大伙房水庫輸水應急入連工程——輸水隧洞施工期安全監測設計

葛 鑫，朱海龍，祁海燕

（1.大連市供水有限公司，遼寧 大連 116011；2.遼寧宏禹水利工程建設監理有限公司，遼寧 沈陽110006）

大伙房水庫輸水應急入連工程碧流河水庫北段工程引水規模3億m3/a，主要供水對象為大連市。隧洞采用無壓洞，進口設在山坡中部，隧洞進口底高程為142.84 m，隧洞成折線形布置，洞線共折轉二次，洞線總長為14.11 km，底坡為0.034%，斷面采用割圓拱直墻形式，底寬3.2 m，直墻高2.65 m，圓拱半徑1.96 m，凈高3.48 m。本洞線穿越的地層，主要巖性為二長花崗巖類，約占整個隧洞段的82.6%，其次為千枚巖-片巖和混合巖。隧洞襯砌混凝土采用C25，W 6，圍巖段襯砌厚度Ⅱ類為0.3 m、Ⅲ類為0.4 m、Ⅳ和Ⅴ類為0.5 m。前部管道采用直徑2.8 m的壓力鋼管及進口穩流池與隧洞相連，隧洞出口采用穩流池與后部管道相連。

本工程于2009年8月正式開工建設，計劃在2012年11月主體工程完工并試通水。

1 安全監測設計依據和原則

施工期監測依據的主要規程、規范和設計文件為：DL/T5195—2004《水工隧洞設計規范》；GB50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》；SL264—2001《水利水電工程巖石試驗規程》。

為監測該工程施工期基本狀況及受力效應的變化規律，及時發現異常現象并分析處理，確保工程安全運行，兼顧指導施工和驗證設計參數的目的，考慮國內外安全監測發展水平，安全監測設計遵循以下原則：

1）根據工程的級別、地形地質條件，按著突出重點、統籌安排，合理布置的原則確定；

2）監測儀器的布設以安全監控為主，同時兼顧指導施工、驗證設計；

3）監測斷面選在地質條件差，結構受力復雜和比較薄弱的部位；

4）不同監測項目的儀器盡可能集中布置，以便監測結果相互印證解釋，同時要滿足結構整體穩定分析的需要，并便于施工期的管理；

5）儀器設備監測與巡視檢查相結合。

2 監測內容及儀器布置

2.1 圍巖內部位移監測

為觀測隧洞頂拱圍巖內部位移，在隧洞的頂拱設置多點位移計（3點式）進行觀測，在Ⅱ類圍巖存在不利組合結構部位頂拱布置2套，在Ⅲ類圍巖存在不利組合結構和軟弱夾層部位或結構面抗剪強度較低部位頂拱布置2套，在Ⅳ和Ⅴ類結構體為千枚巖-片巖類洞段頂拱布置2套，共布置6套，各測點安裝距離分別為1.5，3.5，10 m。

2.2 錨桿應力監測

在圍巖內設置錨桿應力計，以觀測錨桿的受力情況及支護效果，在Ⅱ類圍巖存在不利組合結構部位布置2個斷面，在Ⅲ類圍巖存在不利組合結構和軟弱夾層部位或結構面抗剪強度較低部位布置2個斷面，在Ⅳ和Ⅴ類結構體為千枚巖-片巖類洞段布置2個斷面，共布置6個斷面，每個斷面3支，布置在頂拱及左右拱角，共布置18支。錨桿應力計斷面布置在變形監測斷面附近，以便相互對比分析。

2.3 收斂監測

Ⅰ類圍巖不設監測斷面；Ⅱ類圍巖在存在不利組合結構部位設監測斷面，在長度11.675 km洞段間隔100 m布置1個，布置110個斷面；Ⅲ類圍巖存在不利組合結構和軟弱夾層部位或結構面抗剪強度較低部位加密設監測斷面，一般監測斷面間距為5倍洞徑，在長度0.9 km洞段布置45個斷面；Ⅳ和Ⅴ類圍巖一般監測斷面間距為3倍洞徑，結構體為千枚巖-片巖類洞段，監測斷面間距小于3倍洞徑，在長度1.550 km洞段布置130個斷面，監測285個斷面，在監測過程中,根據各類圍巖中的穩定性類別,調整斷面間距，監測斷面數量可能增加或減少。

