安全監(jiān)測(cè)在超深高壓豎井開(kāi)挖過(guò)程中的施工及作用

趙江鵬 趙洪旗 李立華 劉 輝 盧釗釗

（1、廣東華南水電高新技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州510610 2、長(zhǎng)澳大地工程有限公司，湖北 武漢430072）

1 電站概述

厄瓜多爾科卡科多辛克雷水電站（以下簡(jiǎn)稱“CCS 水電站”）為引水式電站，位于厄瓜多爾Napo省和Sucumbios 省之間Chaco 地區(qū)和Lumbaqui 地區(qū)Coca 河流域，電站位于Salado鎮(zhèn)。CCS水電站項(xiàng)目總裝機(jī)容量1500MW，安裝8 臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量88 億kW·h。主要由首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫(kù)、地下引水發(fā)電系統(tǒng)4 個(gè)部分組成。CCS 水電站引水隧洞共布置有2 條壓力管道系統(tǒng)，采用1 拖4、“T”形分岔的供水方式。每條壓力管道系統(tǒng)由進(jìn)水口、上平洞、豎井、下平洞、鋼管主管、岔管、支管組成。上平洞呈八字形布置，豎井及下平洞平行布置，中心間距80.15m，壓力管道最大靜水頭617.50m。

豎井由上彎段、垂直段及下彎段組成：上、下彎段轉(zhuǎn)彎半徑30m，長(zhǎng)47.12m；1#豎井垂直段長(zhǎng)478.855m，2#豎井垂直段長(zhǎng)476.195m。豎井段開(kāi)挖前期采用反井法施工形成直徑2m 的溜渣井，后期開(kāi)挖采用新奧法施工，最大垂直開(kāi)挖高度527m（含上下彎段）。豎井與上平段呈90°夾角，與下平段呈92°夾角；斷面均為圓形，開(kāi)挖設(shè)計(jì)洞徑為7.3m，最大開(kāi)挖洞徑達(dá)到Φ8.0m。

根據(jù)業(yè)主方提供的前期勘測(cè)資料，豎井部位僅在1#豎井左側(cè)20m 位置鉆有1 個(gè)從地表向下鉆探的300m 深地勘孔，地勘資料結(jié)果表明，引水豎井所在部位地層從老至新依次為：①M(fèi)isahualli火山巖（J-Km），以火山凝灰?guī)r和火山角礫巖為主；②Hollin 沉積巖（Kh），泥巖和砂巖互層；③Napo沉積巖（Kn），泥巖、砂巖、灰?guī)r和泥灰?guī)r，以強(qiáng)風(fēng)化為主；④第四系地層（Q），復(fù)雜成因松散沉積，厚度一般5～30m。上述地層中，泥巖一般為較軟巖，砂巖為較硬巖，火山凝灰?guī)r和火山角礫巖為硬巖。鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，除斷層或擠壓破碎帶外，一般巖體滲透性為弱至中等程度透水。按RMR 分級(jí)結(jié)果為：豎井段Ⅱ類圍巖長(zhǎng)度為443m，占全豎井段的82%；Ⅲ類圍巖長(zhǎng)度為61m，占全豎井段的11%；Ⅴ類圍巖長(zhǎng)度為40m，占全豎井段的7%。

2 安全監(jiān)測(cè)布置

壓力管道豎井段安全監(jiān)測(cè)斷面布置如圖1 所示。為了掌握豎井在開(kāi)挖支護(hù)階段圍巖變形、錨桿應(yīng)力、滲透水壓力情況，分別在1 號(hào)、2 號(hào)豎井EL925.0m高程處各布設(shè)了1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面儀器布置如圖2 所示（1 號(hào)豎井），每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)4 套3 點(diǎn)式位移計(jì)，4 支錨桿應(yīng)力計(jì)，2 支滲壓計(jì)。

