锦屏二级深埋长大水工隧洞安全监测关键技术

王 锋，郑晓红，王玉洁

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

锦屏二级水电站总装机容量4 800 MW，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。4条平行布置的引水隧洞平均长16.67 km，中心线间距60 m，衬后直径11.2～11.6 m。隧洞沿线上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深约2 525 m。引水隧洞具有高埋深、长洞线、大洞径的特点，为目前世界上规模最大的水工隧洞洞室群工程。引水隧洞施工过程中，主要工程地质问题有岩溶与涌突水、高地应力引起的岩爆、软岩大变形及塌方等。文章以锦屏二级水电站为例，讨论了在深埋条件下水工隧洞安全监测的关键技术。

水工隧洞在埋深大、洞径大、地质条件复杂的情况下，其围岩受力特点是一个涉及到多因素的复杂问题。相比浅埋隧洞围岩变形是结构面控制的块体破坏，深埋隧洞的围岩变形更多地受到围岩本身的应力和岩体强度控制。面对深埋隧洞所面临的复杂情况，需要研究有针对性的监测设计理念及评判标准。

2 深埋隧洞安全监测面临的新问题

深埋水工隧洞在开挖过程中，围岩稳定主要受围岩特性、地应力水平、地下水压力等因素影响。与以往浅埋隧洞相比，安全监测设计在深埋条件下有很大变化，这些变化主要表现在：

（1）不同岩性的围岩变形量级相差较大，围岩变形时间较长，监测得到的不同岩性的变形发展规律、绝对量级等都与常规经验存在显著差别。

（2）深埋隧洞围岩及衬砌结构在深埋、高地应力、高外水压力等条件下的变形机理存在很多不确定性，对监测工作提出了更有针对性的要求。

（3）深埋条件下不同岩性支护应力的变化特征表现很不相同。支护应力的合理解译对指导设计及施工提出了新的要求。

3 安全监测的不确定性

深埋软岩洞段由于开挖后围岩侵占净空面严重，不同部位受地质构造影响，围岩变形量的大小也不同；硬岩洞段受高地应力作用，可能会发生岩爆崩裂。这些开挖过程中的随机性及复杂性对设计初期的监测方案布置造成困难。

监测设计是建立在地质勘探及支护结构设计的基础上，对于深埋、长大引水隧洞，在开挖之前就要较准确地确定隧洞围岩类别及等级、支护形式，对勘测设计要求很高，大多时候也不可能实现。所以对深埋、长大引水隧洞的监测设计除了重视前期的总体设计外，还要特别重视现场设计。在掌子面开挖出来以后，监测与地质、水工、施工等相关人员的配合是现场设计的关键。现场监测设计人员须根据地质人员对围岩类别、地质及水文状况的勘测和水工人员对隧洞支护设计的要求，有针对性地调整监测设计。

大多数软岩在高外水压力的作用下，物理性质会显著恶化，所以深埋软岩隧洞裂隙发育或岩溶通道的处理尤其重要，对上述部位也需要重点监测，以检验这些薄弱处岩溶处理及高压防渗灌浆的效果。而对于隧洞施工期出水点及裂隙发育洞段，运行后衬砌结构在高外水压力下的稳定问题更是工程的难点。对外水压力的监测及解释也成为深埋水工隧洞安全监测的难点。

4 监测设计及优化原则

深埋隧洞围岩安全监测和测试的目的在于掌握开挖以后围岩状况、及时了解围岩安全性，并通过调整设计方案、完善施工方法等工程手段在快速掘进与围岩稳定安全之间取得最佳平衡点。

