柔性测斜仪在大型地下硐室围岩水平变形监测分析中的可靠性研究*

石广斌,李明乐,孙春华,马腾,王伟峰

(1.西安建筑科技大学,陕西 西安 710055;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710061)

0 引言

金属矿山巷道以及大型岩质硐室工程施工期间,其赋存环境地质构造复杂、节理裂隙发育、施工方法以及支护措施选型等因素,给巷道稳定性研究以及围岩变形预测工作带来了诸多挑战,严重影响着矿山等岩体工程的生产安全性[1-3]。近些年来,我国非煤矿山以及隧道工程建设安全事故总体趋于好转,但事故总量仍较大,且绝大多数事故与人员伤亡是由施工过程中监测系统不完善,安全预警制度不健全造成的,为此,国家有关部门自2011年起致力于加强全国金属地下矿山以及隧道工程监测监控系统的建设工作。

工程开挖期间围岩的稳定性直接关系到施工期的安全和施工进展,从施工与运行安全的角度出发,监测分析在工程中发挥的作用日益显著[4-5]。以往的工程实践表明,有效的监测信息可以实时获取结构与周围环境的动态变化,及时反馈于设计及施工中,为围岩变形预测提供依据,以保证施工安全,有效归纳总结监测数据对提高工程设计以及施工水平有重要的作用[6-8]。卢洋龙等[9]在研究锚网支护高应力矿山巷道应用效果时,通过设置位移收敛监测仪器对巷道表面的围岩变形数据进行实时监测并拟合分析,及时掌握了开挖断面的围岩变形动态,对巷道的稳定性做出正确的评判与预测,有力保证了项目的安全生产。高谦等[10]在梅山铁矿巷道稳定性研究过程中,通过对运输巷道长期变形监测中不同时期围岩变形速率差异的分析,归纳总结巷道开挖不同区域地质条件以及岩体质量情况,为后续巷道开挖支护工作提供可行性参考,并取得了良好的效果。

目前,在我国矿山地下巷道以及隧道等岩质工程围岩变形监测中,通常采用点式位移计、收敛计、全站仪等仪器观测开挖过程的围岩变形情况[11-12]。随着科技的快速发展,现代变形监测正逐步实现多视角、多层次、自动化立体监测,越来越多具备高精度、低误差、安装便捷等特点的监测仪器逐步应用于岩质巷道工程围岩收敛变形监测分析中[13-15]。

鉴于地下工程监测的必要性和迫切性,本文以陕西镇安抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖期间围岩变形监测为例,通过选取监测断面某高程位置处多点位移计与柔性测斜仪在相同开挖阶段内的监测数据进行对比分析,并结合现场观测现象与三维数值分析计算,结果验证了柔性测斜仪在本项目应用的可靠性,以期为相关硐室巷道工程建设围岩变形监测仪器选型提供可行性参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

镇安抽水蓄能电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成,地下厂房系统位于月河右岸山体中,上覆岩体厚度为300～480 m,采用尾部式布置。硐室群中地下厂房、主变硐、尾闸硐三大硐室平行布置,间距分别为40 m、30 m,其中地下厂房开挖轮廓尺寸(长×宽×高)为162.5 m×26.1 m×54.5 m,主变硐为121 m×19.5 m×21.8 m。引水、尾水洞与厂房纵轴线70°斜交,进厂交通硐、通风兼安全硐沿厂房纵轴自厂房两端进厂;厂房与主变硐之间每台机组布置一条母线硐,主变硐两端设交通硐分别接入进厂交通硐、通风兼安全硐,具体的布置形式如图1所示。

图1 地下硐室群布置

1.2 工程地质条件及开挖方案

地下硐室群区域地表为北东向延伸的单薄山梁,地面高程为1305～1204 m,厂房基岩为中生代印支期侵入岩,岩性为微风化至新鲜、坚硬的花岗闪长岩,岩性相对较单一。厂区无大的构造发育,地应力中等,围岩以Ⅱ至Ⅲ类为主。

本项目地下硐室群开挖主要包括地下厂房、主变室、尾闸室、母线硐以及各引水隧洞。采用分层开挖法进行施工。其中主厂房分七步开挖,施工顺序如图2所示,自2019年6月6日顶拱开始施工,至2021年9月25日完成硐室的开挖,主厂房开挖时间段见表1。

表1 主厂房分层开挖时间段

图2 地下硐室群施工顺序(单位:m)

