大伙房水库输水应急入连工程——输水隧洞施工期安全监测设计

葛 鑫，朱海龙，祁海燕

（1.大连市供水有限公司，辽宁 大连 116011；2.辽宁宏禹水利工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳110006）

大伙房水库输水应急入连工程碧流河水库北段工程引水规模3亿m3/a，主要供水对象为大连市。隧洞采用无压洞，进口设在山坡中部，隧洞进口底高程为142.84 m，隧洞成折线形布置，洞线共折转二次，洞线总长为14.11 km，底坡为0.034%，断面采用割圆拱直墙形式，底宽3.2 m，直墙高2.65 m，圆拱半径1.96 m，净高3.48 m。本洞线穿越的地层，主要岩性为二长花岗岩类，约占整个隧洞段的82.6%，其次为千枚岩-片岩和混合岩。隧洞衬砌混凝土采用C25，W 6，围岩段衬砌厚度Ⅱ类为0.3 m、Ⅲ类为0.4 m、Ⅳ和Ⅴ类为0.5 m。前部管道采用直径2.8 m的压力钢管及进口稳流池与隧洞相连，隧洞出口采用稳流池与后部管道相连。

本工程于2009年8月正式开工建设，计划在2012年11月主体工程完工并试通水。

1 安全监测设计依据和原则

施工期监测依据的主要规程、规范和设计文件为：DL/T5195—2004《水工隧洞设计规范》；GB50086—2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》；SL264—2001《水利水电工程岩石试验规程》。

为监测该工程施工期基本状况及受力效应的变化规律，及时发现异常现象并分析处理，确保工程安全运行，兼顾指导施工和验证设计参数的目的，考虑国内外安全监测发展水平，安全监测设计遵循以下原则：

1）根据工程的级别、地形地质条件，按着突出重点、统筹安排，合理布置的原则确定；

2）监测仪器的布设以安全监控为主，同时兼顾指导施工、验证设计；

3）监测断面选在地质条件差，结构受力复杂和比较薄弱的部位；

4）不同监测项目的仪器尽可能集中布置，以便监测结果相互印证解释，同时要满足结构整体稳定分析的需要，并便于施工期的管理；

5）仪器设备监测与巡视检查相结合。

2 监测内容及仪器布置

2.1 围岩内部位移监测

为观测隧洞顶拱围岩内部位移，在隧洞的顶拱设置多点位移计（3点式）进行观测，在Ⅱ类围岩存在不利组合结构部位顶拱布置2套，在Ⅲ类围岩存在不利组合结构和软弱夹层部位或结构面抗剪强度较低部位顶拱布置2套，在Ⅳ和Ⅴ类结构体为千枚岩-片岩类洞段顶拱布置2套，共布置6套，各测点安装距离分别为1.5，3.5，10 m。

2.2 锚杆应力监测

在围岩内设置锚杆应力计，以观测锚杆的受力情况及支护效果，在Ⅱ类围岩存在不利组合结构部位布置2个断面，在Ⅲ类围岩存在不利组合结构和软弱夹层部位或结构面抗剪强度较低部位布置2个断面，在Ⅳ和Ⅴ类结构体为千枚岩-片岩类洞段布置2个断面，共布置6个断面，每个断面3支，布置在顶拱及左右拱角，共布置18支。锚杆应力计断面布置在变形监测断面附近，以便相互对比分析。

2.3 收敛监测

Ⅰ类围岩不设监测断面；Ⅱ类围岩在存在不利组合结构部位设监测断面，在长度11.675 km洞段间隔100 m布置1个，布置110个断面；Ⅲ类围岩存在不利组合结构和软弱夹层部位或结构面抗剪强度较低部位加密设监测断面，一般监测断面间距为5倍洞径，在长度0.9 km洞段布置45个断面；Ⅳ和Ⅴ类围岩一般监测断面间距为3倍洞径，结构体为千枚岩-片岩类洞段，监测断面间距小于3倍洞径，在长度1.550 km洞段布置130个断面，监测285个断面，在监测过程中,根据各类围岩中的稳定性类别,调整断面间距，监测断面数量可能增加或减少。

