安全监测在超深高压竖井开挖过程中的施工及作用

赵江鹏 赵洪旗 李立华 刘 辉 卢钊钊

（1、广东华南水电高新技术开发有限公司，广东 广州510610 2、长澳大地工程有限公司，湖北 武汉430072）

1 电站概述

厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站（以下简称“CCS 水电站”）为引水式电站，位于厄瓜多尔Napo省和Sucumbios 省之间Chaco 地区和Lumbaqui 地区Coca 河流域，电站位于Salado镇。CCS水电站项目总装机容量1500MW，安装8 台水轮发电机组，年发电量88 亿kW·h。主要由首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、地下引水发电系统4 个部分组成。CCS 水电站引水隧洞共布置有2 条压力管道系统，采用1 拖4、“T”形分岔的供水方式。每条压力管道系统由进水口、上平洞、竖井、下平洞、钢管主管、岔管、支管组成。上平洞呈八字形布置，竖井及下平洞平行布置，中心间距80.15m，压力管道最大静水头617.50m。

竖井由上弯段、垂直段及下弯段组成：上、下弯段转弯半径30m，长47.12m；1#竖井垂直段长478.855m，2#竖井垂直段长476.195m。竖井段开挖前期采用反井法施工形成直径2m 的溜渣井，后期开挖采用新奥法施工，最大垂直开挖高度527m（含上下弯段）。竖井与上平段呈90°夹角，与下平段呈92°夹角；断面均为圆形，开挖设计洞径为7.3m，最大开挖洞径达到Φ8.0m。

根据业主方提供的前期勘测资料，竖井部位仅在1#竖井左侧20m 位置钻有1 个从地表向下钻探的300m 深地勘孔，地勘资料结果表明，引水竖井所在部位地层从老至新依次为：①Misahualli火山岩（J-Km），以火山凝灰岩和火山角砾岩为主；②Hollin 沉积岩（Kh），泥岩和砂岩互层；③Napo沉积岩（Kn），泥岩、砂岩、灰岩和泥灰岩，以强风化为主；④第四系地层（Q），复杂成因松散沉积，厚度一般5～30m。上述地层中，泥岩一般为较软岩，砂岩为较硬岩，火山凝灰岩和火山角砾岩为硬岩。钻孔压水试验结果表明，除断层或挤压破碎带外，一般岩体渗透性为弱至中等程度透水。按RMR 分级结果为：竖井段Ⅱ类围岩长度为443m，占全竖井段的82%；Ⅲ类围岩长度为61m，占全竖井段的11%；Ⅴ类围岩长度为40m，占全竖井段的7%。

2 安全监测布置

压力管道竖井段安全监测断面布置如图1 所示。为了掌握竖井在开挖支护阶段围岩变形、锚杆应力、渗透水压力情况，分别在1 号、2 号竖井EL925.0m高程处各布设了1 个监测断面，监测断面仪器布置如图2 所示（1 号竖井），每个监测断面布设4 套3 点式位移计，4 支锚杆应力计，2 支渗压计。

图1 压力管道竖井段安全监测断面布置图

图2 压力管道竖井段开挖期监测断面仪器布置图（1 号竖井）

3 安全监测的施工

3.1 监测仪器的选型

图3 压力管道1 号竖井多点位移计测值过程

图4 压力管道1 号竖井锚杆应力计测值过程

根据设计图纸要求，所安装的监测仪器均需满足3MPa 的抗水压强度。在选择监测仪器抗水压强度时，考虑到两点：一是监测仪器的埋设高程为EL925.0m，库区最高设计水位高程为EL1231.0m，通过换算，水头压力差略大于3MPa；二是后期高压固结灌浆的影响，灌浆压力的控制存在诸多不确定因素。综合考虑，所安装的监测仪器均选择抗水压强度为4MPa。多点位移计选用国产弦式仪器，最大量程100mm，分辨率0.0235%F.S，测点为3 个，测点最深深度为10m。锚杆应力计选用国产弦式仪器，量程为-200～+300MPa，分辨率0.025%F.S，长度0.2m，配筋直径Φ25mm。渗压计选用英国弦式仪器，量程4MPa，精度±0.1%F.S。

3.2 仪器的安装

竖井开挖过程中工作面较小，为了避免近距离爆破振动、爆破飞石对监测仪器、监测线缆造成破坏，在掌子面超出监测断面10m后，重新提升施工平台进行多点位移计、锚杆应力计、渗压计的钻孔工作。