2 监测仪器布置及数据统计分析

2.1 柔性测斜仪基本原理

柔性测斜仪也叫阵列式位移计,是基于MEMS(微电子机械系统)传感器原理制成的三维变形监测仪器,内部由MEMS加速度计、温度模块以及动态模块组成,原理如图3所示。

图3 柔性测斜仪原理

本项目采用的阵列式位移计由多段微电子机械系统加速度计通过柔性连接装置串联而成,通常被安装在钻孔或套管中,随着建筑物变形带动仪器倾角变化,进而计算对应每节测量管段的位移量,再将每节计算得到的位移累加起来反映出整条位移计的位移,连续监测建筑物的三维变形。

得益于其传感器密度高、量程大、精度高、可重复使用等优点,柔性测斜仪广泛应用于边坡滑移监测、基础沉降、水利大坝沉降及侧移、桥梁挠度监测等变形监测[16]。

2.2 监测断面布置

地下厂房硐室群开挖跨度大、边墙高、地质条件复杂,为确保施工过程的安全,及时掌握不同开挖阶段围岩的变形规律以及支护系统的受力状态。通常在开挖断面布置多点位移计、锚杆应力计、锚杆测力计以及锚索测力计等仪器用于全面监测围岩变形情况。

本文主要通过主厂房监测断面布置的多点位移计以及柔性测斜仪实时监测数据反映硐室围岩真实收敛变形情况。其中主厂房布置的A1至A4监测断面分别位于厂左0+105.00至厂右0+34.50位置处,如图4所示;A2断面共计布置8套四点式位移计,分布在顶拱以及上下游边墙,如图5所示。本文主要对布置在859.6 m 高程位置处的M4-CF2-5位移计监测数据展开统计分析。

图4 厂房主要监测断面布置

图5 柔性测斜仪及多点位移计布置(单位:m)

为拓宽大型岩质硐室工程建设过程中围岩变形监测仪器选型范围,本项目首次将柔性变形监测系统引入地下硐室群围岩水平收敛变形监测中,探索该仪器在大型地下硐室工程围岩收敛变形监测领域的应用效果。选择厂左0+053.00断面(2#机组中心线)上下游边墙各布置一条柔性测斜仪,自顶拱拱角至845.50 m 高程,长度为28 m,柔性测斜仪布置效果如图5所示。

2.3 柔性测斜仪监测成果分析

由图5可以看出,柔性测斜仪布置在主厂房上下游边墙,监测范围覆盖主厂房开挖第1层至第5层,其整个安装过程分3步进行。考虑该区间范围内上边墙布置的多点位移计M4-CF2-4数据上存在较多缺陷,于是选择布置在下边墙859.4 m 高程位置处的柔性测斜仪RCX1028测点取得的监测数据与布置在相近位置处的多点位移计M4-CF2-5(859.6 m)监测数据进行对比分析。

下边墙布置的柔性测斜仪RCX1028测点自安装至开挖结束期间监测结果见图6。

图6 柔性测斜仪859.4 m 高程测点累计位移变形

由图6 可以看出,RCX1028 测点自2021 年5月1日取得监测值15 mm 以来,在主厂房第五层开挖期间变形速率较大,平均为0.125 mm/d,考虑该时期内A2断面附近2#母线硐开挖,下游墙岔硐口处产生较大卸荷变形,对相邻区域围岩有较大扰动,因此柔性测斜仪监测速率有较大跃升;截至2021年9月25日第七层开挖结束,该测点累计变形已达32.5 mm,且仍保持缓慢增长趋势,该层开挖期间围岩变形速率出现较大幅度增长,最大变形速率达到0.2 mm/d;结合同时期现场观测,该测点附近母线硐底板出现较大宽度的裂纹,由极限平衡理论可知,主厂房硐室开挖结束,巷道边墙临空面较大,该测点区域附近有岔硐相交,属于最大应力集中区范围,由此可以得出布置在该区域范围内的柔性测斜仪对围岩位移变形趋势有较为准确的揭示,且数据保持较高的稳定性。

2.4 多点位移计监测数据统计分析

主厂房A2监测断面自顶拱至硐室底部共计布置8套多点位移计用以监测各区域围岩变形,由图4可清晰看出,上边墙布置的M4-CF2-4、M4-CF2-6与下边墙M4-CF2-5三套多点位移计监测区域与柔性测斜仪监测范围有重合。考虑多点位移计监测数据的有效性以及完整性,本文选取下边墙859.6 m 高程位置处布置的M4-CF2-5位移计自2020年9月23日安装至2021年9月25日开挖结束期间所监测数据与柔性测斜仪设置在859.4 m 高程位置处的RCX1028测点监测数据进行对比。