2．4 爆破震动监测

洞室掘进爆破时，不合理的药量可能对围岩稳定产生不良的影响。采用爆破自动监测仪，对爆破震动影响场进行监测，确定爆破安全允许振速和围岩与支护的防护标准，修改和调整爆破参数，从而减小掘进爆破时对已开挖洞段的破坏影响。爆破震动观测共计6次，3个标段中或3种地质洞段各进行2场，每场2～3次，每次布置5个测点，测点为垂直振动速度测试点。通过爆破震动观测，给出在各类围岩中爆破的振动影响场经验公式和允许振速以指导施工。

2．5 声波监测

为观测爆破对围岩松动范围的影响，在千枚岩-片岩类、混合岩、侵入岩围岩段各布置3个监测断面，每个断面布置5个声波孔，声波孔深4m，共布置9个断面45个孔，测孔布置在顶拱、左右拱角和左右边墙。

3 技术要求

3.1 现场资料采集

施工期观测，是指仪器埋设（或收敛测桩安装）后到向发包人移交观测设施及工作这段期间的观测，对围岩或支护结构变形特征信息进行采集，即通过监测仪器采集围岩或支护结构在施工过程中的变形物理量值和物理量值的变化过程，这对指导工程安全施工尤为重要，是施工期安全监测的基础。

每类围岩洞段各项测试内容尽量提前集中布置，为以后隧洞设计和施工安全提供科学依据，也可以保证在规定的时间内完成监测内容。在实施时做到四个“及时”，及时埋设、及时观测、及时整理分析资料和及时反馈监测信息。

3.1.1收敛观测要求

1)隧洞开挖到监测断面立刻埋设测桩，进行首次监测，作为监测初始读数。

2)掌子面开挖进尺前后各监测1次。3)对地质条件较差地段，初期监测时间间隔不大于24 h。4)当变形速率增加或出现异常情况时，相应增加测次严密监视，以便及时进行险情预报。

5)随着掌子面的推进，变形速率减小、围岩基本处于稳定时，可减少测次，一般可2～3 d监测1次，变形稳定后，每周监测1次。

6)监测断面进行支护处理时，应加密测次。

7)做好监测记录，测记3次，取其平均值为量测结果。

3.1.2岩体内部仪器（位移计和锚杆应力计）观测要求

1)仪器埋设前、埋设过程中及埋设完毕后各观测1次。

2)安装、埋设初期 1～3 d 时，2～12 h 观测 1 次；4～14 d时，每天观测1次；之后，每3 d天观测1次；当变形趋于平缓可逐渐增长量测的间隔时间；如果发现异常情况、附近有施工等因素影响，应加密读数频次。

3)仪器埋设的水泥浆固化24 h后，观测初始读数，确定观测基准值。

4)埋设的所有仪器设备都根据施工的环境条件和相应的技术规范，确定准确的起始基准，作为读数资料对比的基础。

3.1.3声波测试

1)首先对岩体声波参数测试仪按SL120-95《岩石声波参数测试仪校验方法》进行校验，并测定仪器与换能器系统的零延时；记录时间精确到0.1μs。

2)声波测试采用单孔法，声波探头为一发双收，发射点和接收点间距为0.3 m，两个接收点间距为0.2 m；在声波探头连接杆上做好刻度，每次移动距离0.2 m。

3)声波测试结果应与岩芯柱状图进行综合比较分析，发现异常应重新测试，找出原因，确保测值科学可靠。

4)绘制声波波速与孔深的关系曲线，绘制围岩不同波速的轮廓线；然后根据测试结果建议合理的围岩锚固深度。

3.1.4爆破振动监测

采用爆破振动监测仪，对爆破震动影响场进行监测，爆破震动观测共6场，每场2～3次，每次布置5个测点，测点布置在距掌子面10，15，25，40，60 m，在洞壁钻孔φ100,孔深20 cm，测点离地面1.5 m高处。

及时给出各类围岩的测试成果，保证试验成果准确可靠，解决工程中实际问题，主要提交以下预期试验成果：各类炮孔的振动值，各类围岩振动系数K值和每段允许最大瞬时起爆药量，对围岩扰动较小的爆破参数确定，降低对围岩的扰动。

3.2 相关信息收集

洞室结构的失稳不是孤立的，与洞室结构型式、地应力场、地质构造、地下水、施工方法等诸因素有关。因此，在进行上述直接信息采集的同时，必要时还要收集围岩或支护结构变形物理量值或物理量值变化过程的相关信息。