（1）监测设计应是动态的，所有监测都需要考虑把针对围岩应力分布和特定优势结构面的影响作为基本原则，适当考虑空间和时间效应。

（2）充分考虑现场实施可行性和便利性，方便监测工作的及时开展，以快速获得充分的有效信息。

（3）及时对监测数据进行反馈分析，将分析成果应用到未开挖洞段的设计与施工。

5 深埋隧洞围岩变形监测技术

5.1 监测手段

围岩变形监测主要包括监测围岩表面变形的收敛观测及监测围岩深部变形的多点变位计。

收敛观测是在隧洞开挖后及时埋设并开始观测。对于深埋软岩隧洞，围岩在开挖后存在长时间变形现象，对收敛测点的持续观测可以很好地反映围岩净空的变化情况，其观测成本低、容易实施、相对及时，较多点变位计有一定优势。同时，软岩在开挖后较大的变形量也使得收敛监测的误差对成果解释影响较小。

在深埋软岩隧洞按照规范要求每隔50～100 m布置收敛断面，如图1所示，每个断面布置5～7个测点监测围岩净空面的变形情况。对于深埋硬岩隧洞，围岩在开挖瞬间已经释放了绝大部分变形量，后期持续变形量较小，此时收敛监测的精度对围岩变形特征的解释形成制约，由收敛监测得出的成果规律性较差，作用有限。

收敛监测常采用钢尺收敛计，本工程为了快速有效地获得收敛变形资料，采用断面扫描仪配合棱镜进行现场测量。

图1 收敛变形监测布置图Fig.1 Layout of convergence deformation monitoring

多点变位计是在隧洞开挖完成后钻孔埋设，可以监测围岩不同深度的变形情况。软岩洞段在开挖后变形量相对较大、持续变形时间长，多点变位计不同深度的测点能很好地反映围岩松弛的扩展范围及松弛持续时间，具体变形量见表1。深埋硬脆型岩石在开挖后弹性变形量相对较小，洞壁围岩的破裂及发展是导致变形的主要机制。使用传统的多点位移计监测围岩这种方式的变形时不够敏感，即在监测破裂导致的变形时，在灵敏性和安全预警性两个方面可能存在适应性不足的问题，此时锚杆应力就比变形监测更有敏感性。由于深埋硬脆性围岩变形不再是反映围岩安全性的首选指标，变形监测的作用和实际效果也不如预期，在监测设计上可以相对减少布置多点变位计，增加围岩应力及支护结构受力的监测。

表1 不同围岩类别变形量比较Table 1 Comparison of deformation of different surrounding rock

5.2 监测布置

变形监测仪器的安装部位需要根据具体洞段的潜在问题进行针对性的设计。设计的变形监测除了需要反映深埋高应力的影响外，同时需要反映岩层层面及结构面的影响。对结构面作用不突出的洞段，二次应力（围压）对围岩变形和锚杆作用机理的影响成为需要关注的重点，设计的监测部位应根据地应力作用方向以应力集中区和应力松弛区为主。

深埋软岩隧洞收敛监测应重点关注左右边墙中部偏下部位之间的变形，即图1中DE测线，该部位收敛位移一般要大于左右拱肩的相对位移，顶拱的相对位移较小。监测深埋软岩围岩变形要使表面收敛的及时性与深部位移的持续性结合。收敛变形能及时地监测隧洞开挖初期的变形，但由于后期支护结构及衬砌的实施，收敛监测受到限制，不能继续监测。而软岩的持续变形特性使隧洞围岩在高地应力、高外水压力、支护不及时等因素的影响下变形持续发展，深部位移在反映围岩开挖以后的持续变形特性上具有优势。

深部变形结合声波监测可以初步确定围岩的松弛范围，动态设计时需根据松动圈检测的情况调整多点变位计测点间距。本工程现场松动圈测试成果显示，软岩洞段围岩松动范围相对较深，达5～6 m，所以深部变形监测的多点变位计第二个测点埋深布置到松动圈范围以外，埋深为7～8 m，如图2所示，监测软岩洞段围岩松动扩展情况。硬岩洞段从洞壁到围岩内部的变形量衰减迅速，围岩松弛深度在3 m左右，第二测点埋深为4～5 m，如图3所示。

图2 软岩洞段深部位移监测典型布置图Fig.2 Layout of deformation monitoring for deep part of soft rock section

图3 硬岩洞段深部位移监测典型布置图Fig.3 Layout of deformation monitoring for deep part of hard rock section

