多點位移計在南水北調禹州礦區段變形監測中的應用

□宋義東（河南省水利勘測有限公司）

禹州煤礦區煤系地層接近東西走向，采空區亦呈東西向展布，南水北調中線工程總干渠避不開采空區。采空區埋深多為100~269m之間，地表已形成有移動盆地，移動盆地東西長1700余米，南北寬約40m。隨著工程的相繼開工建設，禹州段煤礦采空區的穩定問題是否還對渠道工程存在影響是十分突出的技術問題，為此在禹州礦區渠段沿總干渠左岸布置多點位移計埋設鉆孔3個，每個鉆孔分別在埋深15m、30m、40m、50m、60m位置埋設位移計5套。通過對禹州礦區巖土體內部變形監測，了解采空區在施工前、施工期、運行初期的變形情況，判斷采空區對總干渠渠道及建筑物的影響并預測發展趨勢，為采空區段工程優化設計、施工、工程運行管理提供可靠的技術依據。

1.多點位移計選取與安裝埋設

1.1 多點位移計的選取

根據工程特點和要求，選取儀器性能穩定、經濟適用、操作方便、易于安裝的原則，本次使用了基康儀器（北京）有限公司生產的BGK-A3型多點位移計。該儀器可以將6支BGK4450型位移傳感器組合在一起，按照不同深度埋設，用于測量同一測孔中不同深度位移變化量，適用巖土體內部不同深度位移觀測。該儀器主要特點有：靈敏度較高、穩定性強、溫度影響很小、防腐蝕性能好（不銹鋼結構）、防水性能好、可同時測量溫度等。

1.2 多點位移計的組成與工作原理

多點位移計主要由安裝基座、基座保護筒、傳感器、過渡管、不銹鋼測桿、測桿保護管、灌漿錨頭等組成。

多點位移計工作原理：在鉆孔內不同深度的錨頭用灌漿錨固的方法與孔壁錨固為一體，當圍巖沿鉆孔軸線方向發生位移時，其位移量就通過與錨頭聯結在一起的鋼桿傳遞到孔口的傳感器上，得出與位移成比例的電壓或頻率變化，并在顯示器上顯示，然后，將電測信號換算成位移量。

1.3 主要技術參數

本工程使用的多點位移計主要技術參數，詳見表1。

表1 多點位移計主要技術參數表

1.4 儀器安裝埋設

多點位移計安裝埋設程序：測量放點→鉆孔→儀器組裝→儀器安裝（配裝模擬傳感器）→灌漿→待漿液固化后→安裝傳感器（取下模擬傳感器）→按要求進行觀測→孔口保護臺施工。

1.4.1 鉆孔

根據測量放點確定鉆孔位置，鉆孔開始前，校核鉆孔位置。為了保證儀器安裝順利，采用150型鉆機配以BW-160型泥漿泵鉆進，鉆進過程中鉆孔保持垂直。根據多點位移計要求的鉆孔直徑和孔深造孔，開孔直徑150m m，鉆100cm后改用直徑130m m鉆頭在150m m鉆孔的孔底中心開孔。鉆孔深度比最深錨頭深2m左右。儀器安裝前用0.5M Pa壓力清水將孔沖洗干凈。鉆孔結束后對巖芯進行描述記錄，檢查鉆孔通暢情況,測量鉆孔深度。

1.4.2 儀器安裝

事先在寬闊、平整、干凈的場地將錨頭、測桿、測桿保護管、灌漿管、排氣管等組裝好，測桿保護管接頭處使用PVC膠粘劑粘接。將組裝好的多點位移計測桿放進孔內,到測桿保護管剛好到孔的外側位置，在固定支座與保護管的連接處涂抹PVC膠粘劑,然后把它嵌入與套管管口平齊,直到膠粘劑固化為止。將模擬傳感器安裝固定到基座傳感器固定桿上，按對應的孔位對好基座。灌漿完成后，等到漿液初凝，將模擬傳感器拆下，把多點位移計傳感器安裝固定到基座傳感器固定桿上，并同時記錄下每支傳感器的出廠編號以及對應的測桿編號和錨頭位置。根據預估的位移調整傳感器的工作點，當傳感器固定好后，將配套讀數儀接到儀器的導線上，測記初始讀數。安裝孔口保護裝置。

