振弦式多點(diǎn)位移計(jì)在穿黃隧洞工程F3斷層施工中的應(yīng)用

高鵬偉，羅曉薇，朱海亞，周黎輝，高作宏

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066）

1 概況

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程共安裝埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)8套。其中，在隧洞豎井段A-A監(jiān)測斷面▽1.05 m處，布置多點(diǎn)位移計(jì)2套，對稱分布在豎井兩側(cè)；在隧洞斜井段B-B監(jiān)測斷面 （樁號(hào)為6+886.917）F12斷層破碎帶處，布置多點(diǎn)位移計(jì)3套，分布在洞頂拱和左右邊墻；在隧洞斜井段D-D監(jiān)測斷面（樁號(hào)為6+973.617）F3斷層破碎帶處，布置多點(diǎn)位移計(jì)3套，分布在洞頂拱和左右邊墻。

2 多點(diǎn)位移計(jì)選取及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 選取原則

根據(jù)穿黃隧洞工程技術(shù)條款及設(shè)計(jì)藍(lán)圖相關(guān)要求，按照國產(chǎn)優(yōu)先、操作方便、易于安裝、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用、技術(shù)過硬的儀器選取原則，擇優(yōu)選取了由水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的SXF型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)。該儀器是將3支SXF型多點(diǎn)位移計(jì)組合在一起，按照不同深度梯度埋設(shè)，用于測量同一測孔中不同深度裂縫的開合度，適用于隧道及洞室等水工建筑物的不同深度變位觀測。其特點(diǎn)有：長期穩(wěn)定、靈敏度高、溫度影響小、不銹鋼結(jié)構(gòu)、高防水性能、同時(shí)測量溫度、不受長電纜影響，適用于自動(dòng)化監(jiān)測。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

多點(diǎn)位移計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)，詳見表1。

表1 多點(diǎn)位移計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)

3 多點(diǎn)位移計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)

多點(diǎn)位移計(jì)主要由液壓錨頭、位移傳遞桿 （測桿）、PVC保護(hù)管、孔口預(yù)埋管、位移傳感器、測溫傳感器及保護(hù)筒、支撐板、排氣管、注漿管等組成。多點(diǎn)位移計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3.2 工作原理

結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，振弦式多點(diǎn)位移計(jì)的工作原理概括為：當(dāng)結(jié)構(gòu)物伸縮縫或裂縫的開合度（變形）發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使位移計(jì)左、右安裝座產(chǎn)生相對位移，該位移傳遞給振弦，使振弦受到應(yīng)力變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激撥振弦并測量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到被測結(jié)構(gòu)物伸縮縫或裂縫相對位移的變化量。同時(shí)，由位移計(jì)中的熱敏電阻可同步測出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。

4 多點(diǎn)位移計(jì)安裝設(shè)計(jì)要求

（1）在隧洞 F3斷層樁號(hào) 6+973.617上半拱 180°范圍內(nèi)共布置了3套多點(diǎn)位移計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)分別為T-M3401、T-M3402、T-M3403，如圖2所示。

（2）多點(diǎn)位移計(jì)錨頭按三點(diǎn)布置，錨頭錨固深度分別為 3、8、15 m。

（3）鉆孔深度為16 m，鉆孔直徑孔前端為0.5 m、孔內(nèi) 15.5 m，如圖 3 所示。

（4）儀器連接電纜為8芯位移計(jì)專用屏蔽電纜，采用鋼管保護(hù)埋設(shè)在混凝土內(nèi)牽引至監(jiān)測站。

（5）多點(diǎn)位移計(jì)在距掌子面5 m以內(nèi)安裝埋設(shè)，安裝后48 h內(nèi)嚴(yán)禁爆破作業(yè)。

5 多點(diǎn)位移計(jì)安裝的難點(diǎn)分析及對策

5.1 難點(diǎn)分析

在隧洞內(nèi)安裝埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，由于工作面狹窄且與土建施工相互干擾等因素的影響，施工難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

（1）儀器安裝埋設(shè)需要造孔，造孔均在洞內(nèi)進(jìn)行，施工場地狹窄，造孔角度要求較高，又要不影響土建施工工期。

（2）位移計(jì)要在隧洞襯砌前完成，一旦失誤補(bǔ)救困難，而且直接影響土建施工進(jìn)度。

（3）觀測電纜需穿鋼管進(jìn)行保護(hù)，在隧洞、廊道內(nèi)牽引，牽引及保護(hù)難度非常大。

5.2 主要對策與措施

（1）配備多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)造孔，合理安排施工工序，以滿足土建工期要求。

