大型水電工程地下廠房施工期圍巖變形監(jiān)測(cè)

大型水電工程地下廠房施工期圍巖變形監(jiān)測(cè)

1巖體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)地下水設(shè)備圍巖表面變形時(shí)，通常通過水準(zhǔn)儀測(cè)量拱頂和邊緣墻的沉降，并通過圍巖計(jì)算進(jìn)行體積測(cè)量。隨著地下廠房的下挖,以上監(jiān)測(cè)手段對(duì)上部測(cè)點(diǎn)不再適用,為了使上部測(cè)點(diǎn)保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性,必須找到可行的監(jiān)測(cè)方法,于是出現(xiàn)了三維非接觸變形測(cè)量方法。三維非接觸變形監(jiān)測(cè)的基本思想是通過對(duì)比測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的三維坐標(biāo)(X,Y,Z),得到該測(cè)點(diǎn)在該時(shí)段內(nèi)的位移(相對(duì)某一初始狀態(tài))。采用快速、高精度的電子全站儀,以光學(xué)方式遠(yuǎn)距離確定測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),能獲取測(cè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù),具有快速、省力、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高和無需接近測(cè)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。巖體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)按原理分點(diǎn)法和線法兩種。點(diǎn)法監(jiān)測(cè)只能提供有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),難以準(zhǔn)確刻劃出巖體內(nèi)部變形,水電站地下廠房巖體內(nèi)部變形通常鉆孔埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行量測(cè);線法監(jiān)測(cè)是沿一條相當(dāng)長(zhǎng)的測(cè)線進(jìn)行近乎連續(xù)的測(cè)量,因此獲取的信息量大,可以比較準(zhǔn)確地描述巖體內(nèi)部變形,劃分巖體邊坡松動(dòng)區(qū),這一優(yōu)點(diǎn)為現(xiàn)有的一些監(jiān)測(cè)方法所不及。線法變形監(jiān)測(cè)在歐美各國已得到了廣泛應(yīng)用,其典型設(shè)備有滑動(dòng)測(cè)微計(jì)、三向鉆孔變形計(jì)及測(cè)斜儀等。水布埡水利樞紐地下廠房布置在清江右岸,位于壩子溝、張性大斷層F2、馬崖高邊坡以及清江右岸岸坡所圍成的四邊形山體之內(nèi),規(guī)模較大的F3貫穿其間。廠房區(qū)地層產(chǎn)狀平緩,地層結(jié)構(gòu)軟硬相間,軟巖巖組所占比例高,且?guī)r體中層間剪切帶廣泛發(fā)育,廠房區(qū)內(nèi)中、小斷層發(fā)育,在水輪機(jī)層以上為軟硬相間的棲霞組灰?guī)r,以下由棲霞組第一段(P1q1)、馬鞍組(P1ma)、黃龍組(C2h)及寫經(jīng)寺組(D3x)等軟弱巖體組成,尾水洞大部分在寫經(jīng)寺組軟巖中通過。這種復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)廠房洞室群開挖、支護(hù)及圍巖穩(wěn)定十分不利。廠房洞室群中的軟巖成洞、主廠房頂拱與邊墻穩(wěn)定、巖壁吊車梁持力層穩(wěn)定、主廠房?jī)?nèi)主要交叉洞口處巖體穩(wěn)定、主廠房機(jī)窩圍巖穩(wěn)定等均是設(shè)計(jì)與施工中的主要工程地質(zhì)問題?；谒紙核麡屑~地下廠房地質(zhì)條件的復(fù)雜性,中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所承擔(dān)了清江水布埡水利樞紐地下廠房圍巖施工期變形快速監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)反饋分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化研究工作,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作采用高精度的全站儀和滑動(dòng)測(cè)微計(jì)分別對(duì)地下廠房施工期巖體表面和深部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2測(cè)試原理2.1a、b點(diǎn)的坐標(biāo)系三維坐標(biāo)的計(jì)算原理如下:圖1中,O為全站儀的三軸交點(diǎn),X軸平行A、B連線的水平投影。在測(cè)站上若分別測(cè)定了A、B兩點(diǎn)的水平方位角HZA、HZB和天頂距VA、VB和斜距SA、SB,則可以算出A、B點(diǎn)在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo):式中:H=HZB-HZA;β為OA方向與Y軸間的夾角。