引水工程中竖直向上仰孔内多点位移传感器安装技术

张有兴，杨大凡，邹 挺

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650033）

1 工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程建成投入运行后可以从根本上解决滇中地区的水资源短缺问题，具有显著的经济、社会和生态效益。该工程以解决滇中地区的城镇生活及工业用水为主，兼顾农业和生态受水区，包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河等6 个州（市）的35 个县（市、区）。

滇中引水工程由石鼓水源工程和输水工程组成。石鼓水源工程为无坝取水采用提水泵站取金沙江水设计抽水流量135 m3/s，共安装12 台混流式水泵机组，其中备用机组2 台。输水工程总长约664.236 km，划分为大理I 段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段等6 段。

输水总干渠包括输水、消能建筑物共118 座，其中：隧洞58 座、总长611.986 km；倒虹吸25 座、总长42.595 km；渡槽17 座、总长3.7 km；暗涵15 座、合计长4.891 km。渠道消能建筑物3 座（其中消能电站2座）、共计1.064 km，隧洞、倒虹吸、渡槽和暗涵4 种建筑物的长度分别占干线全长的92.13%、6.41%、0.56%和0.74%，消能建筑物占0.16%。

2 研究背景及意义

多点位移监测是目前高边坡、各种隧洞、地下硐室群监测位移变化的常用手段，传感器多用振弦式传感器，这种传感器精度高、测值可靠、数据采集方便、后期便于改造成自动化观测，节省投资等优点。多点位移计监测传感器安装成败的关键，除了组装时的认真仔细外，最重要的还有灌浆是否密实。国内外水利水电工程安装多点位移计监测传感器均以垂直向下或水平孔传感器的安装居多，安装技术已较成熟。但部分工程水工隧洞需要在洞顶竖直向上的孔内安装多点位移计传感器，如云南省滇中引水工程的部分输水隧洞内就有此类监测布置。目前这种安装技术研究甚少、还未有较好的安装埋设工艺，因此现有的多点位移计监测传感器安装埋设技术难以满足此类安装埋设的需要，因此需要研究一种适用于隧洞洞顶竖直向上的孔内多点位移计安装施工技术，对于倾斜向上的孔也有一定效果。

随着国民经济的发展，我国大型基础设施建设越来越多，建设步伐越来越快，各种高速公路、高速铁路、水利水电工程等数不胜数，以前有青藏铁路、南水北调以及三峡工程等，后来有京张高铁、滇中引水工程以及白鹤滩水电站，这些大型工程都少不了安全监测工作。工程安全监测能为施工期的施工安全提供科学的参考，对工程失稳及时预警、采取措施，避免人员设备伤亡损毁，监测数据成果也能及时指导优化设计，节约投资。其中，位移变形监测是安全监测中最重要的内容之一。同时，这些大型工程中有大量隧洞及地下硐室，研究能在隧洞及地下硐室内竖直向上仰孔内高质量安装多点位移传感器的能广泛使用的技术，将为以后的各种工程安全监测提供有益参考，为工程更快、更好、更安全的建设提供助力，也为我国国民经济持续、健康发展提供帮助。

3 具体技术研究

工程隧洞及地下硐室多点位移计，一般部置在岩层较破碎地段，用于监测隧洞深部地层位移情况。多点位移计感器安装完成之后，监测数据能否真实、有效反映地层深部位移变化情况孔内灌浆饱满、密实程度是关键；隧洞深部地层位移变化情况直接影响隧洞二衬混凝土的整体性甚至危及二衬混凝土的安全。

在云南省滇中引水工程中，对竖直向上仰孔内多点位移传感器安装埋设工艺方法进行研究、试验、比对，总结出如下行之有效的安装技术：

（1）工程中多点位移计钻孔孔径110 mm（孔口至深1 m 段钻孔孔径150 mm，根据传感器保护罩实际大小确定）、孔深15 m 三点式锚头（d1=6 m，d2=10 m，d3=14 m）。

（2）按规范及厂家说明书要求，将多点位移计在平整场地上组装完成，在最深锚头上绑扎一根直径8 mm、长超过锚头0.8 m 作固定回浆管，回浆管绑扎至孔深14.8 m 处灌浆管绑扎至孔深10 m 处。

（3）将另外一根灌浆管绑扎至初期支护混凝土与隧洞围岩接触面处（孔内一般在0.5～0.8 m 处，以孔内成像或钻孔电视资料确定）。

（4）将组装好的带2 根灌浆管和1 根回浆管的传感器，整体装入孔内至安装位置做好监测电缆编号、灌浆管和回浆管标记引出监测电缆及灌浆管、回浆管然后用膨胀螺栓配定制钢板或铁丝，加土工布或棉纱支撑传感器组合体不下落，并封闭孔口，保证封闭密实不漏浆。

