王 鋒，鄭曉紅，王玉潔

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

錦屏二級水電站總裝機容量4 800 MW，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。4條平行布置的引水隧洞平均長16.67 km，中心線間距60 m，襯后直徑11.2～11.6 m。隧洞沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約2 525 m。引水隧洞具有高埋深、長洞線、大洞徑的特點，為目前世界上規(guī)模最大的水工隧洞洞室群工程。引水隧洞施工過程中，主要工程地質(zhì)問題有巖溶與涌突水、高地應(yīng)力引起的巖爆、軟巖大變形及塌方等。文章以錦屏二級水電站為例，討論了在深埋條件下水工隧洞安全監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。

水工隧洞在埋深大、洞徑大、地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，其圍巖受力特點是一個涉及到多因素的復(fù)雜問題。相比淺埋隧洞圍巖變形是結(jié)構(gòu)面控制的塊體破壞，深埋隧洞的圍巖變形更多地受到圍巖本身的應(yīng)力和巖體強度控制。面對深埋隧洞所面臨的復(fù)雜情況，需要研究有針對性的監(jiān)測設(shè)計理念及評判標(biāo)準(zhǔn)。

2 深埋隧洞安全監(jiān)測面臨的新問題

深埋水工隧洞在開挖過程中，圍巖穩(wěn)定主要受圍巖特性、地應(yīng)力水平、地下水壓力等因素影響。與以往淺埋隧洞相比，安全監(jiān)測設(shè)計在深埋條件下有很大變化，這些變化主要表現(xiàn)在：

（1）不同巖性的圍巖變形量級相差較大，圍巖變形時間較長，監(jiān)測得到的不同巖性的變形發(fā)展規(guī)律、絕對量級等都與常規(guī)經(jīng)驗存在顯著差別。

（2）深埋隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)在深埋、高地應(yīng)力、高外水壓力等條件下的變形機理存在很多不確定性，對監(jiān)測工作提出了更有針對性的要求。

（3）深埋條件下不同巖性支護應(yīng)力的變化特征表現(xiàn)很不相同。支護應(yīng)力的合理解譯對指導(dǎo)設(shè)計及施工提出了新的要求。

3 安全監(jiān)測的不確定性

深埋軟巖洞段由于開挖后圍巖侵占凈空面嚴(yán)重，不同部位受地質(zhì)構(gòu)造影響，圍巖變形量的大小也不同；硬巖洞段受高地應(yīng)力作用，可能會發(fā)生巖爆崩裂。這些開挖過程中的隨機性及復(fù)雜性對設(shè)計初期的監(jiān)測方案布置造成困難。

監(jiān)測設(shè)計是建立在地質(zhì)勘探及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對于深埋、長大引水隧洞，在開挖之前就要較準(zhǔn)確地確定隧洞圍巖類別及等級、支護形式，對勘測設(shè)計要求很高，大多時候也不可能實現(xiàn)。所以對深埋、長大引水隧洞的監(jiān)測設(shè)計除了重視前期的總體設(shè)計外，還要特別重視現(xiàn)場設(shè)計。在掌子面開挖出來以后，監(jiān)測與地質(zhì)、水工、施工等相關(guān)人員的配合是現(xiàn)場設(shè)計的關(guān)鍵?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)計人員須根據(jù)地質(zhì)人員對圍巖類別、地質(zhì)及水文狀況的勘測和水工人員對隧洞支護設(shè)計的要求，有針對性地調(diào)整監(jiān)測設(shè)計。

大多數(shù)軟巖在高外水壓力的作用下，物理性質(zhì)會顯著惡化，所以深埋軟巖隧洞裂隙發(fā)育或巖溶通道的處理尤其重要，對上述部位也需要重點監(jiān)測，以檢驗這些薄弱處巖溶處理及高壓防滲灌漿的效果。而對于隧洞施工期出水點及裂隙發(fā)育洞段，運行后襯砌結(jié)構(gòu)在高外水壓力下的穩(wěn)定問題更是工程的難點。對外水壓力的監(jiān)測及解釋也成為深埋水工隧洞安全監(jiān)測的難點。

