.1 准备工作

根据设计施工要求，备齐包括附件的成套仪器及安装时所需要的各种辅助工具（如钢锯、钳子、螺丝刀、扳手、电锤等）。由于多点位移计属于大型且构造较为复杂的观测仪器，在现场安装前必须在室外按照说明书对其完整地组装一次，这样做的目的是尽可能地避免正式安装时出现差错，做到心中有数。

6.2 钻孔及洗孔

在设计位置处，通过测量放点确定出钻孔的具体位置。同时，按照设计要求进行钻孔。为确保仪器安装顺利以及钻孔孔壁光滑，该工程采用XY-2PC地质钻机和金刚石钻头进行钻孔，并对通过的岩石发育较差的破碎带岩体部分进行了注浆加固处理。钻孔结束后，检查钻孔畅通情况，测量钻孔深度、方位、倾角，并对岩芯进行描述，做好钻孔记录。仪器安装前，采用导管通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗，压力为1 MPa。

6.3 孔口预埋管

将孔口预埋管用3个M8的膨胀螺栓固定在孔口，调整孔口预埋管位置，使孔口预埋管与钻孔在同一轴线上，然后用水泥砂浆将孔口预埋管与孔口接触面缝隙完全封堵。

6.4 安装过程及要求

（1）锚头与位移传递杆的安装：将位移传递杆一端拧紧到锚头上，另一端再连接一支位移传递杆，然后外套PVC保护管，并与锚头拧紧，位移传递杆间连接螺纹涂上胶粘剂后拧紧，PVC保护管间用PVC胶粘牢，依次连接传递杆与保护管。按设计要求，分别将3个锚头安装在孔内深度为3、8、15 m处，灌浆管随最深的锚头一起到孔底，深度加深0.5 m。为了便于安装和传递位移，每隔1个传递杆加支撑板1个，各测点全部连接到位后在孔口安装管上用螺母分别拉住传递杆，固定在安装板之后即可进行灌浆。

（2）灌浆：灌注砂浆采用清洁细砂与 P·O42.5 水泥，按水灰比 0.5∶1 配制而成，灌浆压力小于 5 kg/mm2。灌浆过程中，孔内空气不断从排气管内排出，排气管中开始回浆时即表明灌满，此时停止灌浆，堵住灌浆管和排气管。

（3）位移传感器（位移计）的安装：在灌注砂浆达到初凝后，剪去外露的排气管和灌浆管。用专用接头将传感器与传递杆连接在一起，将传感器固定在仪器安装盘上，按设计要求将位移计测量范围调整至50 mm，在仪器安装盘上调整传感器的初始位置，安装保护罩完毕后将位移传感器电缆从保护罩的电缆孔引出。仪器安装48 h后，正式投入运行。

7 多点位移计观测数据采集及分析

7.1 数据采集

本工程采用南京葛南实业有限公司生产的VW-102A型振弦读数仪进行日常数据采集，主要测量仪器的输出值、温度值等相关信息。

7.2 数据计算

将现场采集的数值按下式计算出其位移变化量：

式中：J′为位移变化量（mm）；k为位移计的最小读数（mm/kHz2），由厂家所附卡片给出；△F为实时测量的位移计输出值相对于基准值的变化量（kHz2）；F为实时测量的位移计输出值（kHz2）。

7.3 基准值选取

基准值指仪器安装埋设后，开始工作前的监测值。基准值的确定是一项严肃认真的工序，确定不当会引起系统性的误差，直接影响以后资料分析的正确性。监测仪器基准值的确定原则是：全面考虑仪器性能、安装埋设的位置、所测介质的特性、环境等因素。为确保每支位移计传感器基准值选取的准确性，必须在多点位移计安装埋设完毕注浆24 h后确定基准值，分别对传感器进行3次测试，其差值小于1%F.S时的平均值即确定为基准值。

7.4 数据采集成果

数据采集成果详见表2。

表2 F3断层多点位移计数据采集成果汇总

7.5 数据分析

数据分析的主要内容：一是初步分析，重点判识有无异常监测值；二是根据特定重点监测时段的工作需要或上级主管部门的要求，开展较为系统全面的综合分析。根据分析的要求，利用计算机分析各监测物理量的变化规律和发展趋势以及各种原因量和效应量的相关关系和相关程度，并绘制出相应的观测变化过程线图。这样，可以直观地了解和分析监测值的变化大小和规律、影响监测值的荷载因素和其对监测值的影响程度，判断监测值有无异常。F3断层多点位移计多点位移观测变化过程线如图4所示。

通过近半年多对F3断层安装的多点位移计的数据采集，结合观测变化过程线图来看：埋设在F3断层顶拱高程6.852 m处的岩体位移最大变化量为0.11 mm；埋设在F3断层右边墙高程2.108 m处的岩体位移最大变化量为0.107 mm；埋设在F3断层左边墙高程2.114 m处的岩体位移累计变化量为-0.082 mm。从数据整理分析来看，F3断层安装的3套多点位移计测值都属于正常变化范围之内，断层周边围岩处于安全状态。

8 结语

（1）通过科学的管理、严谨的作风、周密的计划、细致的工作方法，穿黄隧洞工程F3断层安装埋设的3套振弦式多点位移计质量评定等级全部达到优良，优良率为100%。

（2）通过科学的、先进的计算分析方法和丰富的经验对采集的数据进行分析，严格区分正常数据、异常数据、错误数据，去伪存真，分析成果为F3断层的安全预报、安全评估、技术决策提供了重要依据。同时，将数据定期反馈给设计院及施工单位，为论证施工方案的可行性、优化施工设计提供了观测依据。