由式(1),(2)可知,若A、B為已知點(diǎn),在任意設(shè)置測(cè)站的情況下,都可以建立以AB的平行線為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系,只要求出OA與Y軸的夾角β即可。在上述坐標(biāo)系中,顧及AY=BY,則由此可得式中:β可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)S、V、H等求出,求β的實(shí)質(zhì)在于測(cè)站坐標(biāo)系的定向?？臻g任意點(diǎn)P,在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為式中:HP=HZP-HZA。通過對(duì)測(cè)點(diǎn)在不同測(cè)試時(shí)間的坐標(biāo)測(cè)值比較,可以算出測(cè)點(diǎn)的沉降及測(cè)線的收斂數(shù)值。2.2通過灌漿、調(diào)壓、測(cè)標(biāo)與被測(cè)介質(zhì)的同步變形來解釋變形規(guī)律滑動(dòng)測(cè)微計(jì)用于軸向變形線法測(cè)量的原理大致如下:塑性套管上每米有一個(gè)金屬測(cè)標(biāo),將測(cè)線劃分成若干段,通過灌漿,測(cè)標(biāo)與被測(cè)介質(zhì)牢固地澆筑在一起。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)發(fā)生變形時(shí),將帶動(dòng)測(cè)標(biāo)與之同步變形,用滑動(dòng)變形計(jì)逐段測(cè)出各標(biāo)距長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化,從而得到反映被測(cè)介質(zhì)沿測(cè)線的變形分布規(guī)律的數(shù)據(jù)?；瑒?dòng)測(cè)微計(jì)在工程上的應(yīng)用如圖2所示。3監(jiān)控連接和監(jiān)測(cè)儀器3.1分層開挖的檢測(cè)斷面位置三維收斂監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)在地下廠房開挖斷面的示意位置見圖3。測(cè)點(diǎn)編號(hào)3,7分別為主廠房上、下游側(cè)墻點(diǎn),4,6為拱肩點(diǎn),5為拱頂點(diǎn),2點(diǎn)靠上游,距I層底板1.5m左右,8點(diǎn)靠下游,位置同2點(diǎn);1,9點(diǎn)在廠房4層開挖處,A、B點(diǎn)分別在廠房5層開挖底部的上下游邊墻上。X軸正方向指向掌子面。測(cè)點(diǎn)編號(hào)第1位為洞號(hào),第2,3位為斷面號(hào),第4,5位為點(diǎn)號(hào)。以下斷面號(hào)簡(jiǎn)稱為Sn,n為斷面號(hào)。一般自廠房II層以下上、下游側(cè)墻每斷面2個(gè)測(cè)點(diǎn),每10m左右布設(shè)1個(gè)斷面。滑動(dòng)測(cè)微計(jì)測(cè)孔在地下廠房開挖斷面的示意位置見圖3,其中1層排水洞布置3個(gè)測(cè)孔,目的在于監(jiān)測(cè)拱頂圍巖的變形情況。在2層排水洞布置3個(gè)測(cè)孔,目的在于監(jiān)測(cè)地下廠房向下開挖過程中,廠房直立墻(重點(diǎn)是下部軟巖)的變形和穩(wěn)定情況,同時(shí)有效地監(jiān)測(cè)引水洞間巖體的變形情況。在4#施工支洞布置5個(gè)測(cè)孔,目的在于監(jiān)測(cè)地下廠房向下開挖過程中,廠房邊墻(重點(diǎn)是下部軟巖)的變形和穩(wěn)定情況,有效地監(jiān)測(cè)母線洞與尾水洞間巖體的變形情況。3.2酶活劑巖體表面三維非接觸變形監(jiān)測(cè)采用徠卡TCA2003A全站儀進(jìn)行,儀器精度為1mm+1ppm及0.5’’,附屬設(shè)備包括棱鏡、反光膜片、強(qiáng)力照射燈等。巖體深部變形監(jiān)測(cè)采用瑞士SOLEXPERTS公司生產(chǎn)的滑動(dòng)測(cè)微計(jì),精度為0.003mm,附屬設(shè)備包括測(cè)頭導(dǎo)向鏈、連接桿、絞車、二次儀表等。4監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作自2002年12月開始,至2005年5月結(jié)束,歷時(shí)30個(gè)月。4.1監(jiān)測(cè)結(jié)果三維非接觸變形監(jiān)測(cè)中典型測(cè)點(diǎn)(測(cè)線)的監(jiān)測(cè)成果見圖4~6。線法監(jiān)測(cè)中典型測(cè)孔的監(jiān)測(cè)成果見圖7~10。4.2地下開發(fā)系統(tǒng)收斂監(jiān)測(cè)拱頂區(qū)域中沉降監(jiān)測(cè)最大累積沉降為4.5mm(位于0+60樁號(hào)下游拱角線附近的10617測(cè)點(diǎn)),收斂監(jiān)測(cè)最大累積收斂為5.8mm(位于0+130樁號(hào)拱角線附近的11317~11313測(cè)線)。地下廠房高邊墻最大累積沉降為8.9mm(位于0+96.5樁號(hào)、高程約為182的606A測(cè)點(diǎn)),收斂監(jiān)測(cè)最大累積收斂為14.7mm(位于0+100.5樁號(hào)、高程約為182的607A~607B測(cè)線)。沉降和收斂監(jiān)測(cè)中變形較大的測(cè)點(diǎn)基本集中在地下廠房開挖中的第五、六層的巖體上。