4 監(jiān)測設(shè)計及優(yōu)化原則

深埋隧洞圍巖安全監(jiān)測和測試的目的在于掌握開挖以后圍巖狀況、及時了解圍巖安全性，并通過調(diào)整設(shè)計方案、完善施工方法等工程手段在快速掘進(jìn)與圍巖穩(wěn)定安全之間取得最佳平衡點。

（1）監(jiān)測設(shè)計應(yīng)是動態(tài)的，所有監(jiān)測都需要考慮把針對圍巖應(yīng)力分布和特定優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的影響作為基本原則，適當(dāng)考慮空間和時間效應(yīng)。

（2）充分考慮現(xiàn)場實施可行性和便利性，方便監(jiān)測工作的及時開展，以快速獲得充分的有效信息。

（3）及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋分析，將分析成果應(yīng)用到未開挖洞段的設(shè)計與施工。

5 深埋隧洞圍巖變形監(jiān)測技術(shù)

5.1 監(jiān)測手段

圍巖變形監(jiān)測主要包括監(jiān)測圍巖表面變形的收斂觀測及監(jiān)測圍巖深部變形的多點變位計。

收斂觀測是在隧洞開挖后及時埋設(shè)并開始觀測。對于深埋軟巖隧洞，圍巖在開挖后存在長時間變形現(xiàn)象，對收斂測點的持續(xù)觀測可以很好地反映圍巖凈空的變化情況，其觀測成本低、容易實施、相對及時，較多點變位計有一定優(yōu)勢。同時，軟巖在開挖后較大的變形量也使得收斂監(jiān)測的誤差對成果解釋影響較小。

在深埋軟巖隧洞按照規(guī)范要求每隔50～100 m布置收斂斷面，如圖1所示，每個斷面布置5～7個測點監(jiān)測圍巖凈空面的變形情況。對于深埋硬巖隧洞，圍巖在開挖瞬間已經(jīng)釋放了絕大部分變形量，后期持續(xù)變形量較小，此時收斂監(jiān)測的精度對圍巖變形特征的解釋形成制約，由收斂監(jiān)測得出的成果規(guī)律性較差，作用有限。

收斂監(jiān)測常采用鋼尺收斂計，本工程為了快速有效地獲得收斂變形資料，采用斷面掃描儀配合棱鏡進(jìn)行現(xiàn)場測量。

圖1 收斂變形監(jiān)測布置圖Fig.1 Layout of convergence deformation monitoring

多點變位計是在隧洞開挖完成后鉆孔埋設(shè)，可以監(jiān)測圍巖不同深度的變形情況。軟巖洞段在開挖后變形量相對較大、持續(xù)變形時間長，多點變位計不同深度的測點能很好地反映圍巖松弛的擴展范圍及松弛持續(xù)時間，具體變形量見表1。深埋硬脆型巖石在開挖后彈性變形量相對較小，洞壁圍巖的破裂及發(fā)展是導(dǎo)致變形的主要機制。使用傳統(tǒng)的多點位移計監(jiān)測圍巖這種方式的變形時不夠敏感，即在監(jiān)測破裂導(dǎo)致的變形時，在靈敏性和安全預(yù)警性兩個方面可能存在適應(yīng)性不足的問題，此時錨桿應(yīng)力就比變形監(jiān)測更有敏感性。由于深埋硬脆性圍巖變形不再是反映圍巖安全性的首選指標(biāo)，變形監(jiān)測的作用和實際效果也不如預(yù)期，在監(jiān)測設(shè)計上可以相對減少布置多點變位計，增加圍巖應(yīng)力及支護結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測。

表1 不同圍巖類別變形量比較Table 1 Comparison of deformation of different surrounding rock

5.2 監(jiān)測布置

變形監(jiān)測儀器的安裝部位需要根據(jù)具體洞段的潛在問題進(jìn)行針對性的設(shè)計。設(shè)計的變形監(jiān)測除了需要反映深埋高應(yīng)力的影響外，同時需要反映巖層層面及結(jié)構(gòu)面的影響。對結(jié)構(gòu)面作用不突出的洞段，二次應(yīng)力（圍壓）對圍巖變形和錨桿作用機理的影響成為需要關(guān)注的重點，設(shè)計的監(jiān)測部位應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力作用方向以應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力松弛區(qū)為主。