2．4 爆破震動監測

洞室掘進爆破時，不合理的藥量可能對圍巖穩定產生不良的影響。采用爆破自動監測儀，對爆破震動影響場進行監測，確定爆破安全允許振速和圍巖與支護的防護標準，修改和調整爆破參數，從而減小掘進爆破時對已開挖洞段的破壞影響。爆破震動觀測共計6次，3個標段中或3種地質洞段各進行2場，每場2～3次，每次布置5個測點，測點為垂直振動速度測試點。通過爆破震動觀測，給出在各類圍巖中爆破的振動影響場經驗公式和允許振速以指導施工。

2．5 聲波監測

為觀測爆破對圍巖松動范圍的影響，在千枚巖-片巖類、混合巖、侵入巖圍巖段各布置3個監測斷面，每個斷面布置5個聲波孔，聲波孔深4m，共布置9個斷面45個孔，測孔布置在頂拱、左右拱角和左右邊墻。

3 技術要求

3.1 現場資料采集

施工期觀測，是指儀器埋設（或收斂測樁安裝）后到向發包人移交觀測設施及工作這段期間的觀測，對圍巖或支護結構變形特征信息進行采集，即通過監測儀器采集圍巖或支護結構在施工過程中的變形物理量值和物理量值的變化過程，這對指導工程安全施工尤為重要，是施工期安全監測的基礎。

每類圍巖洞段各項測試內容盡量提前集中布置，為以后隧洞設計和施工安全提供科學依據，也可以保證在規定的時間內完成監測內容。在實施時做到四個“及時”，及時埋設、及時觀測、及時整理分析資料和及時反饋監測信息。

3.1.1收斂觀測要求

1)隧洞開挖到監測斷面立刻埋設測樁，進行首次監測，作為監測初始讀數。

2)掌子面開挖進尺前后各監測1次。3)對地質條件較差地段，初期監測時間間隔不大于24 h。4)當變形速率增加或出現異常情況時，相應增加測次嚴密監視，以便及時進行險情預報。

5)隨著掌子面的推進，變形速率減小、圍巖基本處于穩定時，可減少測次，一般可2～3 d監測1次，變形穩定后，每周監測1次。

6)監測斷面進行支護處理時，應加密測次。

7)做好監測記錄，測記3次，取其平均值為量測結果。

3.1.2巖體內部儀器（位移計和錨桿應力計）觀測要求

1)儀器埋設前、埋設過程中及埋設完畢后各觀測1次。

2)安裝、埋設初期 1～3 d 時，2～12 h 觀測 1 次；4～14 d時，每天觀測1次；之后，每3 d天觀測1次；當變形趨于平緩可逐漸增長量測的間隔時間；如果發現異常情況、附近有施工等因素影響，應加密讀數頻次。

3)儀器埋設的水泥漿固化24 h后，觀測初始讀數，確定觀測基準值。

4)埋設的所有儀器設備都根據施工的環境條件和相應的技術規范，確定準確的起始基準，作為讀數資料對比的基礎。

3.1.3聲波測試

1)首先對巖體聲波參數測試儀按SL120-95《巖石聲波參數測試儀校驗方法》進行校驗，并測定儀器與換能器系統的零延時；記錄時間精確到0.1μs。

2)聲波測試采用單孔法，聲波探頭為一發雙收，發射點和接收點間距為0.3 m，兩個接收點間距為0.2 m；在聲波探頭連接桿上做好刻度，每次移動距離0.2 m。

3)聲波測試結果應與巖芯柱狀圖進行綜合比較分析，發現異常應重新測試，找出原因，確保測值科學可靠。

4)繪制聲波波速與孔深的關系曲線，繪制圍巖不同波速的輪廓線；然后根據測試結果建議合理的圍巖錨固深度。

3.1.4爆破振動監測

采用爆破振動監測儀，對爆破震動影響場進行監測，爆破震動觀測共6場，每場2～3次，每次布置5個測點，測點布置在距掌子面10，15，25，40，60 m，在洞壁鉆孔φ100,孔深20 cm，測點離地面1.5 m高處。

及時給出各類圍巖的測試成果，保證試驗成果準確可靠，解決工程中實際問題，主要提交以下預期試驗成果：各類炮孔的振動值，各類圍巖振動系數K值和每段允許最大瞬時起爆藥量，對圍巖擾動較小的爆破參數確定，降低對圍巖的擾動。

3.2 相關信息收集

洞室結構的失穩不是孤立的，與洞室結構型式、地應力場、地質構造、地下水、施工方法等諸因素有關。因此，在進行上述直接信息采集的同時，必要時還要收集圍巖或支護結構變形物理量值或物理量值變化過程的相關信息。

