大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程——輸水隧洞施工期安全監(jiān)測設(shè)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(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽110006）

大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程碧流河水庫北段工程引水規(guī)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(shè)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(zhuǎn)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(wěn)流池與隧洞相連，隧洞出口采用穩(wěn)流池與后部管道相連。

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

1 安全監(jiān)測設(shè)計依據(jù)和原則

施工期監(jiān)測依據(jù)的主要規(guī)程、規(guī)范和設(shè)計文件為：DL/T5195—2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》；GB50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》；SL264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》。

為監(jiān)測該工程施工期基本狀況及受力效應(yīng)的變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并分析處理，確保工程安全運行，兼顧指導(dǎo)施工和驗證設(shè)計參數(shù)的目的，考慮國內(nèi)外安全監(jiān)測發(fā)展水平，安全監(jiān)測設(shè)計遵循以下原則：

1）根據(jù)工程的級別、地形地質(zhì)條件，按著突出重點、統(tǒng)籌安排，合理布置的原則確定；

2）監(jiān)測儀器的布設(shè)以安全監(jiān)控為主，同時兼顧指導(dǎo)施工、驗證設(shè)計；

3）監(jiān)測斷面選在地質(zhì)條件差，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜和比較薄弱的部位；

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

5）儀器設(shè)備監(jiān)測與巡視檢查相結(jié)合。

2 監(jiān)測內(nèi)容及儀器布置

2.1 圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測

為觀測隧洞頂拱圍巖內(nèi)部位移，在隧洞的頂拱設(shè)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(jié)構(gòu)部位頂拱布置2套，在Ⅲ類圍巖存在不利組合結(jié)構(gòu)和軟弱夾層部位或結(jié)構(gòu)面抗剪強度較低部位頂拱布置2套，在Ⅳ和Ⅴ類結(jié)構(gòu)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(yīng)力監(jiān)測

在圍巖內(nèi)設(shè)置錨桿應(yīng)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(jié)構(gòu)部位布置2個斷面，在Ⅲ類圍巖存在不利組合結(jié)構(gòu)和軟弱夾層部位或結(jié)構(gòu)面抗剪強度較低部位布置2個斷面，在Ⅳ和Ⅴ類結(jié)構(gòu)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(yīng)力計斷面布置在變形監(jiān)測斷面附近，以便相互對比分析。

2.3 收斂監(jiān)測

Ⅰ類圍巖不設(shè)監(jiān)測斷面；Ⅱ類圍巖在存在不利組合結(jié)構(gòu)部位設(shè)監(jiān)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(jié)構(gòu)和軟弱夾層部位或結(jié)構(gòu)面抗剪強度較低部位加密設(shè)監(jiān)測斷面，一般監(jiān)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(jiān)測斷面間距為3倍洞徑，結(jié)構(gòu)體為千枚巖-片巖類洞段，監(jiān)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(jiān)測285個斷面，在監(jiān)測過程中,根據(jù)各類圍巖中的穩(wěn)定性類別,調(diào)整斷面間距，監(jiān)測斷面數(shù)量可能增加或減少。

2．4 爆破震動監(jiān)測

洞室掘進爆破時，不合理的藥量可能對圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不良的影響。采用爆破自動監(jiān)測儀，對爆破震動影響場進行監(jiān)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(diào)整爆破參數(shù)，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(zhì)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(jīng)驗公式和允許振速以指導(dǎo)施工。

2．5 聲波監(jiān)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(jiān)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(shù)要求

3.1 現(xiàn)場資料采集

施工期觀測，是指儀器埋設(shè)（或收斂測樁安裝）后到向發(fā)包人移交觀測設(shè)施及工作這段期間的觀測，對圍巖或支護結(jié)構(gòu)變形特征信息進行采集，即通過監(jiān)測儀器采集圍巖或支護結(jié)構(gòu)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(dǎo)工程安全施工尤為重要，是施工期安全監(jiān)測的基礎(chǔ)。

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

3.1.1收斂觀測要求

1)隧洞開挖到監(jiān)測斷面立刻埋設(shè)測樁，進行首次監(jiān)測，作為監(jiān)測初始讀數(shù)。

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

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

6)監(jiān)測斷面進行支護處理時，應(yīng)加密測次。

7)做好監(jiān)測記錄，測記3次，取其平均值為量測結(jié)果。

3.1.2巖體內(nèi)部儀器（位移計和錨桿應(yīng)力計）觀測要求

1)儀器埋設(shè)前、埋設(shè)過程中及埋設(shè)完畢后各觀測1次。

2)安裝、埋設(shè)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(fā)現(xiàn)異常情況、附近有施工等因素影響，應(yīng)加密讀數(shù)頻次。

3)儀器埋設(shè)的水泥漿固化24 h后，觀測初始讀數(shù)，確定觀測基準值。

4)埋設(shè)的所有儀器設(shè)備都根據(jù)施工的環(huán)境條件和相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，確定準確的起始基準，作為讀數(shù)資料對比的基礎(chǔ)。

