地下洞室群施工期安全监测分析

(浙江省围海建设集团股份有限公司，浙江 宁波　315040)

1　概　述

随着我国众多水利水电工程的开工兴建，工程质量与工程安全问题越来越受到国家、社会的广泛关注。进入新世纪以来，伴随西部大开发和西电东送工程的开展，我国相继动工建设了一批高坝大库等水利枢纽工程，其中一些枢纽工程包括有地下洞室建筑物。地下洞室的开挖，工作条件较为复杂，设计与实际运行存在一定差距。基于以上原因，对地下洞室进行施工期的安全监测尤为重要[1-2]。本文以金沙江下游向家坝水电站地下洞室群围岩的安全监测为例，通过分析施工期实际监测数据，研究向家坝水电站地下洞室群施工期围岩稳定性及安全监测在地下洞室群开挖期间的作用，为在复杂地质条件下地下洞室群的设计及开挖提供借鉴和参考。

2　工程概况

向家坝水电站是三峡公司金沙江下游河段规划的最末一个梯级电站，坝址位于四川省宜宾市(左岸)和云南省水富县(右岸)交界的金沙江峡谷出口处，距下游宜宾市33km，距水富县城1.5km。

电站装机600万kW，共安装8台单机容量为75万kW的机组，两岸厂房各安装4台机组，其中左岸为坝后式厂房、右岸为地下厂房。右岸地下厂房是由主厂房、主变洞、母线洞、引水洞、尾水洞、交通洞等组成的大型地下洞室群。地下主厂房开挖总长度245.4m，岩锚梁以上开挖跨度33.4m，岩锚梁以下开挖跨度31.4m，总高度84.5m，主厂房洞室规模在目前国内外已建、在建和拟建洞室中最大[3]。其三维布置见图1。

图1　向家坝电站地下洞室三维布置

3　监测仪器布置

向家坝水电站地下洞室群安全监测仪器布置原则为：以监测设计为主，仪器布设少而精，一种仪器多用途，重点部位多方法监测，监测内容相互验证[4]。埋设仪器主要有多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计、钢筋计、应变计组、测缝计、渗压计。这些仪器埋设在地下洞室群的进场交通洞、通风洞、主厂房、主变洞、引水洞、尾水主洞等部位。通过对监测仪器的不断维护，地下洞室群安全监测系统总体上工作良好，为地下洞室群的安全及可靠运行提供了有利保障。

4　地下洞室群监测资料分析

4.1　变形分析

为监测岩体不同深度的轴向位移，了解岩体变形及松动范围，合理确定岩体加固参数，为地下洞室的设计、开挖提供反馈分析，在地下洞室的拱顶、拱肩、边墙部位布设了多点位移计。选取跨度最大、施工难度最高的地下主厂房洞室作为典型断面进行分析。在主厂房7个断面共埋设36套多点位移计。主厂房典型断面多点位移计布置见图2[5]。

图2　多点位移计布置(单位：mm)注　图中1～7表示开挖分7期进行

图测点位移时间关系曲线

4.2　渗流渗压监测分析

为监测洞室内水压的变化，根据水文及工程地质情况以及当前施工进度，在进场交通洞、尾水洞、机窝部位布置有渗压计，各监测仪器埋设高程见下表[6]。

地下洞室群渗压计测点布置表

监测数据显示，目前所埋仪器渗压测值均较小。原因是目前金沙江水位较低，地下水位较低，渗流较小，导致围岩渗压较小。

4.3　应力、应变监测分析

4.3.1应变计组

为研究地下洞室群混凝土衬砌变化情况，安装埋设单项应变计和三向应变计。为分析外力对混凝土作用力大小，排除混凝土自由体积变形影响，在应变计附近1.5m处安装埋设了无应力计。选取1号尾水洞单向应变计观测成果，将混凝土微应变-温度关系曲线绘于图4。

图4　单项应变计Sa7-1微应变-温度关系曲线

从图4可以看出，混凝土应变与温度呈负相关关系，随洞室开挖结束，混凝土应变基本趋于稳定。监测成果显示，混凝土衬砌是稳定的，测点变化趋势符合规律。

4.3.2锚杆(锚索)荷载

在洞室开挖过程中，通常用锚杆、锚索进行围岩支护。地下洞室典型断面锚杆、锚索布置见图5。为研究地下洞室群岩体和工程结构的应力变化，分析锚杆应力变化和锚索荷载变化就成为关键。通过安装锚杆应力计和锚索测力计进行监测成为解决关键问题的途径。地下洞室群典型监测部位实测锚杆应力变化过程线和锚索荷载变化过程线见图6～图8。

图5　典型断面锚杆、锚索布置

图6　锚杆应力计AS5-26应力-温度关系曲线

图7　锚索测力计荷载-时间曲线

图8　锚索测力计荷载-时间曲线

图6显示，锚杆应力与温度呈负相关关系，随着开挖结束，锚杆荷载基本趋于稳定；从图7可以看出，锚索卸载后，围岩基本处于稳定状态，锚索测值较小是由钢绞绳自身变形及锚头夹具不紧造成的；图8显示锚索卸载后测值增加，其原因是围岩有向洞内方向变形趋势，但随着开挖支护结束，围岩变形基本趋于稳定，该情况出现的断面主要集中在地下主厂房。

5　结　论

通过向家坝水电站地下洞室群变形、渗流、应力应变实测资料分析，地下洞室群各监测项目变化基本在设计预测范围之内。变形方面，各测点变形随深度不同出现不同变化，在最深处测点变形基本为0，可视为相对不动点，距岩壁0.5～2.5m处围岩受开挖影响变形稍大，但也在设计允许范围之内，应作为设计研究重点；渗流方面，当江水位较低时，洞室内测点渗压值较小或处于无渗压状态，外水压力也不大；应力应变方面，通过应变计组实测数据分析，应变与温度呈负相关关系，锚杆应力变化与温亦呈负相关关系，锚索在卸荷之后荷载增大的原因是围岩向洞内方向变化，该情况以主变洞较为集中。锚索卸荷后荷载未增大表明岩石力学性能较好，荷载减小主要由锚索夹头不紧或钢绞绳自身变形引起。开挖结束后，荷载值都基本趋于稳定态势。

向家坝水电站地下洞室岩性结构复杂，尤其是地下主厂房开挖跨度在国内外已建、在建和拟建水电站中最大，地下洞室群的安全开挖表明我国水电工程设计、建设技术已进入国际领先行列。向家坝水电站地下洞室群的安全监测将为我国在复杂地质环境下进行地下洞室群设计、施工提供有益的借鉴和参考。

[1]顾冲时，吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M].南京：河海大学出版社，2006.

[2]赵志仁.大坝安全监测设计[M].郑州：黄河水利出版社，2003：90-93.

[3]禹芝文.向家坝地下厂房围岩稳定性分析和支护设计研究[D].南京：河海大学，2005.

[4]吴世勇，高鹏.二滩拱坝安全监测资料分析[J].水力发电学报，2009，28(4)：108-113.

[5]孙开畅，孙志禹.向家坝水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析[J].长江科学院院报，2006，23(5)：29-32.

[6]中水科技中南院向家坝安全监测联合体.金沙江向家坝水电站右岸地下引水发电系统2009年度安全监测报告[R].水富：中水科技中南院向家坝安全监测联合体，2009.