相关设计资料：洞室结构型式，结构计算结果等。

地质资料：勘测和施工阶段的地质资料以及现场地质调查信息。

现场施工情况：开挖方式、开挖顺序、爆破参数、支护型式、支护参数等现场施工情况信息。

试验资料：原位试验资料或模型试验资料。

3.3 知识型信息的收集

施工期安全监测是一项复杂的系统工程，是对岩石力学问题在工程中全局性、综合性的解答。用简单的、有限的监测信息量进行围岩状态性描述，必然产生盲目性和片面性。因此，还要收集：地下工程专家的意见，即从事多年地下工程理论与实践的专家意见；相近或相似的国内外已建工程和在建工程安全监测信息；国内外技术规程规范等。

3.4 施工期安全监测观测资料处理与分析

对每天的观测数据要及时进行处理，一般在24 h内处理完，对于测值突变或出现异常观测断面的观测资料，现场采集后要立即进行处理，分析异常值产生的原因。采集的资料经过计算机基本处理后，绘制成物理量过程线以及各种特征值的统计，初步考察物理量的变化规律。

对直接信息、相关信息和知识型信息建立数据库，与已建立的方法库进行关联，借用人工或专家系统对这些信息进行识别和判断，找出影响围岩或支护结构稳定的关键信息，并加以综合分析，给出围岩或支护结构评判标准值（在施工阶段，这些标准值随着信息的积累要不断修改和完善），以后采集的信息与标准值进行对比分析，给出围岩或支护结构的工程状态。

3.5 信息反馈

取得现场资料后，及时进行整理分析。然后视情况及时进行信息反馈。实施中主要采用以下3种反馈方式：监测简报；阶段报告；口头或电话通报。任何以简报形式传递给业主、监理、设计、施工单位的监测信息，均包括必要的监测数据过程线或数据表格，而更为重要的则在于以经过处理的信息为基础，加上其它相关信息所形成的综合分析意见和相应建议等，这将构成有关部门及时做出相关工程决策的重要前提条件之一。反馈内容为监测信息、验证设计和指导施工3个方面。

岩土工程监测研究属于系统工程，涉及的内容很多，需要设计、施工、地质、建设、监理等各有关方面密切配合、积极协作，经常交流信息、交换意见，并需各有关单位指定专人负责日常联系、落实到位，以保证整个监测研究工作有条不紊地进行。

4 结语

1）地下洞室在施工期，安全是制约工程的重要因素。通过施工期安全监测工作及时掌握隧洞施工期间围岩的稳定情况，提供围岩变形信息，利用监测数据进行安全预报。

2）施工安全与施工方法和施工程序有关，合理的施工程序不仅确保工程安全，而且有效地减少工程投资，利用监测资料信息指导施工，依据开挖一次支护后的稳定能力和稳定时间，确定施工方法和施工程序，根据监测资料确定支护类型和支护参数。

3）通过施工期和部分运行期监测，使整个地下工程成为安全监测受控结构，从而能够做到对围岩、支护结构进行较准确的分析和对较大的结构或围岩险情提前预报。施工期监测应在保证隧洞稳定、施工安全的条件下，研究围岩的自身承载能力，减少边墙和顶拱锚杆数量和深度的可能性，研究支护措施，为简化施工程序、加快施工进度、减少工程投资提供科学依据。

4）利用监测资料复核施工临时措施的安全程度，保证二次衬砌后的隧洞安全运行。

5）对运行期安全监测积累前期资料，通过施工期和运行期全过程对围岩变形的监测，能够详细分析和评价围岩稳定情况，及时了解和掌握工程在各阶段的工作状态，对未来运行状态做出准确预测预报，从而控制工程安全运行，充分发挥工程效益。

6）验证设计理论，对监测资料进行详细研究和分析，验证设计假定，提高设计理论水平；采用反馈分析计算，改进设计方法，优化设计方案，降低工程造价，同时积累经验，推动工程技术的发展。

［1］张立德，周小兵，赵长海，等.软岩隧洞设计与施工技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2006，9.

［2］刘忠富，刘天鹏，等.蒲石河抽水蓄能电站地下厂房三维初始应力场反演分析［J］.岩土力学，2008（11）.

［3］刘忠富，郝长生，任建钦，等.软岩地区隧洞一次支护级及变形特性研究［J］.东北水利水电，2004（7）.

［4］辽宁省水利水电勘测设计研究院.大伙房水库输水应急入连工程初步设计报告［R］.沈阳：辽宁省水利水电勘测设计研究院，2008.