深埋軟巖隧洞收斂監(jiān)測應(yīng)重點關(guān)注左右邊墻中部偏下部位之間的變形，即圖1中DE測線，該部位收斂位移一般要大于左右拱肩的相對位移，頂拱的相對位移較小。監(jiān)測深埋軟巖圍巖變形要使表面收斂的及時性與深部位移的持續(xù)性結(jié)合。收斂變形能及時地監(jiān)測隧洞開挖初期的變形，但由于后期支護結(jié)構(gòu)及襯砌的實施，收斂監(jiān)測受到限制，不能繼續(xù)監(jiān)測。而軟巖的持續(xù)變形特性使隧洞圍巖在高地應(yīng)力、高外水壓力、支護不及時等因素的影響下變形持續(xù)發(fā)展，深部位移在反映圍巖開挖以后的持續(xù)變形特性上具有優(yōu)勢。

深部變形結(jié)合聲波監(jiān)測可以初步確定圍巖的松弛范圍，動態(tài)設(shè)計時需根據(jù)松動圈檢測的情況調(diào)整多點變位計測點間距。本工程現(xiàn)場松動圈測試成果顯示，軟巖洞段圍巖松動范圍相對較深，達(dá)5～6 m，所以深部變形監(jiān)測的多點變位計第二個測點埋深布置到松動圈范圍以外，埋深為7～8 m，如圖2所示，監(jiān)測軟巖洞段圍巖松動擴展情況。硬巖洞段從洞壁到圍巖內(nèi)部的變形量衰減迅速，圍巖松弛深度在3 m左右，第二測點埋深為4～5 m，如圖3所示。

圖2 軟巖洞段深部位移監(jiān)測典型布置圖Fig.2 Layout of deformation monitoring for deep part of soft rock section

圖3 硬巖洞段深部位移監(jiān)測典型布置圖Fig.3 Layout of deformation monitoring for deep part of hard rock section

6 支護結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)設(shè)計支護錨桿的參數(shù)及變形監(jiān)測成果調(diào)整錨桿應(yīng)力計測點。根據(jù)軟巖洞段深部位移監(jiān)測測點布置情況，監(jiān)測錨桿測點有必要埋深至7～8 m，監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)在松動圈外受力情況。軟巖的特性使其在高圍壓下可能產(chǎn)生流變，錨桿應(yīng)力測值在圍巖變形初期未發(fā)生流變時增大，流變開始后錨桿應(yīng)力減小，表現(xiàn)出與圍巖變形不一致。

深埋硬巖損傷破裂的發(fā)展會導(dǎo)致圍巖變形，這種損傷破裂存在時間效應(yīng)，即圍巖損傷破裂隨時間變化進(jìn)一步擴展，期間錨桿應(yīng)力也逐步增大，甚至可能接近或超過其抗拉極限。硬巖洞段圍巖與錨桿能形成較好的握裹力，當(dāng)圍巖與錨桿變形一致時，錨桿應(yīng)力增大趨勢與圍巖變形趨勢一致，但錨桿應(yīng)力增大的表現(xiàn)遠(yuǎn)比圍巖變形明顯，有時表現(xiàn)為錨桿應(yīng)力超標(biāo)，而同部位的圍巖變形卻只有5～10 mm。從儀器結(jié)構(gòu)和埋設(shè)角度來看，傳感器標(biāo)距范圍內(nèi)0.2～0.3 mm的變形即可導(dǎo)致錨桿應(yīng)力超過300 MPa，所以錨桿應(yīng)力對硬脆型巖石的損傷破裂更加敏感，硬巖洞段錨桿應(yīng)力的監(jiān)測成果更值得工程關(guān)注，甚至可以作為圍巖安全判定的依據(jù)。硬巖段錨桿應(yīng)力布置時重點考慮地應(yīng)力作用方向，使錨桿應(yīng)力計位于圍巖受地應(yīng)力影響應(yīng)力敏感區(qū)，如圖4所示。