6 支护结构受力监测技术

根据设计支护锚杆的参数及变形监测成果调整锚杆应力计测点。根据软岩洞段深部位移监测测点布置情况，监测锚杆测点有必要埋深至7～8 m，监测支护结构在松动圈外受力情况。软岩的特性使其在高围压下可能产生流变，锚杆应力测值在围岩变形初期未发生流变时增大，流变开始后锚杆应力减小，表现出与围岩变形不一致。

深埋硬岩损伤破裂的发展会导致围岩变形，这种损伤破裂存在时间效应，即围岩损伤破裂随时间变化进一步扩展，期间锚杆应力也逐步增大，甚至可能接近或超过其抗拉极限。硬岩洞段围岩与锚杆能形成较好的握裹力，当围岩与锚杆变形一致时，锚杆应力增大趋势与围岩变形趋势一致，但锚杆应力增大的表现远比围岩变形明显，有时表现为锚杆应力超标，而同部位的围岩变形却只有5～10 mm。从仪器结构和埋设角度来看，传感器标距范围内0.2～0.3 mm的变形即可导致锚杆应力超过300 MPa，所以锚杆应力对硬脆型岩石的损伤破裂更加敏感，硬岩洞段锚杆应力的监测成果更值得工程关注，甚至可以作为围岩安全判定的依据。硬岩段锚杆应力布置时重点考虑地应力作用方向，使锚杆应力计位于围岩受地应力影响应力敏感区，如图4所示。

图4 硬岩洞段锚杆应力监测典型布置图Fig.4 Layout of anchor stress monitoring for hard rock section

7 衬砌结构监测技术

由于后期衬砌主要的作用是平整洞室、减少过流糙率和水头损失，选择在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段衬砌混凝土内、收敛变形较大、收敛速率较缓洞段设置衬砌支护观测断面，布置钢筋计、应变计、无应力计观测衬砌结构受力情况，如图5～7所示。

隧洞混凝土衬砌结构受力除了受隧洞断面形式的影响，还与围岩变形、地应力、外水压力等因素相关。已有工程混凝土衬砌应变监测成果显示，断面压应力较大部位多位于顶拱，钢筋压应力也多位于顶拱。现场巡视检查发现，个别部位隧洞底板有隆起现象，所以在深埋水工隧洞混凝土衬砌的监测中，除了重点关注顶拱的受力情况外，高外水压力下底板及左右拱角的混凝土及钢筋受力情况也不容忽视。顶拱混凝土衬砌的受力主要受顶部围岩变形影响，而底板及拱脚的混凝土衬砌的受力主要是地应力及外水压力作用的结果。

图5 混凝土衬砌钢筋应力监测典型布置图Fig.5 Layout of rebar stress monitoring within concrete lining

图6 钢筋计现场埋设情况Fig.6 Installation of rebar strain meter

图7 混凝土应变监测典型布置图Fig.7 Layout of strain monitoring for concrete lining

8 外水压力监测技术

深埋水工隧洞外水压力监测包括衬砌外缘、衬砌外固结灌浆圈内、固结灌浆圈外三部分。

衬砌外缘渗透压力监测是深埋水工隧洞在高外水压力作用下分析衬砌结构安全的重要数据。在深埋情况下，地下水位远高于洞顶，内水压力较小，隧洞边墙与顶拱外渗透压力差别不大，渗压监测主要考虑外水内渗为主。通过施工期围岩固结灌浆及接触灌浆，洞周破碎围岩得到有效的加固，只有在裂隙发育的部位布置渗压计才能测到有效的数据，所以需要根据施工期出水点的分布情况实时调整衬砌外缘渗压计布置位置。固结灌浆圈内渗压计按不同梯度布置，同时做到冗余监测，如图8～9所示。