3.2.1 多点位移计的安装

多点位移计孔口1m 钻孔孔径为Φ130mm，孔内9.5m 钻孔孔径为Φ110mm，共计10.5m。开孔前调整好钻机角度及方向，钻孔过程中采用低压慢速钻进，钻孔完成后用清水冲洗孔内10～15min，并用连接的PVC管检查孔内通畅情况。多点位移计拼装前先对传感器进行检查，确定其外观完好无损，然后用二次仪表检测看有无读数不稳情况。检查无误后对多点位移计按设计值进行预拉，预拉完毕用支架进行固定，拧紧固定螺丝。由于竖井开挖设计直径为7.3m，受现场场地限制，多点位移计的拼装工作只能在竖井口卧地拼装完成，然后捆绑在钢丝绳上采用卷扬机往下放至施工平台，连随注浆管、排气管一起推送至孔内。为了避免仪器的安装时间过长而耽误开挖施工，孔口封堵材料选用固化快、粘结强度高的树脂锚固剂来进行封口，封口完成1 小时后即可进行注浆。注浆水灰比为0.6：1，注浆压力控制≤0.5MPa，直至孔口排气管和孔底排气管全部返浆15～20s 后停止注浆。灌浆24h 后进行支架拆除，拆除前先用二次仪表对多点位移计进行测量，记下各测点测值A。拆除支架后测量记录各测点测值B，比较测值B和设计要求测值C大小，看有无超出设计要求，如超出应进行二次预拉。调试完毕测读3 次，取3 次平均值作为多点位移计各测点基准值。

3.2.2 锚杆应力计的安装

锚杆应力计钻孔孔径为Φ90mm，孔深为4.5m，钻孔方向与多点位移计重合，高程低0.5m，二者测值可作对比分析验证。钻孔方式、安装步骤、灌浆方法与多点位移计相同，这里不作重复描述。锚杆应力计配筋分为两部分，孔口部分锚杆长度1.1m，外露0.1m，孔底部分锚杆长度2.8m，配筋直径与系统支护锚杆保持一致为Φ25mm。锚杆应力计安装采用套筒连接，丝扣部位用环氧树脂进行密封，防止氧化生锈。灌浆24h 后对安装的锚杆应力计测读3次，取3 次平均值作为基准值。

3.2.3 渗压计的安装

渗压计安装前应先用水浸泡24h，待透水石完全饱和后才能进行安装，取安装前测读3 次测值的平均值作为渗压计基准值。钻孔孔径为Φ90mm，孔深为0.5m，安装高程与多点位移计相同，安装位置为2 支多点位移计夹角中线处，避免多点位移计灌浆沿围岩裂隙渗漏堵塞渗压计透水石。渗压计采用土工布缝制的布袋包裹，布袋里面填充洗净的中沙充当透水层。渗压计放入孔内前，先用水泥对孔内壁进行涂抹，形成一层薄密的水泥保护层，防止后期高压固结灌浆堵塞透水石，接着依次填入粒径5～10mm 的小石、中沙，随后把装入仪器的布袋放置孔内，布袋与孔壁四周空隙用粗砂填充，最后用树脂锚固剂封堵孔口。

4 安全监测在施工中的作用

4.1 把控围岩位移

图5 压力管道1 号竖井渗压计测值过程

随着竖井的开挖，掘进深度不断加深，围岩深层部位、表层部位变形是怎样发展趋势，是否与设计计算结果相符合，变形量是否满足继续安全开挖的条件，监测数据及时、准确的提供显得尤为重要。竖井段监测断面安装的多点位移计为3 点式位移计，能够监测围岩不同深度的变形。图3 为埋设在1 号竖井监测断面的一套多点位移计时间- 位移过程曲线。通过曲线图可以看出，围岩变形主要集中在表面，随着1 号竖井开挖深度不断加深，围岩变形随之缓慢增加，1 号竖井开挖结束，竖井段全线贯通，围岩变形速率出现明显递增，随后逐步减小直至趋于稳定。经分析，发生这一系列变形是因为在竖井开挖过程中，开挖面附近原有的应力平衡状态遭受破坏，周围岩体的应力重新调整，包括主应力大小和方向均发生改变，直至竖井开挖完成，围岩最大主应力方向最终旋转为与竖井相切，中间主应力方向最终旋转为竖井轴向，最小主应力方向最终旋转为竖井的径向导致的。随着开挖的结束围岩变形趋于稳定，说明竖井段在开挖过程中采用新奥法施工是安全的。竖井开挖过程中最大变形量为1.1mm，发生在围岩表面，说明竖井开挖过程中主要变形来自于靠近洞壁处围岩。