圖4 硬巖洞段錨桿應(yīng)力監(jiān)測典型布置圖Fig.4 Layout of anchor stress monitoring for hard rock section

7 襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)

由于后期襯砌主要的作用是平整洞室、減少過流糙率和水頭損失，選擇在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段襯砌混凝土內(nèi)、收斂變形較大、收斂速率較緩洞段設(shè)置襯砌支護觀測斷面，布置鋼筋計、應(yīng)變計、無應(yīng)力計觀測襯砌結(jié)構(gòu)受力情況，如圖5～7所示。

隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)受力除了受隧洞斷面形式的影響，還與圍巖變形、地應(yīng)力、外水壓力等因素相關(guān)。已有工程混凝土襯砌應(yīng)變監(jiān)測成果顯示，斷面壓應(yīng)力較大部位多位于頂拱，鋼筋壓應(yīng)力也多位于頂拱?，F(xiàn)場巡視檢查發(fā)現(xiàn)，個別部位隧洞底板有隆起現(xiàn)象，所以在深埋水工隧洞混凝土襯砌的監(jiān)測中，除了重點關(guān)注頂拱的受力情況外，高外水壓力下底板及左右拱角的混凝土及鋼筋受力情況也不容忽視。頂拱混凝土襯砌的受力主要受頂部圍巖變形影響，而底板及拱腳的混凝土襯砌的受力主要是地應(yīng)力及外水壓力作用的結(jié)果。

圖5 混凝土襯砌鋼筋應(yīng)力監(jiān)測典型布置圖Fig.5 Layout of rebar stress monitoring within concrete lining

圖6 鋼筋計現(xiàn)場埋設(shè)情況Fig.6 Installation of rebar strain meter

圖7 混凝土應(yīng)變監(jiān)測典型布置圖Fig.7 Layout of strain monitoring for concrete lining

8 外水壓力監(jiān)測技術(shù)

深埋水工隧洞外水壓力監(jiān)測包括襯砌外緣、襯砌外固結(jié)灌漿圈內(nèi)、固結(jié)灌漿圈外三部分。

襯砌外緣滲透壓力監(jiān)測是深埋水工隧洞在高外水壓力作用下分析襯砌結(jié)構(gòu)安全的重要數(shù)據(jù)。在深埋情況下，地下水位遠(yuǎn)高于洞頂，內(nèi)水壓力較小，隧洞邊墻與頂拱外滲透壓力差別不大，滲壓監(jiān)測主要考慮外水內(nèi)滲為主。通過施工期圍巖固結(jié)灌漿及接觸灌漿，洞周破碎圍巖得到有效的加固，只有在裂隙發(fā)育的部位布置滲壓計才能測到有效的數(shù)據(jù)，所以需要根據(jù)施工期出水點的分布情況實時調(diào)整襯砌外緣滲壓計布置位置。固結(jié)灌漿圈內(nèi)滲壓計按不同梯度布置，同時做到冗余監(jiān)測，如圖8～9所示。

圖8 滲壓監(jiān)測典型布置圖Fig.8 Layout of piezometers

圖9 滲壓計現(xiàn)場安裝埋設(shè)情況Fig.9 Installation of piezometers

固結(jié)灌漿圈外的外水壓力監(jiān)測是設(shè)計時的難點。深埋隧洞的開挖改變了山體及洞周的三維滲流場，高壓防滲固結(jié)灌漿是抵御洞周高外水壓力、控制滲透穩(wěn)定、減少滲流量的主要手段。在高外水壓力情況下，從洞內(nèi)穿過防滲固結(jié)灌漿圈鉆孔埋設(shè)滲壓計容易成為滲漏通道，有破壞襯砌結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，所以外水壓力的監(jiān)測主要依靠隧洞上部支洞或施工期探洞，在出水點或堵頭封堵后布置測壓管進(jìn)行外水壓力監(jiān)測。

