收斂計在地下工程原型斷面圍巖位移監測上的應用

摘 要：厄瓜多爾索普拉多拉水電站進場交通洞及廠房工程具有工程量大、地質結構復雜、圍巖不穩定、地下滲水嚴重等特點。洞室表面收斂位移的量測對評價洞室穩定性和確定結構最佳襯砌時段都有指導作用，收斂計是專門用來測定洞室原型斷面圍巖位移的量測儀器。本文介紹了尺式收斂計在監測圍巖位移方面的應用，并對尺式收斂計發展趨勢與經濟效益做了分析。

關鍵詞：安全監測；收斂計；圍巖位移；收斂標點；誤差；發展趨勢

中圖分類號：TV223 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-02

一、概述

厄瓜多爾保特—索普拉多拉水電站為徑流式電站，采用引水式開發，沒有攔河閘（壩），利用地下互聯室直接接上一梯級電站保特-莫里諾水電站尾水，通過有壓引水隧洞、壓力管道向地下廠房機組供水發電。電站設計引用流量150m3/s，裝機3臺，總裝機容量487.8MW，多年平均年發電量2807GWh。工程區地震基本烈度為Ⅷ度。該工程屬于Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物級別互聯室、引水水洞、地下廠房和尾水隧洞等為2級。

二、收斂監測的目的及意義

索普拉多拉水電站進場交通洞在開挖過程中會出現兩種情況：一是巖體自身堅硬完整，則圍巖穩定；另一種是巖性軟弱，地質構造發育，使洞周圍切應力增大，將導致圍巖發生較大位移或松弛若再迭加其他不利因素將出現塌方或洞體破壞。收斂位移的量測是洞室工程現場監測中常用的方法，它可以了解圍巖和襯砌的變化形態，判斷圍巖壓力的類型，通過對收斂值分析計算來推算最大位移，達到研究工程圍巖及支護的變化規律，以準確地指導設計和施工。

三、收斂監測方法及收斂計的使用

（一）收斂計基本原理及讀數

其原理是利用機械傳遞位移的方法，將兩個基準點間的相對位移轉變為兩點間距離的兩次讀數差。

（二）收斂計的選型

1.機械式收斂計的優缺點

20世紀80年代以來，國產大部分收斂計主要以機械式結構為主，整體結構密封性差，儀器整體自動化程度低，微調部分大多采用30mm百分表讀數，讀數時需要將大、小指針所在的刻度值相加，讀數不直觀易造成視覺誤差且百分表損壞率高，加上收斂計結構設計不合理，收斂計計身較長增加了鋼尺擾度。

2.數顯式收斂計的發展

數顯式收斂計目前已成為國內收斂計發展的方向，它是一種簡單、方便、實用、小巧的儀器，結構設計更合理，操作簡單、讀數直觀、測試精度高、穩定性能好，能滿足地下工程惡劣環境的監測要求，已得到廣泛應用。

四、收斂標點制作、埋設及保護措施

（一）收斂標點的制作

對于收斂標點前面的掛環，最好使用比較細而卻有一定硬度的圓環，這樣收斂鋼尺的掛鉤比較容易掛上圓環。特殊情況下，圓環的材料可用比較粗的電焊條內芯制作，把電焊條外表砸碎，露出內芯后，把它纏繞在圓形鋼管上，形成圓環，對于圓環大小可根據收斂鋼尺的掛鉤大小調整，一般來說圓環直徑宜選取Φ65mm，把圓環焊接在鋼筋上，收斂標點就完成了。對于鋼筋直徑的選擇，最好用Φ20mm的螺紋鋼筋（如圖3所示），這樣即可保證收斂標點的強度，鋼筋長度150mm～250mm為宜，可以用沖擊鉆來鉆孔，在國外一般要求收斂計鉆孔深度30cm。

（二）收斂標點的埋設

一般要求收斂標點桿件深入圍巖內部，外露50～60mm，埋桿長度約150mm～250mm，可用沖擊鉆打孔埋設，孔內填入水泥砂漿或錨固劑，注意在巖壁打孔時，空口高程、樁號要一致，圍巖兩側安裝標點時圓環面要垂直洞室走向安裝，頂拱標點圓環面垂直于該監測斷面。

（三）收斂標點的保護

收斂標點埋設時距開挖的掌子面很近，為確保標點不受巖粉、油污及爆破飛石撞擊破壞，對標點采取以下保護措施：

1.鉆孔保護：在安裝收斂標點處先打直徑100mm，深50mm的孔，再在孔內鉆孔安裝收斂標點，這樣即可以保護收斂標點不被爆破飛石破壞，也可以保護在以后的施工過程中避免收斂標點被機械、鋼筋、鉆機等撞壞，缺點是費時且保護孔施工不方便。

2.安裝保護罩、保護板（如圖4所示）。保護板最好用直徑大一些的鋼管，從中間剖開，形成的保護板，在鋼管后焊接一定長度的鋼筋，在收斂標點前面鉆孔安裝，收斂標點在噴射混凝土前一定要預先保護，比如用盒子、薄膜包裹布片、標點外露部分抹黃油和其他的保護措施進行防護，用小紅旗做標記，避免噴射混凝土時損壞標點。

五、影響收斂監測成果的因素

觀測過程中有的誤差可以改進避免，有的因施工干擾無法清除，筆者認為，影響收斂觀測成果的因素可以分為以下幾類：

1.收斂標點安裝滯后，將會損失最初的圍巖收斂值。

2.爆破飛石撞擊、機械震動對標點的破壞。

3.壞境條件及對溫度的影響。

4.操作技術上的人為誤差，如：收斂值相差較遠。

七、鋼卷尺收斂計未來發展趨勢與經濟效益

（一）提高精度。隨著圍巖環境安全要求越來越高，以往鋼尺張力靠機械對正存在誤差，精度已不再適應測量要求，極有必要對加載張力精度的提高進行研究。

（二）采用球鉸結構。球鉸定向有利于儀器的大傾角量測，同時作為整體系統設計更加牢固不易變形。

（三）增大測量量程。隨著監測斷面和跨度的不斷增大，測量量程的增大也將成為必然。

（四）采用電動張緊機構。電動張緊機構可提高儀器的自動控制能力，大大減少操作工作人員的工作強度，缺點是不方便攜帶。

（五）選用新型材料。收斂計制造采用最新科技材料和新化學處理方法增強防腐能力，保證強度，減輕重量。

總之，結構新穎，操作簡便，測量精度高，體積小重量輕是未來收斂計的發展方向，研制出性能更加優異的收斂計是大勢所趨。

八、結束語

索普拉多拉水電站進場交通洞收斂量測工作持續數個月，各典型斷面爆破前后均量測一次，當每次爆破開挖巖體時監測斷面圍巖位移量均突變增大，極有規律，證明鋼卷尺收斂計的可靠性。收斂計是圍巖變形的設備中較為簡單，方便實用的儀器。結構新穎、操作簡便、測量精度高、體積小重量輕是其發展趨勢。性能更加優異的收斂計將為施工質量，優化支護參數，降低施工成本，提高安全生產水平有重要意義。

[作者簡介]高江（1985.05-），云南曲靖人，葛洲壩集團試驗檢測有限公司技術負責人，大學本科，助理工程師，研究方向：大壩安全監測；周天榮（1988.05-），女，湖北黃岡人，葛洲壩集團第二工程有限公司科長，大學本科，助理經濟師，研究方向：工程造價。