4.3圍巖變形情況由于滑動(dòng)測(cè)微計(jì)測(cè)孔采取預(yù)埋形式,通過對(duì)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)可以較好地掌握在地下廠房逐層下挖過程中圍巖的變形情況。從1層排水洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,地下廠房在開挖V層前,拱頂?shù)淖冃魏苄?0.1mm以內(nèi));V層開挖后,1層排水洞測(cè)孔的累積變形均有不同程度的小突變,S2–2和S3–2測(cè)孔的當(dāng)月變形量在2mm左右。從V層支護(hù)到機(jī)組蝸殼的開挖,1層排水洞測(cè)孔的累計(jì)變形都很小,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從2層排水洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,地下廠房在開挖V層前,邊墻的變形很小(0.2mm以內(nèi));V層開挖后,2層排水洞測(cè)孔的累計(jì)變形均有不同程度的突變,測(cè)點(diǎn)保持完整的S2–1孔當(dāng)月變形量在6mm左右;VI層開挖后,S2–1的當(dāng)月變形量在2mm左右;至機(jī)組蝸殼的開挖,S2–1孔的當(dāng)月變形量在1mm左右,2004年10月后S2–1孔基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。詳見圖9。從4#施工支洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,S2-3A測(cè)孔在2004年7月下旬以后的監(jiān)測(cè)中,只能測(cè)到11個(gè)測(cè)點(diǎn),即使對(duì)導(dǎo)向鏈的加工(寬度方向尺寸各減少2mm),也沒能夠恢復(fù)正常監(jiān)測(cè)。而S2-1測(cè)孔在8月下旬的監(jiān)測(cè)中,只能測(cè)到5個(gè)測(cè)點(diǎn),導(dǎo)向鏈不能進(jìn)一步送入測(cè)孔里,經(jīng)過對(duì)導(dǎo)向鏈的加工(寬度方向尺寸各減少2mm),該測(cè)孔恢復(fù)正常監(jiān)測(cè)。由此可見,自廠房第VI層開挖以來,廠房邊墻變形較大,滑動(dòng)測(cè)微計(jì)測(cè)孔里埋設(shè)的PVC管受到巖體的擠壓產(chǎn)生變形,使得導(dǎo)向鏈進(jìn)出困難。地下廠房開挖期間圍巖變形是穩(wěn)定的,沒有發(fā)現(xiàn)突變現(xiàn)象。但自V、VI層開挖以來,無論三維收斂還是滑動(dòng)測(cè)微計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都表明廠房在開挖過程中,廠房頂拱變形處于穩(wěn)定狀態(tài),而兩側(cè)邊墻的變形量都有所增加,變形速率較以往增大,尤其在邊墻的中下部。隨著廠房的深入開挖(機(jī)組蝸殼的開挖),廠房繼續(xù)產(chǎn)生變形,變形的重點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩側(cè)邊墻,尤其在邊墻的中下部,但是變形速率在減小,至2005年4月,地下廠房拱頂和邊墻的變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。4.4地下開發(fā)的體變形比選1層排水洞的3個(gè)測(cè)孔由于埋設(shè)滯后,測(cè)點(diǎn)變形值較小,巖體的變形規(guī)律未能充分體現(xiàn)。二層排水洞和4#施工支洞的測(cè)孔累計(jì)變形值稍大,巖體的變形主要由某些局部點(diǎn)的變形構(gòu)成,如S1-1測(cè)孔的8#、17#測(cè)點(diǎn),S2–1測(cè)孔的7#、34#測(cè)點(diǎn),以及S1–3測(cè)孔的6#、10#、13#和19#測(cè)點(diǎn)等等,如圖10和表1所示。變形較大的測(cè)點(diǎn)均是巖體被較軟弱結(jié)構(gòu)面切割的部位,因此,地下廠房直立墻的變形主要由結(jié)構(gòu)面或軟弱面的張開引起的。地下廠房邊墻滑動(dòng)測(cè)微計(jì)測(cè)孔中,典型測(cè)點(diǎn)位移值之和占相應(yīng)測(cè)孔累積位移值的比例大都在60%以上。4.5雙網(wǎng)保護(hù)及5.2方法通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作,取得如下科研成果即獲得國家專利局授權(quán)實(shí)用新型專利:一項(xiàng)是插銷式測(cè)孔保護(hù)裝置(專利號(hào)03254422.7)。獲得國家專利局授權(quán)實(shí)用新型專利:一種雙面測(cè)量靶標(biāo)(專利號(hào)CN200520099332.6)。獲得國家版權(quán)局授權(quán)軟件登記:滑動(dòng)變形計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)V1.0版(登記號(hào)2005SR04658)。5圍巖監(jiān)測(cè)手段的應(yīng)用采用高精度的全站儀和滑動(dòng)測(cè)微計(jì)分別對(duì)水布埡水利樞紐地下廠房施工期巖體表面和深部變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),在國內(nèi)大型水電工程地下廠房尚屬首次。針對(duì)地下廠房復(fù)雜地質(zhì)條