3.1.3聲波測試

1)首先對巖體聲波參數(shù)測試儀按SL120-95《巖石聲波參數(shù)測試儀校驗方法》進行校驗，并測定儀器與換能器系統(tǒng)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(fā)雙收，發(fā)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(jié)果應(yīng)與巖芯柱狀圖進行綜合比較分析，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)重新測試，找出原因，確保測值科學(xué)可靠。

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

3.1.4爆破振動監(jiān)測

采用爆破振動監(jiān)測儀，對爆破震動影響場進行監(jiān)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(yù)期試驗成果：各類炮孔的振動值，各類圍巖振動系數(shù)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(shù)確定，降低對圍巖的擾動。

3.2 相關(guān)信息收集

洞室結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)不是孤立的，與洞室結(jié)構(gòu)型式、地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、施工方法等諸因素有關(guān)。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(jié)構(gòu)變形物理量值或物理量值變化過程的相關(guān)信息。

相關(guān)設(shè)計資料：洞室結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果等。

地質(zhì)資料：勘測和施工階段的地質(zhì)資料以及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查信息。

現(xiàn)場施工情況：開挖方式、開挖順序、爆破參數(shù)、支護型式、支護參數(shù)等現(xiàn)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(jiān)測是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是對巖石力學(xué)問題在工程中全局性、綜合性的解答。用簡單的、有限的監(jiān)測信息量進行圍巖狀態(tài)性描述，必然產(chǎn)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(nèi)外已建工程和在建工程安全監(jiān)測信息；國內(nèi)外技術(shù)規(guī)程規(guī)范等。

3.4 施工期安全監(jiān)測觀測資料處理與分析

對每天的觀測數(shù)據(jù)要及時進行處理，一般在24 h內(nèi)處理完，對于測值突變或出現(xiàn)異常觀測斷面的觀測資料，現(xiàn)場采集后要立即進行處理，分析異常值產(chǎn)生的原因。采集的資料經(jīng)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(tǒng)計，初步考察物理量的變化規(guī)律。

對直接信息、相關(guān)信息和知識型信息建立數(shù)據(jù)庫，與已建立的方法庫進行關(guān)聯(lián)，借用人工或?qū)＜蚁到y(tǒng)對這些信息進行識別和判斷，找出影響圍巖或支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵信息，并加以綜合分析，給出圍巖或支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的工程狀態(tài)。

3.5 信息反饋

取得現(xiàn)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(jiān)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(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工單位的監(jiān)測信息，均包括必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線或數(shù)據(jù)表格，而更為重要的則在于以經(jīng)過處理的信息為基礎(chǔ)，加上其它相關(guān)信息所形成的綜合分析意見和相應(yīng)建議等，這將構(gòu)成有關(guān)部門及時做出相關(guān)工程決策的重要前提條件之一。反饋內(nèi)容為監(jiān)測信息、驗證設(shè)計和指導(dǎo)施工3個方面。

巖土工程監(jiān)測研究屬于系統(tǒng)工程，涉及的內(nèi)容很多，需要設(shè)計、施工、地質(zhì)、建設(shè)、監(jiān)理等各有關(guān)方面密切配合、積極協(xié)作，經(jīng)常交流信息、交換意見，并需各有關(guān)單位指定專人負責日常聯(lián)系、落實到位，以保證整個監(jiān)測研究工作有條不紊地進行。

4 結(jié)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(jiān)測工作及時掌握隧洞施工期間圍巖的穩(wěn)定情況，提供圍巖變形信息，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全預(yù)報。

2）施工安全與施工方法和施工程序有關(guān)，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(jiān)測資料信息指導(dǎo)施工，依據(jù)開挖一次支護后的穩(wěn)定能力和穩(wěn)定時間，確定施工方法和施工程序，根據(jù)監(jiān)測資料確定支護類型和支護參數(shù)。

3）通過施工期和部分運行期監(jiān)測，使整個地下工程成為安全監(jiān)測受控結(jié)構(gòu)，從而能夠做到對圍巖、支護結(jié)構(gòu)進行較準確的分析和對較大的結(jié)構(gòu)或圍巖險情提前預(yù)報。施工期監(jiān)測應(yīng)在保證隧洞穩(wěn)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(shù)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(xué)依據(jù)。

4）利用監(jiān)測資料復(fù)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(jiān)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(jiān)測，能夠詳細分析和評價圍巖穩(wěn)定情況，及時了解和掌握工程在各階段的工作狀態(tài)，對未來運行狀態(tài)做出準確預(yù)測預(yù)報，從而控制工程安全運行，充分發(fā)揮工程效益。

6）驗證設(shè)計理論，對監(jiān)測資料進行詳細研究和分析，驗證設(shè)計假定，提高設(shè)計理論水平；采用反饋分析計算，改進設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計方案，降低工程造價，同時積累經(jīng)驗，推動工程技術(shù)的發(fā)展。

［1］張立德，周小兵，趙長海，等.軟巖隧洞設(shè)計與施工技術(shù)［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(yīng)力場反演分析［J］.巖土力學(xué)，2008（11）.

［3］劉忠富，郝長生，任建欽，等.軟巖地區(qū)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(shè)計研究院.大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程初步設(shè)計報告［R］.沈陽：遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，2008.