下边墙布置的多点位移计M4-CF2-5自安装至开挖结束期间监测成果见图7。

图7 多点位移计859.6 m 高程测点累计位移变形

从多点位移计M4-CF2-5监测的位移曲线可以看出:2020年9月30日该监测仪器取得监测数据以来至11月23日期间快速增长,其中孔口位置处变形达到16.2 mm,3 m 深处测点变形也增至8.1 mm;2021年4月21日至5月31日期间主厂房第五层开挖,多点位移计监测变形有一定幅度增长,考虑该时期内相邻岔硐开挖,对测点区域围岩扰动较大,且随着硐室断面开挖高度的增加,开挖卸荷对两侧边墙的扰动逐渐增大,加剧了这一时期内的围岩变形速率。截至主厂房开挖结束,该多点位移计孔口处最大监测变形为22.6 mm,3 m 深处变形为13.1 mm。

3 三维数值模拟分析

3.1 硐室模型及力学参数

本文采用有限元分析软件ANSYS、MIDAS建立地下厂房硐室群三维模型并进行数值计算分析,计算采用以Mohr-Coulomb强度准则为屈服函数的理想弹塑性模型。硐室三维模型如图8所示,计算参数见表2。

表2 岩体物理力学参数

图8 地下硐室群三维数值分析模型

3.2 硐室开挖围岩变形分析

结合本项目现场开挖支护设计方案,进行三维有限元数值计算分析,考虑到文中所选取柔性测斜仪RCX1028测点与多点位移计M4-CF2-5监测数据主要源自主厂房下边墙859 m 高程位置附近。于是选定该地下硐室三维模型中第四层至第七层开挖结束期间A2断面(厂左0+52.5)数值计算结果作为对比,具体的计算结果如图9所示。

图9 地下硐室开挖围岩水平变形

由三维有限元数值计算结果可以看出,随着硐室开挖,巷道围岩总体朝向开挖临空面变形,上下边墙部位变形较大,以水平变形为主。第四层开挖结束,下边墙最大变形为16.17 mm,出现在860.5 m 高程附近的岩锚粱位置处;至2021年7月18日第六层开挖结束,下边墙受到开挖扰动影响的范围逐渐增大,柔性测斜仪RCX1028 测点位置(859.4 m)处的计算变形为28.6 mm,考虑该时期内2#母线硐的开挖对邻近硐室围岩变形影响较大,且与现场同期观测现象有较高的吻合,因此计算变形增长速率过快符合实际变化规律;随着硐室开挖高程的降低,下部开挖对上部围岩端墙变形影响逐渐减弱,截至第七层开挖结束,该测点位置处围岩最大水平收敛变形为33.8 mm,与图6 柔性测斜仪RCX1028测点同期内监测数据保持较高的一致性。

4 结论

(1) 使用柔性测斜仪在该项目地下硐室围岩水平变形监测中已正常工作近6个月,仪器埋设情况良好,各测点监测数据正常且符合一般变化规律,选定测点在各开挖阶段内所测数据及变化速率与传统监测仪器统计数据基本相同,且与该硐室三维数值模拟计算结果保持高度一致。结合该仪器现场安装布置稳定及数据采集便捷等优点,因此,使用柔性测斜仪在大型硐室工程围岩变形监测分析应用中具有较高的适用性,可拓宽该仪器在大型硐室以及巷道变形监测中的应用。

(2) 本文研究所选取的M4-CF2-5多点位移计自安装至开挖结束期间内所监测围岩最大变形为22.6 mm,对测点区域围岩变形破坏情况有较为准确的展示,但考虑该断面顶拱以及端墙布置的多个仪器在硐室开挖过程中受施工影响造成仪器受损、数据传输中断等现象,给围岩变形监测工作带来诸多不便,因此,使用该仪器在大型硐室工程围岩变形监测应用中存在一定的弊端。

(3) 通过三维数值模拟分析可以得出,主厂房A2断面围岩变形最大值为33.8 mm,各开挖阶段边墙围岩变形效果以及最大值点与柔性测斜仪监测结果保持高度一致,且与现场观测较为符合,从侧面印证了柔性测斜仪在本项目围岩变形监测应用中的可靠性以及准确性。为该仪器在大型地下硐室工程变形监测分析中的应用提供了可靠经验。