淺談某水電站引水隧洞的圍巖變形量測研究
摘要:文章通過某水電站施工工程,證明觀測精度可以控制在0.5mm以內(nèi),觀測數(shù)據(jù)能夠滿足監(jiān)測精度的要求,可以對圍巖和支護(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)計參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),并對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,測點,埋設(shè)
1 概述
1.1 工程概況
某水電站為3級電站,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)場監(jiān)控量測的目的
對隧道圍巖變形進(jìn)行實時測量，并對監(jiān)測結(jié)果及時進(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、施工得以實施的基礎(chǔ)和技術(shù)保障，越來越成為設(shè)計和施工的連接點和必要環(huán)節(jié)。
1.3 鋼尺式收斂計的優(yōu)點
鋼尺式收斂計, 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊合理、操作方便; 恒力以線重合指示，百分表、鋼尺直讀書測值; 廣泛用于地下工程中洞室的圍巖位移測量。在隧洞開挖中,由于施工干擾較大,用收劍計測試隧洞的收斂變形最為適用。文中主要針對小斷面隧洞施工特點,采用鋼尺收斂計便于觀測的特點,對隧洞變形進(jìn)行監(jiān)測,以獲取連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對圍巖和支護(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)場監(jiān)控量測的內(nèi)容和斷面選擇
根據(jù)電站引水隧洞地質(zhì)和施工特點,施工過程中的監(jiān)控量測以圍巖收斂監(jiān)測為主,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、有選擇地進(jìn)行監(jiān)測斷面的布設(shè)。
3 測點布置
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。針對上述施工特點,隧洞施工期量測與之相適應(yīng),不同時期的監(jiān)測重點各不相同。
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)測為主,收斂測點布置見圖1。
圖1 引水隧洞上部收斂監(jiān)測測點布置示意圖
1號測點布置在隧洞正頂拱位置,2號、3號測點分別布置在隧洞左右起拱處,必須保證1號、2號、3號測點在同一斷面上,且2號、3號測點在同一高程上。
在隧洞轉(zhuǎn)入下部工挖時,需在上部開挖底高程以上0.5m左右增設(shè)兩個測點,從而由3條收斂測線增加至6條,其中兩條為水平收斂測線。如圖2。
圖2 引水隧洞開挖順序和收斂測點布置示意圖
4 測點的埋設(shè)及觀測頻次要求
觀測斷面應(yīng)盡可能靠近開挖掌子面,距離不大于2m。一般情況下,當(dāng)掌子面距觀測斷面1.5-2倍的洞徑時,“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,測點埋設(shè)應(yīng)盡可能靠近掌子面。
埋設(shè)時首先清除埋設(shè)處的松動巖石,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,以方便觀測時收斂計掛鉤。同時,埋設(shè)的膨脹螺栓必須牢固,以保證觀測的準(zhǔn)確性。
變形觀測點的布設(shè)應(yīng)緊跟掌子面推進(jìn),根據(jù)設(shè)計要求布設(shè)觀測點,一般為每5～10m為一個測量斷面,根據(jù)開挖圍巖所揭露的地質(zhì)情況,可進(jìn)行調(diào)整,對于不良地質(zhì)段則應(yīng)加密觀測斷面,對于掌子面附近的觀測,觀測完畢后應(yīng)及時對觀測掛鉤進(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其損壞和覆蓋。
在監(jiān)測時期,從圍巖開挖至襯砌支護(hù)完成后60d,監(jiān)測頻次從密至疏,并且不少于30個測次。量測時間間隔如表1。
表1 引水隧洞開挖現(xiàn)場收斂量測頻次要求表
5 觀測方法
收斂測量方法采用固定測量法。測量時以1個斷面為1個單元,利用鋼尺式收斂計直接進(jìn)行測量。鋼尺式收斂計讀數(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)場觀測時,首先用標(biāo)桿將鋼尺式收斂計一端掛至人不易到達(dá)的觀測點的膨脹螺栓上,帶讀數(shù)表的另一端掛在方便觀測人員易讀數(shù)的觀測點上。掛好之后,收緊收斂計,使鋼尺和收斂計繃直,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,再收緊,連續(xù)讀取3次,取其平均值作為該條收斂測線的距離的計算值。每條收斂測線的距離每測回值不大于0.3mm,或根據(jù)兩相鄰兩測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。
利用每個測點的位移通過近似計算可求得收斂量。
近似計算的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;②基線的角度變化不計。若有較大切向位移時(一般在隧洞的某側(cè)存在軟弱夾層時),則另設(shè)位移量計算;③拱頂測點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稱三角形法進(jìn)行計算。采用鋼尺式收斂計觀測的圍巖相對收斂量是兩測點的位移變化,即兩測點位移之和。兩測點各自的位移,可以通過近似的分配計算求得。具體計算方法如下所述。
引水隧洞的測點布置為軸對稱三角形,其測點位移計算方法如圖3。
圖3 軸對稱三角形測點位移計算圖
ΔA=h-ht ΔB=Ib-Ibt ΔC=Ic-Ict
式中: ΔA、ΔB、ΔC分別為3個測點的位移,a、b、c和at、bt、ct分別為3條基線初始長度和t時刻的長度。
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)控量測數(shù)據(jù)分析
在隧洞施工時,收斂變形量測是最重要的監(jiān)測手段,通過對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間兩種因素的影響,因此圍巖位移存在“時間效應(yīng)”和“空間效應(yīng)”的影響。“空間效應(yīng)”是指掌子面的約束作用產(chǎn)生的影響,“時間效應(yīng)”是指掌子面約束作用解除后,收斂位移隨時間的延長增大的現(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記錄應(yīng)包括:工程名稱、觀測段和觀測斷面及觀測點編號與位置、觀測時間、基線長度、觀測點高程及坐標(biāo)、觀測時的環(huán)境溫度、觀測斷面與掌子面的距離等。
現(xiàn)場觀測記錄應(yīng)在24h內(nèi)及時進(jìn)行校核、整理。觀測資料的及時整理,有利于及時糾錯和跟蹤分析。及時整理觀測資料,繪制收斂量和時間的關(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“時間效應(yīng)”和“空間效應(yīng)”。并及時將成果以觀測日報、周報、月報的形式報送監(jiān)理。如發(fā)現(xiàn)異常情況,立即通知發(fā)包人、設(shè)計單位、監(jiān)理工程師。
8 結(jié)束語
鋼尺式收斂計收斂變形測量,較大的解決了施工干擾大,觀測困難的缺點。通過實際工程證明,觀測精度可以控制在0.5mm以內(nèi),觀測數(shù)據(jù)能夠滿足監(jiān)測精度的要求,可以對圍巖和支護(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)計參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),并對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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