浅谈某水电站引水隧洞的围岩变形量测研究

袁士琪

摘要:文章通过某水电站施工工程,证明观测精度可以控制在0.5mm以内,观测数据能够满足监测精度的要求,可以对围岩和支护系统的稳定状态进行有效监控,为初期支护和二次衬砌的设计参数调整提供依据,并对施工期间的安全生产起到了重要作用。

关键词: 水电站；引水隧洞；围岩变形；监控；断面；测点；埋设

1 概述

1.1 工程概况

某水电站为3级电站,属中型工程,电站装机65MW,电站由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等部分组成。引水发电隧洞位于拦河大坝右岸,全长8433m,为一直径6.5m、7.0m的圆形压力洞,隧洞开挖洞径为7.5m,隧洞穿过地层以灰岩、粉砂岩、白云岩为主,岩体大部分呈弱～微风化状态,少部分呈强～弱风化。

1.2 现场监控量测的目的

对隧道围岩变形进行实时测量，并对监测结果及时进行分析，采用新奥法施工是保证施工安全、合理确定隧道支护不可缺少的重要工作。是信息化控制、施工得以实施的基础和技术保障，越来越成为设计和施工的连接点和必要环节。

1.3 钢尺式收敛计的优点

钢尺式收敛计, 结构简单、紧凑合理、操作方便； 恒力以线重合指示，百分表、钢尺直读书测值； 广泛用于地下工程中洞室的围岩位移测量。在隧洞开挖中,由于施工干扰较大,用收剑计测试隧洞的收敛变形最为适用。文中主要针对小断面隧洞施工特点,采用钢尺收敛计便于观测的特点,对隧洞变形进行监测,以获取连续的数据进行分析,对围岩和支护系统的稳定状态进行监控,为初期支扩和二次衬砌的参数调整提供依据,以确保施工安全。

2 现场监控量测的内容和断面选择

根据电站引水隧洞地质和施工特点,施工过程中的监控量测以围岩收敛监测为主,主要服务于开挖施工过程中支护参数调整。依据施工进度和围岩情况,有重点、有选择地进行监测断面的布设。

3 测点布置

电站引水隧洞开挖施工采用分层开挖的方式,分为上、下两层进行,自上向下分层高度依次为6m、1.5m,先进行上部开挖及支护,完成后再转入下部开挖施工。针对上述施工特点,隧洞施工期量测与之相适应,不同时期的监测重点各不相同。

在上部开挖过程中,主要以靠近掌子面和不良地质段围岩为收剑监测为主,收敛测点布置见图1。

图1 引水隧洞上部收敛监测测点布置示意图

1号测点布置在隧洞正顶拱位置,2号、3号测点分别布置在隧洞左右起拱处,必须保证1号、2号、3号测点在同一断面上,且2号、3号测点在同一高程上。

在隧洞转入下部工挖时,需在上部开挖底高程以上0.5m左右增设两个测点,从而由3条收敛测线增加至6条,其中两条为水平收敛测线。如图2。

图2 引水隧洞开挖顺序和收敛测点布置示意图

4 测点的埋设及观测频次要求

观测断面应尽可能靠近开挖掌子面,距离不大于2m。一般情况下,当掌子面距观测断面1.5-2倍的洞径时,“空间效应”基本消除,距离掌子面越远,围岩位移释放量越大,因此,测点埋设应尽可能靠近掌子面。

埋设时首先清除埋设处的松动岩石,再用和膨胀螺栓相同规格的冲击钻垂直洞壁钻孔,其深度不小10cm,膨胀螺栓头必须加工成圆形,以方便观测时收敛计挂钩。同时,埋设的膨胀螺栓必须牢固,以保证观测的准确性。

变形观测点的布设应紧跟掌子面推进,根据设计要求布设观测点,一般为每5～10m为一个测量断面,根据开挖围岩所揭露的地质情况,可进行调整,对于不良地质段则应加密观测断面,对于掌子面附近的观测,观测完毕后应及时对观测挂钩进行防护,并做好位置标记,以免开挖爆破和喷射混凝土对其损坏和覆盖。