圖1 壓力管道豎井段安全監(jiān)測(cè)斷面布置圖

圖2 壓力管道豎井段開(kāi)挖期監(jiān)測(cè)斷面儀器布置圖（1 號(hào)豎井）

3 安全監(jiān)測(cè)的施工

3.1 監(jiān)測(cè)儀器的選型

圖3 壓力管道1 號(hào)豎井多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值過(guò)程

圖4 壓力管道1 號(hào)豎井錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值過(guò)程

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，所安裝的監(jiān)測(cè)儀器均需滿足3MPa 的抗水壓強(qiáng)度。在選擇監(jiān)測(cè)儀器抗水壓強(qiáng)度時(shí)，考慮到兩點(diǎn)：一是監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)高程為EL925.0m，庫(kù)區(qū)最高設(shè)計(jì)水位高程為EL1231.0m，通過(guò)換算，水頭壓力差略大于3MPa；二是后期高壓固結(jié)灌漿的影響，灌漿壓力的控制存在諸多不確定因素。綜合考慮，所安裝的監(jiān)測(cè)儀器均選擇抗水壓強(qiáng)度為4MPa。多點(diǎn)位移計(jì)選用國(guó)產(chǎn)弦式儀器，最大量程100mm，分辨率0.0235%F.S，測(cè)點(diǎn)為3 個(gè)，測(cè)點(diǎn)最深深度為10m。錨桿應(yīng)力計(jì)選用國(guó)產(chǎn)弦式儀器，量程為-200～+300MPa，分辨率0.025%F.S，長(zhǎng)度0.2m，配筋直徑Φ25mm。滲壓計(jì)選用英國(guó)弦式儀器，量程4MPa，精度±0.1%F.S。

3.2 儀器的安裝

豎井開(kāi)挖過(guò)程中工作面較小，為了避免近距離爆破振動(dòng)、爆破飛石對(duì)監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)線纜造成破壞，在掌子面超出監(jiān)測(cè)斷面10m后，重新提升施工平臺(tái)進(jìn)行多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)的鉆孔工作。

3.2.1 多點(diǎn)位移計(jì)的安裝

多點(diǎn)位移計(jì)孔口1m 鉆孔孔徑為Φ130mm，孔內(nèi)9.5m 鉆孔孔徑為Φ110mm，共計(jì)10.5m。開(kāi)孔前調(diào)整好鉆機(jī)角度及方向，鉆孔過(guò)程中采用低壓慢速鉆進(jìn)，鉆孔完成后用清水沖洗孔內(nèi)10～15min，并用連接的PVC管檢查孔內(nèi)通暢情況。多點(diǎn)位移計(jì)拼裝前先對(duì)傳感器進(jìn)行檢查，確定其外觀完好無(wú)損，然后用二次儀表檢測(cè)看有無(wú)讀數(shù)不穩(wěn)情況。檢查無(wú)誤后對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)按設(shè)計(jì)值進(jìn)行預(yù)拉，預(yù)拉完畢用支架進(jìn)行固定，擰緊固定螺絲。由于豎井開(kāi)挖設(shè)計(jì)直徑為7.3m，受現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制，多點(diǎn)位移計(jì)的拼裝工作只能在豎井口臥地拼裝完成，然后捆綁在鋼絲繩上采用卷?yè)P(yáng)機(jī)往下放至施工平臺(tái)，連隨注漿管、排氣管一起推送至孔內(nèi)。為了避免儀器的安裝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而耽誤開(kāi)挖施工，孔口封堵材料選用固化快、粘結(jié)強(qiáng)度高的樹(shù)脂錨固劑來(lái)進(jìn)行封口，封口完成1 小時(shí)后即可進(jìn)行注漿。注漿水灰比為0.6：1，注漿壓力控制≤0.5MPa，直至孔口排氣管和孔底排氣管全部返漿15～20s 后停止注漿。灌漿24h 后進(jìn)行支架拆除，拆除前先用二次儀表對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，記下各測(cè)點(diǎn)測(cè)值A(chǔ)。拆除支架后測(cè)量記錄各測(cè)點(diǎn)測(cè)值B，比較測(cè)值B和設(shè)計(jì)要求測(cè)值C大小，看有無(wú)超出設(shè)計(jì)要求，如超出應(yīng)進(jìn)行二次預(yù)拉。調(diào)試完畢測(cè)讀3 次，取3 次平均值作為多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值。

3.2.2 錨桿應(yīng)力計(jì)的安裝

錨桿應(yīng)力計(jì)鉆孔孔徑為Φ90mm，孔深為4.5m，鉆孔方向與多點(diǎn)位移計(jì)重合，高程低0.5m，二者測(cè)值可作對(duì)比分析驗(yàn)證。鉆孔方式、安裝步驟、灌漿方法與多點(diǎn)位移計(jì)相同，這里不作重復(fù)描述。錨桿應(yīng)力計(jì)配筋分為兩部分，孔口部分錨桿長(zhǎng)度1.1m，外露0.1m，孔底部分錨桿長(zhǎng)度2.8m，配筋直徑與系統(tǒng)支護(hù)錨桿保持一致為Φ25mm。錨桿應(yīng)力計(jì)安裝采用套筒連接，絲扣部位用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封，防止氧化生銹。灌漿24h 后對(duì)安裝的錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)讀3次，取3 次平均值作為基準(zhǔn)值。