深埋水工隧洞襯砌外滲壓計均布置在圍巖固結(jié)灌漿圈以內(nèi)，滲透壓力測值主要是山體地下水、圍巖高壓防滲灌漿圈、減壓孔、內(nèi)水壓力等因素共同作用的結(jié)果。山體地下水壓力在灌漿圈存在一定的折減作用，在圍巖完整的斷面，滲壓計測值主要受隧洞內(nèi)水通過混凝土襯砌裂縫外滲影響，在原開挖階段即存在大涌水的洞段，滲壓計測值為帷幕折減阻水與襯砌減壓孔共同作用的結(jié)果。

9 儀器安裝埋設(shè)技術(shù)

深埋水工隧洞儀器安裝埋設(shè)與常規(guī)隧洞類似，但仍有其獨特之處。由于襯砌結(jié)構(gòu)屬于薄壁結(jié)構(gòu)，監(jiān)測混凝土自身體積變形的無應(yīng)力計可能受荷載影響，無應(yīng)力計埋設(shè)時需優(yōu)化套筒結(jié)構(gòu)，使其盡量不受外力影響。

深埋隧洞圍巖在高地應(yīng)力作用下可能發(fā)生巖爆，現(xiàn)場考慮人員及設(shè)備的安全性，在危險期過后或掘進(jìn)前進(jìn)一段距離后再回頭埋設(shè)監(jiān)測儀器，這就導(dǎo)致硬巖的圍巖變形量很小，軟巖的圍巖變形測值僅反映開挖完成后的持續(xù)變形量。需要根據(jù)現(xiàn)場實踐情況，在監(jiān)測儀器埋設(shè)的及時性與現(xiàn)場操作的安全性之間總結(jié)經(jīng)驗，找到合適的埋設(shè)時機。

錦屏二級長引水隧洞給眾多監(jiān)測儀器電纜的牽引帶來極大困難，在設(shè)計及施工組織時系統(tǒng)考慮儀器保護及電纜牽引方案，提高儀器的存活率，成為安全監(jiān)測施工的難點。通過工程實踐，儀器電纜牽引及維護的關(guān)鍵主要有：

（1）現(xiàn)場做好電纜走線規(guī)劃及標(biāo)識。避開動力電源線，已埋儀器部位及電纜牽引部位做好標(biāo)識，固結(jié)灌漿孔避開電纜走線部位。

（2）對電纜牽引量較多的部位，采用分散、分束牽引，避免集中穿管牽引對襯砌混凝土薄壁結(jié)構(gòu)的受力影響。

（3）不同洞段交叉施工，儀器埋設(shè)時間不同，做好儀器埋設(shè)部位至牽引目的地的電纜及保護管的預(yù)埋，避免儀器埋設(shè)后不具備牽引條件的情況。

（4）由于牽引路線較長，電纜接頭較多，需要保證每個接頭的耐水壓、絕緣電阻等滿足要求。

（5）跨隧洞及堵頭段的電纜牽引做好電纜保護管的止水工作。

10 結(jié)語

通過工程實踐，研究并總結(jié)得出深埋隧洞安全監(jiān)測的重點，深埋硬巖圍巖安全監(jiān)測的主要對象為圍巖破裂狀態(tài)和支護工作狀態(tài)，其次為圍巖變形；軟巖在應(yīng)力及構(gòu)造顯著時變形加大，同時伴有地下水滲流時更易產(chǎn)生大變形，因此變形監(jiān)測是重點。襯砌外水壓力監(jiān)測需與施工期涌水點、富水洞段結(jié)合布置。

由于深埋隧洞受力的復(fù)雜性，傳統(tǒng)監(jiān)測儀器在惡劣環(huán)境下能否正常工作、較好地反映圍巖的實際情況方面面臨較大的挑戰(zhàn)，而且在合理解釋圍巖變形機理時受到限制，筆者總結(jié)的成果難免存在片面性，還需要更多類似工程進(jìn)行全面研究，以便在深埋隧洞的安全監(jiān)測方面積累更多的經(jīng)驗。

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