在监测时期,从围岩开挖至衬砌支护完成后60d,监测频次从密至疏,并且不少于30个测次。量测时间间隔如表1。

表1 引水隧洞开挖现场收敛量测频次要求表

5 观测方法

收敛测量方法采用固定测量法。测量时以1个断面为1个单元,利用钢尺式收敛计直接进行测量。钢尺式收敛计读数主要由钢尺和游标卡尺读数两部分相加之和。钢尺的最小单位为cm,游标卡尺最小单位为1%mm。在现场观测时,首先用标杆将钢尺式收敛计一端挂至人不易到达的观测点的膨胀螺栓上,带读数表的另一端挂在方便观测人员易读数的观测点上。挂好之后,收紧收敛计,使钢尺和收敛计绷直,最佳效果是无垂度,然后由专人进行读数,每读一次需放松收敛计,再收紧,连续读取3次,取其平均值作为该条收敛测线的距离的计算值。每条收敛测线的距离每测回值不大于0.3mm,或根据两相邻两测回值判断该收敛断面变形情况,以提供该部位围岩合理的支护方案。

利用每个测点的位移通过近似计算可求得收敛量。

近似计算的3条假设为:①洞壁轮廓线上的位移为径向位移,切向位移忽略不计；②基线的角度变化不计。若有较大切向位移时(一般在隧洞的某侧存在软弱夹层时),则另设位移量计算；③拱顶测点的位移为垂直向位移,即为拱顶下沉。

水电站隧洞工程采取轴对称三角形法进行计算。采用钢尺式收敛计观测的围岩相对收敛量是两测点的位移变化,即两测点位移之和。两测点各自的位移,可以通过近似的分配计算求得。具体计算方法如下所述。

引水隧洞的测点布置为轴对称三角形,其测点位移计算方法如图3。

图3 轴对称三角形测点位移计算图

ΔA=h-htΔB=Ib-IbtΔC=Ic-Ict

式中: ΔA、ΔB、ΔC分别为3个测点的位移,a、b、c和at、bt、ct分别为3条基线初始长度和t时刻的长度。

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 监控量测数据分析

在隧洞施工时,收敛变形量测是最重要的监测手段,通过对隧洞收敛变形曲线的分析,了解隧洞围岩的稳定性。在新奥法施工中,可以根据所获得的收敛变形数据确定合理的支护方案。

当地质条件、隧洞尺寸和形态、施工方法等确定后,围岩的位移主要受空间和时间两种因素的影响,因此围岩位移存在“时间效应”和“空间效应”的影响。“空间效应”是指掌子面的约束作用产生的影响,“时间效应”是指掌子面约束作用解除后,收敛位移随时间的延长增大的现象。这两种效应是围岩稳定情况的重要标志,可用来判断围岩的稳定情况,确定支护时机,推算位移速率和最终位移值。

7 资料整理

引水隧洞围岩收敛观测记录应包括:工程名称、观测段和观测断面及观测点编号与位置、观测时间、基线长度、观测点高程及坐标、观测时的环境温度、观测断面与掌子面的距离等。

现场观测记录应在24h内及时进行校核、整理。观测资料的及时整理,有利于及时纠错和跟踪分析。及时整理观测资料,绘制收敛量和时间的关系曲线、收敛量与开挖掌子面距离的空间变化关系曲线、位移速率变化的时空关系曲线以及断面的位移分布图。以便掌握围岩变形的“时间效应”和“空间效应”。并及时将成果以观测日报、周报、月报的形式报送监理。如发现异常情况,立即通知发包人、设计单位、监理工程师。

8 结束语

钢尺式收敛计收敛变形测量,较大的解决了施工干扰大,观测困难的缺点。通过实际工程证明,观测精度可以控制在0.5mm以内,观测数据能够满足监测精度的要求,可以对围岩和支护系统的稳定状态进行有效监控,为初期支护和二次衬砌的设计参数调整提供依据,并对施工期间的安全生产起到了重要作用。

参考文献

[1] 宋晓弟;;浅谈建筑工程中变形监测的施测[J];科技资讯;2009年36期

[2] 陈佳佳;陈伟清;工程建筑变形监测及数据处理方法探讨 [A];全国测绘科技信息网中南分网第二十四次学术信息交流会论文集[C];2010年