3.2.3 滲壓計(jì)的安裝

滲壓計(jì)安裝前應(yīng)先用水浸泡24h，待透水石完全飽和后才能進(jìn)行安裝，取安裝前測(cè)讀3 次測(cè)值的平均值作為滲壓計(jì)基準(zhǔn)值。鉆孔孔徑為Φ90mm，孔深為0.5m，安裝高程與多點(diǎn)位移計(jì)相同，安裝位置為2 支多點(diǎn)位移計(jì)夾角中線處，避免多點(diǎn)位移計(jì)灌漿沿圍巖裂隙滲漏堵塞滲壓計(jì)透水石。滲壓計(jì)采用土工布縫制的布袋包裹，布袋里面填充洗凈的中沙充當(dāng)透水層。滲壓計(jì)放入孔內(nèi)前，先用水泥對(duì)孔內(nèi)壁進(jìn)行涂抹，形成一層薄密的水泥保護(hù)層，防止后期高壓固結(jié)灌漿堵塞透水石，接著依次填入粒徑5～10mm 的小石、中沙，隨后把裝入儀器的布袋放置孔內(nèi)，布袋與孔壁四周空隙用粗砂填充，最后用樹(shù)脂錨固劑封堵孔口。

4 安全監(jiān)測(cè)在施工中的作用

4.1 把控圍巖位移

圖5 壓力管道1 號(hào)豎井滲壓計(jì)測(cè)值過(guò)程

隨著豎井的開(kāi)挖，掘進(jìn)深度不斷加深，圍巖深層部位、表層部位變形是怎樣發(fā)展趨勢(shì)，是否與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相符合，變形量是否滿足繼續(xù)安全開(kāi)挖的條件，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確的提供顯得尤為重要。豎井段監(jiān)測(cè)斷面安裝的多點(diǎn)位移計(jì)為3 點(diǎn)式位移計(jì)，能夠監(jiān)測(cè)圍巖不同深度的變形。圖3 為埋設(shè)在1 號(hào)豎井監(jiān)測(cè)斷面的一套多點(diǎn)位移計(jì)時(shí)間- 位移過(guò)程曲線。通過(guò)曲線圖可以看出，圍巖變形主要集中在表面，隨著1 號(hào)豎井開(kāi)挖深度不斷加深，圍巖變形隨之緩慢增加，1 號(hào)豎井開(kāi)挖結(jié)束，豎井段全線貫通，圍巖變形速率出現(xiàn)明顯遞增，隨后逐步減小直至趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析，發(fā)生這一系列變形是因?yàn)樵谪Q井開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖面附近原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭受破壞，周圍巖體的應(yīng)力重新調(diào)整，包括主應(yīng)力大小和方向均發(fā)生改變，直至豎井開(kāi)挖完成，圍巖最大主應(yīng)力方向最終旋轉(zhuǎn)為與豎井相切，中間主應(yīng)力方向最終旋轉(zhuǎn)為豎井軸向，最小主應(yīng)力方向最終旋轉(zhuǎn)為豎井的徑向?qū)е碌?。隨著開(kāi)挖的結(jié)束圍巖變形趨于穩(wěn)定，說(shuō)明豎井段在開(kāi)挖過(guò)程中采用新奧法施工是安全的。豎井開(kāi)挖過(guò)程中最大變形量為1.1mm，發(fā)生在圍巖表面，說(shuō)明豎井開(kāi)挖過(guò)程中主要變形來(lái)自于靠近洞壁處圍巖。

4.2 檢驗(yàn)噴錨支護(hù)效果

豎井段開(kāi)挖過(guò)程中采用新奧法施工，初噴隨開(kāi)挖及時(shí)跟進(jìn)，掛網(wǎng)和復(fù)噴在Ⅲ類圍巖滯后開(kāi)挖掌子面約5m，Ⅳ類圍巖每開(kāi)挖一個(gè)循環(huán)，支護(hù)一個(gè)循環(huán)。梅花形布置的系統(tǒng)錨桿結(jié)合掛網(wǎng)噴錨對(duì)圍巖進(jìn)行了加固處理，充分利用了圍巖自身的承載能力。同時(shí)利用開(kāi)挖過(guò)程中反饋的地質(zhì)資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整噴錨支護(hù)參數(shù)，總體上保證了豎井段圍巖的穩(wěn)定。豎井段監(jiān)測(cè)斷面安裝的錨桿應(yīng)力計(jì)配筋與系統(tǒng)支護(hù)錨桿一致，直徑為25mm。圖4 為埋設(shè)在1 號(hào)豎井監(jiān)測(cè)斷面與圖3 所示多點(diǎn)位移計(jì)同部位的錨桿應(yīng)力計(jì)時(shí)間- 應(yīng)力過(guò)程曲線。從曲線圖可以看出，錨桿應(yīng)力計(jì)所測(cè)應(yīng)力變化過(guò)程按時(shí)間順序?yàn)橄染徛黾?，后逐步減小，隨后應(yīng)力迅速增加，隨之迅速減小直至平穩(wěn)。與該部位多點(diǎn)位移計(jì)按時(shí)間軸順序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)，錨桿應(yīng)力的變化真實(shí)反映了該部位圍巖應(yīng)力、變形情況，錨桿應(yīng)力與圍巖變形成正相關(guān)，當(dāng)圍巖變形發(fā)生明顯遞增時(shí)，錨桿應(yīng)力也隨之增大，符合豎井段開(kāi)挖實(shí)際施工情況，圍巖應(yīng)力與圍巖變形變化趨勢(shì)基本相對(duì)應(yīng)。從錨桿應(yīng)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，豎井段開(kāi)挖過(guò)程錨桿應(yīng)力最大為1.4MPa，表明圍巖應(yīng)力較小，錨桿應(yīng)力未達(dá)到屈服狀態(tài)，噴錨支護(hù)加固圍巖效果明顯。