4.2 检验喷锚支护效果

竖井段开挖过程中采用新奥法施工，初喷随开挖及时跟进，挂网和复喷在Ⅲ类围岩滞后开挖掌子面约5m，Ⅳ类围岩每开挖一个循环，支护一个循环。梅花形布置的系统锚杆结合挂网喷锚对围岩进行了加固处理，充分利用了围岩自身的承载能力。同时利用开挖过程中反馈的地质资料和监测数据不断调整喷锚支护参数，总体上保证了竖井段围岩的稳定。竖井段监测断面安装的锚杆应力计配筋与系统支护锚杆一致，直径为25mm。图4 为埋设在1 号竖井监测断面与图3 所示多点位移计同部位的锚杆应力计时间- 应力过程曲线。从曲线图可以看出，锚杆应力计所测应力变化过程按时间顺序为先缓慢增加，后逐步减小，随后应力迅速增加，随之迅速减小直至平稳。与该部位多点位移计按时间轴顺序监测数据相比较发现，锚杆应力的变化真实反映了该部位围岩应力、变形情况，锚杆应力与围岩变形成正相关，当围岩变形发生明显递增时，锚杆应力也随之增大，符合竖井段开挖实际施工情况，围岩应力与围岩变形变化趋势基本相对应。从锚杆应力计观测数据来看，竖井段开挖过程锚杆应力最大为1.4MPa，表明围岩应力较小，锚杆应力未达到屈服状态，喷锚支护加固围岩效果明显。

4.3 监测渗水指导施工

竖井段反井钻导孔打通后，渗水量较大，经过流量测量，渗流达80～152.6L/s。经过对比水文气象数据，发现工程所处地区长年多雨，地表水丰富且受季节变化影响较小。初步分析，竖井段渗水主要来源于地表水补给地下水。

开挖深度未达到监测断面前，采取排水措施主要为排水孔排水，当洞内有大面积渗漏水时，采用手风钻钻孔将水汇流引入排水孔内进行排水，排水孔直径40～50mm，入岩深度3.0m，间距2～3m。当洞内有小面积渗水时采用排水孔排水无形中增加了工作量也影响施工进度。当洞内出现大的涌水且较集中时，排水孔排水又无法满足排水需求，喷出的有压水也对施工造成了一定难度。

1 号竖井监测断面安装的渗压计时间- 水头过程曲线如图5所示，通过曲线图可以看出，渗压计刚安装时，埋设部位有少量水头，说明监测断面附近围岩有少量含水。随着开挖深度加深，监测断面附近围岩含水逐步减少，渗压计测值出现负水头。直至开挖结束，渗压计测值一直呈现负水头，并趋于稳定。初步分析渗压计测值出现负值是因为埋设部位由有水头转变为无水头，出现负压，导致传感器膜片逆向变形而造成的，说明开挖过程中采取排水措施是可行的，有明显效果，同时应根据渗水量大小改进排水方案，采取不同的排水措施。经过借鉴国内外施工经验，根据渗流量大小采取了排水孔排水、盲沟系统排水和涌水引排三种方式相结合的排水方法，为竖井开挖期和后期衬砌混凝土浇筑提供了干地施工环境，保障了施工工期有效按计划进行。

5 结论

通过厄瓜多尔- 科卡科多辛克雷水电站超深高压竖井开挖施工实际经验来看：

5.1 安全监测的规范施工是保障监测数据真实可靠的前提。

5.2 及时、准确地反馈监测数据信息是加快施工进度、提高经济效益、保障施工安全的有效手段。

5.3 利用监测数据中不同围岩深度变形的物理量进行科学可靠的量化分析，可以掌握围岩变形形态及趋势，为施工进度保驾护航。

5.4 不同监测类型的监测仪器数据综合对比分析在一定程度上可以校核由单种仪器监测数据带来的精度误差，从而更准确的验证竖井开挖喷锚支护效果，及时调整不合理的支护参数，为以后新建同类型项目提供宝贵的技术经验。

5.5 施工技术经验与监测数据相结合，利用科学的、严谨的、准确的监测信息调整施工措施，指导施工。