（2）配備長期從事原型觀測工作的技師2人和技術(shù)工人5人。在施工過程中，加強(qiáng)與土建施工人員聯(lián)系，儀器設(shè)備安裝前進(jìn)行技術(shù)交底和協(xié)調(diào)，減少相互干擾。

（3）在保證工程施工順利進(jìn)行的前提下，確保3套多點(diǎn)位移計(jì)完好率達(dá)到100%。

6 多點(diǎn)位移計(jì)現(xiàn)場安裝

6.1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)設(shè)計(jì)施工要求，備齊包括附件的成套儀器及安裝時(shí)所需要的各種輔助工具（如鋼鋸、鉗子、螺絲刀、扳手、電錘等）。由于多點(diǎn)位移計(jì)屬于大型且構(gòu)造較為復(fù)雜的觀測儀器，在現(xiàn)場安裝前必須在室外按照說明書對其完整地組裝一次，這樣做的目的是盡可能地避免正式安裝時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，做到心中有數(shù)。

6.2 鉆孔及洗孔

在設(shè)計(jì)位置處，通過測量放點(diǎn)確定出鉆孔的具體位置。同時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔。為確保儀器安裝順利以及鉆孔孔壁光滑，該工程采用XY-2PC地質(zhì)鉆機(jī)和金剛石鉆頭進(jìn)行鉆孔，并對通過的巖石發(fā)育較差的破碎帶巖體部分進(jìn)行了注漿加固處理。鉆孔結(jié)束后，檢查鉆孔暢通情況，測量鉆孔深度、方位、傾角，并對巖芯進(jìn)行描述，做好鉆孔記錄。儀器安裝前，采用導(dǎo)管通入大流量水流，從孔底向孔外沖洗，壓力為1 MPa。

6.3 孔口預(yù)埋管

將孔口預(yù)埋管用3個(gè)M8的膨脹螺栓固定在孔口，調(diào)整孔口預(yù)埋管位置，使孔口預(yù)埋管與鉆孔在同一軸線上，然后用水泥砂漿將孔口預(yù)埋管與孔口接觸面縫隙完全封堵。

6.4 安裝過程及要求

（1）錨頭與位移傳遞桿的安裝：將位移傳遞桿一端擰緊到錨頭上，另一端再連接一支位移傳遞桿，然后外套PVC保護(hù)管，并與錨頭擰緊，位移傳遞桿間連接螺紋涂上膠粘劑后擰緊，PVC保護(hù)管間用PVC膠粘牢，依次連接傳遞桿與保護(hù)管。按設(shè)計(jì)要求，分別將3個(gè)錨頭安裝在孔內(nèi)深度為3、8、15 m處，灌漿管隨最深的錨頭一起到孔底，深度加深0.5 m。為了便于安裝和傳遞位移，每隔1個(gè)傳遞桿加支撐板1個(gè)，各測點(diǎn)全部連接到位后在孔口安裝管上用螺母分別拉住傳遞桿，固定在安裝板之后即可進(jìn)行灌漿。

（2）灌漿：灌注砂漿采用清潔細(xì)砂與 P·O42.5 水泥，按水灰比 0.5∶1 配制而成，灌漿壓力小于 5 kg/mm2。灌漿過程中，孔內(nèi)空氣不斷從排氣管內(nèi)排出，排氣管中開始回漿時(shí)即表明灌滿，此時(shí)停止灌漿，堵住灌漿管和排氣管。

（3）位移傳感器（位移計(jì)）的安裝：在灌注砂漿達(dá)到初凝后，剪去外露的排氣管和灌漿管。用專用接頭將傳感器與傳遞桿連接在一起，將傳感器固定在儀器安裝盤上，按設(shè)計(jì)要求將位移計(jì)測量范圍調(diào)整至50 mm，在儀器安裝盤上調(diào)整傳感器的初始位置，安裝保護(hù)罩完畢后將位移傳感器電纜從保護(hù)罩的電纜孔引出。儀器安裝48 h后，正式投入運(yùn)行。