4.3 監(jiān)測(cè)滲水指導(dǎo)施工

豎井段反井鉆導(dǎo)孔打通后，滲水量較大，經(jīng)過(guò)流量測(cè)量，滲流達(dá)80～152.6L/s。經(jīng)過(guò)對(duì)比水文氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)工程所處地區(qū)長(zhǎng)年多雨，地表水豐富且受季節(jié)變化影響較小。初步分析，豎井段滲水主要來(lái)源于地表水補(bǔ)給地下水。

開(kāi)挖深度未達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面前，采取排水措施主要為排水孔排水，當(dāng)洞內(nèi)有大面積滲漏水時(shí)，采用手風(fēng)鉆鉆孔將水匯流引入排水孔內(nèi)進(jìn)行排水，排水孔直徑40～50mm，入巖深度3.0m，間距2～3m。當(dāng)洞內(nèi)有小面積滲水時(shí)采用排水孔排水無(wú)形中增加了工作量也影響施工進(jìn)度。當(dāng)洞內(nèi)出現(xiàn)大的涌水且較集中時(shí)，排水孔排水又無(wú)法滿足排水需求，噴出的有壓水也對(duì)施工造成了一定難度。

1 號(hào)豎井監(jiān)測(cè)斷面安裝的滲壓計(jì)時(shí)間- 水頭過(guò)程曲線如圖5所示，通過(guò)曲線圖可以看出，滲壓計(jì)剛安裝時(shí)，埋設(shè)部位有少量水頭，說(shuō)明監(jiān)測(cè)斷面附近圍巖有少量含水。隨著開(kāi)挖深度加深，監(jiān)測(cè)斷面附近圍巖含水逐步減少，滲壓計(jì)測(cè)值出現(xiàn)負(fù)水頭。直至開(kāi)挖結(jié)束，滲壓計(jì)測(cè)值一直呈現(xiàn)負(fù)水頭，并趨于穩(wěn)定。初步分析滲壓計(jì)測(cè)值出現(xiàn)負(fù)值是因?yàn)槁裨O(shè)部位由有水頭轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水頭，出現(xiàn)負(fù)壓，導(dǎo)致傳感器膜片逆向變形而造成的，說(shuō)明開(kāi)挖過(guò)程中采取排水措施是可行的，有明顯效果，同時(shí)應(yīng)根據(jù)滲水量大小改進(jìn)排水方案，采取不同的排水措施。經(jīng)過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)滲流量大小采取了排水孔排水、盲溝系統(tǒng)排水和涌水引排三種方式相結(jié)合的排水方法，為豎井開(kāi)挖期和后期襯砌混凝土澆筑提供了干地施工環(huán)境，保障了施工工期有效按計(jì)劃進(jìn)行。

5 結(jié)論

通過(guò)厄瓜多爾- 科卡科多辛克雷水電站超深高壓豎井開(kāi)挖施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看：

5.1 安全監(jiān)測(cè)的規(guī)范施工是保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠的前提。

5.2 及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息是加快施工進(jìn)度、提高經(jīng)濟(jì)效益、保障施工安全的有效手段。

5.3 利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中不同圍巖深度變形的物理量進(jìn)行科學(xué)可靠的量化分析，可以掌握圍巖變形形態(tài)及趨勢(shì)，為施工進(jìn)度保駕護(hù)航。

5.4 不同監(jiān)測(cè)類型的監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)綜合對(duì)比分析在一定程度上可以校核由單種儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)的精度誤差，從而更準(zhǔn)確的驗(yàn)證豎井開(kāi)挖噴錨支護(hù)效果，及時(shí)調(diào)整不合理的支護(hù)參數(shù)，為以后新建同類型項(xiàng)目提供寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

5.5 施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的監(jiān)測(cè)信息調(diào)整施工措施，指導(dǎo)施工。