1.4.3 錨頭灌漿錨固

全部錨頭和傳遞桿安裝完畢后，經檢驗確定無誤，用水泥漿進行封孔灌漿，注漿材料其彈模接近或小于其周圍介質（本工程基巖段采用水泥漿，第四系覆蓋層采用泥漿灌注）。接好灌漿泵,以0.1～0.2M Pa的灌漿壓力進行灌漿。灌漿材料水泥漿、水灰比為1:2，加入水泥重7%的膨脹劑，1%的減水劑。泥漿采用膨潤土加10%的水泥為灌漿材料。在灌漿前,首先計算好各段所需要的漿液量，基巖段漿液量宜比實際計算量多出10%，以免基巖段灌漿深度不夠。然后將管路用泵打入水以降低磨擦,灌漿速度不可過快。待孔內注滿漿，停止數分鐘觀察是否有塌落，有塌落現象則及時補灌，最后封孔待漿液固化。在此期間嚴防錨頭部位巖體受振動或人為擾動。

2.數據采集與成果分析

2.1 數據采集計算

本項目使用了基康儀器（北京）有限公司生產的BGK-408型振弦讀數儀定期采集數據，該讀數儀采用全密封便攜式結構和菜單式人機交互操作，主要用于測量位移計的輸出值和溫度值等信息。

將現場采集的數據按公式計算位移變化量

式中：R0—初始始讀數

R1—當前讀數

G—廠家提供的儀器系數

K—傳感器修正系數

T1—傳感器當前溫度

T0—傳感器初始溫度

各個鉆孔多點位移計觀測計算成果見表2。

表2 禹州礦區多點位移計計算成果匯總表

2.2 基準值的確定

基準值的確定是影響觀測資料的正確性和分析巖土體內部變形穩定的關鍵，如果選擇不當會造成系統性誤差或錯誤，因此，通過現場試驗，我們確定將灌漿結束72h以后的傳感器測試值作為基準值，即儀器安裝埋設后，為確保每支位移計傳感器基準值選取的準確性，均在多點位移計鉆孔注漿72h后分別對每只傳感器進行3次測試，其差值＜1%F.S時的平均值作為基準值。

2.3 成果分析

首先對采集的數據和計算成果進行初步分析，檢查監測值和計算值有無異常。其中監測值于24h以內進行校對、整理、計算，發現異常及時查找原因或者進行復測核對；計算成果發現異常數據時檢查原始記錄數據是否正確、計算公式是否正確、選取的相關系數是否正確等。其次根據特定重點監測時段的工作需要，進行全面系統地綜合分析。根據分析的需要，利用計算機軟件分析、繪制相關位移變化量的圖表，分析巖土體內部位移變化規律和預測發展趨勢。繪制各種圖件可以清晰直觀地了解和分析監測值的變化大小和規律，判別監測數據是否異常。南水北調中線工程禹州礦區巖土體內部多點位移計觀測變化過程線如圖1所示。經過近5個月對多點位移計的數據采集，結合觀測變化過程線圖來看;埋設在禹州礦區段IDK-1孔的巖土體位移最大變化量為2.692m m：埋設在IDK-2的巖體位移最大變化量為-0.580m m；埋設在IDK-3孔的巖體位移累計變化量為5.305m m。從數據整理分析和施工環境的實際情況來看，禹州礦區段安裝的3個孔15套多點位移計測值都屬于正常變化范圍之內。

圖1 多點位移計觀測變化過程線圖

3.結語

通過對禹州礦區巖土體內部埋設多點位移計，進行巖土體內部變形監測。儀器安裝及觀測期間該渠斷正在進行采空區灌漿施工，特別是距離多點位移計埋設點很近的地方進行灌漿施工，對巖土體內部的變形影響較大，我們也可以從觀測變化過程線圖中看到，由于灌漿作用，部分觀測點出現上下跳動，說明不同位置的錨頭有升有降現象，觀測結果和實際施工現場情況比較吻合，因此，在禹州礦區埋設的多點位移計性能是優良的，觀測的數據是可靠的，可以為南水北調采空區段工程優化設計、施工、工程運行管理提供可靠的技術依據。