图8 渗压监测典型布置图Fig.8 Layout of piezometers

图9 渗压计现场安装埋设情况Fig.9 Installation of piezometers

固结灌浆圈外的外水压力监测是设计时的难点。深埋隧洞的开挖改变了山体及洞周的三维渗流场，高压防渗固结灌浆是抵御洞周高外水压力、控制渗透稳定、减少渗流量的主要手段。在高外水压力情况下，从洞内穿过防渗固结灌浆圈钻孔埋设渗压计容易成为渗漏通道，有破坏衬砌结构的风险，所以外水压力的监测主要依靠隧洞上部支洞或施工期探洞，在出水点或堵头封堵后布置测压管进行外水压力监测。

深埋水工隧洞衬砌外渗压计均布置在围岩固结灌浆圈以内，渗透压力测值主要是山体地下水、围岩高压防渗灌浆圈、减压孔、内水压力等因素共同作用的结果。山体地下水压力在灌浆圈存在一定的折减作用，在围岩完整的断面，渗压计测值主要受隧洞内水通过混凝土衬砌裂缝外渗影响，在原开挖阶段即存在大涌水的洞段，渗压计测值为帷幕折减阻水与衬砌减压孔共同作用的结果。

9 仪器安装埋设技术

深埋水工隧洞仪器安装埋设与常规隧洞类似，但仍有其独特之处。由于衬砌结构属于薄壁结构，监测混凝土自身体积变形的无应力计可能受荷载影响，无应力计埋设时需优化套筒结构，使其尽量不受外力影响。

深埋隧洞围岩在高地应力作用下可能发生岩爆，现场考虑人员及设备的安全性，在危险期过后或掘进前进一段距离后再回头埋设监测仪器，这就导致硬岩的围岩变形量很小，软岩的围岩变形测值仅反映开挖完成后的持续变形量。需要根据现场实践情况，在监测仪器埋设的及时性与现场操作的安全性之间总结经验，找到合适的埋设时机。

锦屏二级长引水隧洞给众多监测仪器电缆的牵引带来极大困难，在设计及施工组织时系统考虑仪器保护及电缆牵引方案，提高仪器的存活率，成为安全监测施工的难点。通过工程实践，仪器电缆牵引及维护的关键主要有：

（1）现场做好电缆走线规划及标识。避开动力电源线，已埋仪器部位及电缆牵引部位做好标识，固结灌浆孔避开电缆走线部位。

（2）对电缆牵引量较多的部位，采用分散、分束牵引，避免集中穿管牵引对衬砌混凝土薄壁结构的受力影响。

（3）不同洞段交叉施工，仪器埋设时间不同，做好仪器埋设部位至牵引目的地的电缆及保护管的预埋，避免仪器埋设后不具备牵引条件的情况。

（4）由于牵引路线较长，电缆接头较多，需要保证每个接头的耐水压、绝缘电阻等满足要求。

（5）跨隧洞及堵头段的电缆牵引做好电缆保护管的止水工作。

10 结语

通过工程实践，研究并总结得出深埋隧洞安全监测的重点，深埋硬岩围岩安全监测的主要对象为围岩破裂状态和支护工作状态，其次为围岩变形；软岩在应力及构造显著时变形加大，同时伴有地下水渗流时更易产生大变形，因此变形监测是重点。衬砌外水压力监测需与施工期涌水点、富水洞段结合布置。

由于深埋隧洞受力的复杂性，传统监测仪器在恶劣环境下能否正常工作、较好地反映围岩的实际情况方面面临较大的挑战，而且在合理解释围岩变形机理时受到限制，笔者总结的成果难免存在片面性，还需要更多类似工程进行全面研究，以便在深埋隧洞的安全监测方面积累更多的经验。

[1]张春生,侯靖,朱永生,等.深埋隧洞围岩应力分布与破坏机理[J].现代隧道技术,2011,48(3):7-13.

[2]陈祥荣,张春生,朱焕春.锦屏二级深埋长大引水隧洞围岩高应力破坏机理研究[J].华东工程技术,2013,34(4):25-30.

[3]王玉洁,郑晓红.地下工程监测异常数据解释[M].中国水电地下工程建设与关键技术,2012.

[4]刘宁,张春生,陈祥荣,等.深埋隧洞开挖围岩应力演化过程监测及特征研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(9):1729-1737.