7 多點(diǎn)位移計(jì)觀測數(shù)據(jù)采集及分析

7.1 數(shù)據(jù)采集

本工程采用南京葛南實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的VW-102A型振弦讀數(shù)儀進(jìn)行日常數(shù)據(jù)采集，主要測量儀器的輸出值、溫度值等相關(guān)信息。

7.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

將現(xiàn)場采集的數(shù)值按下式計(jì)算出其位移變化量：

式中：J′為位移變化量（mm）；k為位移計(jì)的最小讀數(shù)（mm/kHz2），由廠家所附卡片給出；△F為實(shí)時(shí)測量的位移計(jì)輸出值相對于基準(zhǔn)值的變化量（kHz2）；F為實(shí)時(shí)測量的位移計(jì)輸出值（kHz2）。

7.3 基準(zhǔn)值選取

基準(zhǔn)值指儀器安裝埋設(shè)后，開始工作前的監(jiān)測值?；鶞?zhǔn)值的確定是一項(xiàng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工序，確定不當(dāng)會(huì)引起系統(tǒng)性的誤差，直接影響以后資料分析的正確性。監(jiān)測儀器基準(zhǔn)值的確定原則是：全面考慮儀器性能、安裝埋設(shè)的位置、所測介質(zhì)的特性、環(huán)境等因素。為確保每支位移計(jì)傳感器基準(zhǔn)值選取的準(zhǔn)確性，必須在多點(diǎn)位移計(jì)安裝埋設(shè)完畢注漿24 h后確定基準(zhǔn)值，分別對傳感器進(jìn)行3次測試，其差值小于1%F.S時(shí)的平均值即確定為基準(zhǔn)值。

7.4 數(shù)據(jù)采集成果

數(shù)據(jù)采集成果詳見表2。

表2 F3斷層多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)采集成果匯總

7.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析的主要內(nèi)容：一是初步分析，重點(diǎn)判識(shí)有無異常監(jiān)測值；二是根據(jù)特定重點(diǎn)監(jiān)測時(shí)段的工作需要或上級(jí)主管部門的要求，開展較為系統(tǒng)全面的綜合分析。根據(jù)分析的要求，利用計(jì)算機(jī)分析各監(jiān)測物理量的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢以及各種原因量和效應(yīng)量的相關(guān)關(guān)系和相關(guān)程度，并繪制出相應(yīng)的觀測變化過程線圖。這樣，可以直觀地了解和分析監(jiān)測值的變化大小和規(guī)律、影響監(jiān)測值的荷載因素和其對監(jiān)測值的影響程度，判斷監(jiān)測值有無異常。F3斷層多點(diǎn)位移計(jì)多點(diǎn)位移觀測變化過程線如圖4所示。

通過近半年多對F3斷層安裝的多點(diǎn)位移計(jì)的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合觀測變化過程線圖來看：埋設(shè)在F3斷層頂拱高程6.852 m處的巖體位移最大變化量為0.11 mm；埋設(shè)在F3斷層右邊墻高程2.108 m處的巖體位移最大變化量為0.107 mm；埋設(shè)在F3斷層左邊墻高程2.114 m處的巖體位移累計(jì)變化量為-0.082 mm。從數(shù)據(jù)整理分析來看，F(xiàn)3斷層安裝的3套多點(diǎn)位移計(jì)測值都屬于正常變化范圍之內(nèi)，斷層周邊圍巖處于安全狀態(tài)。

8 結(jié)語

（1）通過科學(xué)的管理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、周密的計(jì)劃、細(xì)致的工作方法，穿黃隧洞工程F3斷層安裝埋設(shè)的3套振弦式多點(diǎn)位移計(jì)質(zhì)量評定等級(jí)全部達(dá)到優(yōu)良，優(yōu)良率為100%。

（2）通過科學(xué)的、先進(jìn)的計(jì)算分析方法和豐富的經(jīng)驗(yàn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，嚴(yán)格區(qū)分正常數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，去偽存真，分析成果為F3斷層的安全預(yù)報(bào)、安全評估、技術(shù)決策提供了重要依據(jù)。同時(shí)，將數(shù)據(jù)定期反饋給設(shè)計(jì)院及施工單位，為論證施工方案的可行性、優(yōu)化施工設(shè)計(jì)提供了觀測依據(jù)。