（5）为了保证注入孔内的水泥浆液不会在重力作用下沿着初衬与围岩之间的缝隙流失，造成孔内仪器锚块未能被密实包裹受力，从而造成测值不准或仪器失效，需要将原来常规向下倾斜孔内的一次注浆完成的方式改为分两次注浆。首次注浆的主要目的是，首先封闭初衬与围岩之间的缝隙，避免二次注浆的浆液流失；其次是待凝固后加固孔口封口钢板对仪器本体和注入浆液自重的抵抗力提高安全性。此步骤首次注浆由于需要浆液很少，常规注浆设备搬运成本高制浆量大效力低多余浆液，可能造成浪费、污染环境、不经济，因此推荐使用便携式手动细砂堵漏注浆机，具体参数需根据工况进行选择。

（6）使用便携式手动细砂堵漏注浆机灌注预留，在初期支护混凝土与隧洞围岩接触面的灌浆管灌注稠砂浆至初期支护与隧洞围岩接触面处（一般灌注20 L左右即可），以保证围岩接触面裂缝及孔口封堵部位被彻底牢固封堵，确保二次孔内灌浆时所有注入浆液均能留在孔内发挥作用，保证锚块周围饱满、密实。第一次灌注12 h 以上，就可以开始正常二次灌浆。

（7）二次注浆使用常规注浆机效率高、效果好。必须使用注浆机加压注浆，注浆必须连续不间断一次完成。注浆过程中要实时监测仪器是否成活，发现仪器测读异常应立即停止查明原因，排除故障后再继续灌注，看到回浆管流出与流入浆液浓度一致的浆液2 min 封闭回浆管再灌5～10 min 后结束注浆。现场实际施工，应根据不同部位的设计图纸要求注浆，浆液采用42.5#水泥拌制的水泥砂浆或水泥净浆。实际施工时浆液强度按照设计技术要求、根据不同围岩类别，选择使用M10、M20、M30（浆液强度配合比由有资质的实验室给出）。正常情况下，Ⅲ类围岩选M30 强度灌注，Ⅳ类围岩选M20 强度灌注，Ⅴ类围岩选M10 强度灌注。如果监理工程师有其他要求，则按照监理工程师要求执行。上仰孔注浆压力必须大于孔深需要的浆液最大压力，特别是垂直上仰孔，必须保证压力能推动浆液到达孔底，具体注浆压力根据现场实际孔深计算后再加一个0.2 MPa 后的压力即为该孔注浆压力。

（8）两次注浆均完成后，等待7 d 的凝固时间，进行初读数作为变形基准值。后期应根据设计及相关规范要求的频次，进行持续观测、监测数据整编和分析评价隧洞多点位移计深部地层位移的工作性状等。

4 实际使用效果分析

在滇中引水工程大理II 段隧洞桩号DLII46+910监测断面，左、右拱腰及拱顶采用此技术各安装埋设了1 套多点位移计，测点编号为MWZ1、MWZ2、MWZ3，多点位移计位移及时间过程见图1～图3。

图1 多点位移计MWZ1（左拱肩）位移—时间变化趋势

图2 多点位移计MWZ2（拱顶）位移—时间变化趋势

图3 多点位移计MWZ3（右拱肩）位移—时间变化趋势

多点位移计不同深度位移变化发展规律性较好，围岩深部位移变化符合一般规律对外部扰动引起的位移变化，捕捉灵敏说明传感器安装质量非常高。

对持续观测不少于18 个月的监测数据进行分析，受底板开挖（2021 年3 月31 日开挖）影响，围岩均有不同程度的变形增加，支护后未见围岩变形急剧增加的情况。

5 结束语

（1）多点位移计安装埋设灌浆密实十分重要。传感器精度较高，灌浆质量锚固端不稳定引起的误差会误导判断。其他监测传感器也大部分需要密实灌浆。此技术可以在其他传感器安装时使用。

（2）通过使用专业数据采集设备和专业技术人员的规范操作，观测精度及准确性、可靠性完全可达到相关规范要求，能准确捕捉掌握围岩深部位移情况。及时分析研判也为工程施工安全保驾护航。

（3）使用便携式手动细砂堵漏注浆机预先灌注，能保证隧洞初期支护混凝土（钢拱架）与隧洞围岩接触面施工过程中受混凝土自重影响产生的空隙被有效封堵，避免灌浆过程中水泥沿空隙流失，从而获得真实、可靠的监测信息。

（4）隧洞及地下硐室深部地层位移变化会直接影响隧洞现场施工安全，也会危害二衬混凝土的整体性，严重变形会使得二衬变形、开裂甚至垮塌，因此及时准确捕捉、掌握围岩深层变形，对于工程安全具有重要指导意义。