相關設計資料：洞室結構型式，結構計算結果等。

地質資料：勘測和施工階段的地質資料以及現場地質調查信息。

現場施工情況：開挖方式、開挖順序、爆破參數、支護型式、支護參數等現場施工情況信息。

試驗資料：原位試驗資料或模型試驗資料。

3.3 知識型信息的收集

施工期安全監測是一項復雜的系統工程，是對巖石力學問題在工程中全局性、綜合性的解答。用簡單的、有限的監測信息量進行圍巖狀態性描述，必然產生盲目性和片面性。因此，還要收集：地下工程專家的意見，即從事多年地下工程理論與實踐的專家意見；相近或相似的國內外已建工程和在建工程安全監測信息；國內外技術規程規范等。

3.4 施工期安全監測觀測資料處理與分析

對每天的觀測數據要及時進行處理，一般在24 h內處理完，對于測值突變或出現異常觀測斷面的觀測資料，現場采集后要立即進行處理，分析異常值產生的原因。采集的資料經過計算機基本處理后，繪制成物理量過程線以及各種特征值的統計，初步考察物理量的變化規律。

對直接信息、相關信息和知識型信息建立數據庫，與已建立的方法庫進行關聯，借用人工或專家系統對這些信息進行識別和判斷，找出影響圍巖或支護結構穩定的關鍵信息，并加以綜合分析，給出圍巖或支護結構評判標準值（在施工階段，這些標準值隨著信息的積累要不斷修改和完善），以后采集的信息與標準值進行對比分析，給出圍巖或支護結構的工程狀態。

3.5 信息反饋

取得現場資料后，及時進行整理分析。然后視情況及時進行信息反饋。實施中主要采用以下3種反饋方式：監測簡報；階段報告；口頭或電話通報。任何以簡報形式傳遞給業主、監理、設計、施工單位的監測信息，均包括必要的監測數據過程線或數據表格，而更為重要的則在于以經過處理的信息為基礎，加上其它相關信息所形成的綜合分析意見和相應建議等，這將構成有關部門及時做出相關工程決策的重要前提條件之一。反饋內容為監測信息、驗證設計和指導施工3個方面。

巖土工程監測研究屬于系統工程，涉及的內容很多，需要設計、施工、地質、建設、監理等各有關方面密切配合、積極協作，經常交流信息、交換意見，并需各有關單位指定專人負責日常聯系、落實到位，以保證整個監測研究工作有條不紊地進行。

4 結語

1）地下洞室在施工期，安全是制約工程的重要因素。通過施工期安全監測工作及時掌握隧洞施工期間圍巖的穩定情況，提供圍巖變形信息，利用監測數據進行安全預報。

2）施工安全與施工方法和施工程序有關，合理的施工程序不僅確保工程安全，而且有效地減少工程投資，利用監測資料信息指導施工，依據開挖一次支護后的穩定能力和穩定時間，確定施工方法和施工程序，根據監測資料確定支護類型和支護參數。

3）通過施工期和部分運行期監測，使整個地下工程成為安全監測受控結構，從而能夠做到對圍巖、支護結構進行較準確的分析和對較大的結構或圍巖險情提前預報。施工期監測應在保證隧洞穩定、施工安全的條件下，研究圍巖的自身承載能力，減少邊墻和頂拱錨桿數量和深度的可能性，研究支護措施，為簡化施工程序、加快施工進度、減少工程投資提供科學依據。

4）利用監測資料復核施工臨時措施的安全程度，保證二次襯砌后的隧洞安全運行。

5）對運行期安全監測積累前期資料，通過施工期和運行期全過程對圍巖變形的監測，能夠詳細分析和評價圍巖穩定情況，及時了解和掌握工程在各階段的工作狀態，對未來運行狀態做出準確預測預報，從而控制工程安全運行，充分發揮工程效益。

6）驗證設計理論，對監測資料進行詳細研究和分析，驗證設計假定，提高設計理論水平；采用反饋分析計算，改進設計方法，優化設計方案，降低工程造價，同時積累經驗，推動工程技術的發展。

［1］張立德，周小兵，趙長海，等.軟巖隧洞設計與施工技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2006，9.

［2］劉忠富，劉天鵬，等.蒲石河抽水蓄能電站地下廠房三維初始應力場反演分析［J］.巖土力學，2008（11）.

［3］劉忠富，郝長生，任建欽，等.軟巖地區隧洞一次支護級及變形特性研究［J］.東北水利水電，2004（7）.

［4］遼寧省水利水電勘測設計研究院.大伙房水庫輸水應急入連工程初步設計報告［R］.沈陽：遼寧省水利水電勘測設計研究院，2008.