劉 媛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計要點

劉 媛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計主要是通過對地下工程的地質(zhì)條件、施工期圍巖穩(wěn)定性分析并根據(jù)臨時和永久建筑物的級別、作用、荷載、重要性等情況，依據(jù)安全監(jiān)測設(shè)計的基本原則和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計并確定安全監(jiān)測的項目內(nèi)容、選擇儀器的型號和數(shù)量、布置監(jiān)測斷面及測點，繪制監(jiān)測設(shè)計施工圖，提供監(jiān)測設(shè)計方案資料，及時開展地下工程安全監(jiān)測施工。

水電地下工程；安全監(jiān)測設(shè)計；監(jiān)測項目；監(jiān)測儀器；監(jiān)測斷面布置

1 概 述

地下工程修建在地應(yīng)力場、由巖石和各種結(jié)構(gòu)面組合的天然巖體中，依靠圍巖本身的力學(xué)特性及自穩(wěn)能力和支護的共同作用保持其穩(wěn)定。由于其大多處于深埋、節(jié)理裂隙發(fā)育、地應(yīng)力高和地下水豐富等復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工工況復(fù)雜，力學(xué)參數(shù)難以確定，故需要在工程相關(guān)部位埋設(shè)監(jiān)測儀器進行安全監(jiān)測以獲取建筑物性狀變化的實際信息，并將其及時反饋到設(shè)計和施工中，以起到校核設(shè)計、指導(dǎo)施工的作用，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測、預(yù)報地下工程施工期和運行期的安全。筆者針對水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計的基本程序進行了闡述。

2 水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計包括的主要內(nèi)容

2.1 監(jiān)測設(shè)計原則

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計主要是在圍巖條件和工況預(yù)測的基礎(chǔ)上，以監(jiān)測施工期圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)為目的進行設(shè)計，其安全監(jiān)測設(shè)計的原則主要有以下幾點：

(1)根據(jù)預(yù)測模型要求，確定監(jiān)測項目，布置監(jiān)測斷面和測點。監(jiān)測儀器的布置應(yīng)注意時空關(guān)系，以確保其能控制工程的關(guān)鍵部位。

(2)為實時監(jiān)測圍巖及支護結(jié)構(gòu)性狀的變化，對具備預(yù)埋條件的部位應(yīng)盡量利用其附近的鉆孔預(yù)埋監(jiān)測儀器；對于不具備預(yù)埋條件的部位亦應(yīng)緊跟掌子面及時埋設(shè)。

(3)安全監(jiān)測設(shè)計應(yīng)與工程設(shè)計保持統(tǒng)一同步、分階段進行設(shè)計。在設(shè)計中，應(yīng)在隨機測點、測孔、儀器的數(shù)量上留有余地，以便在工程施工過程中針對可能出現(xiàn)的特殊情況、新問題進行補充修改，彌補不足。

(4)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧、合理安排施工期與運行期的監(jiān)測設(shè)計，確定哪些項目僅用于施工期，哪些項目可以在施工期和運行期同時兼用。

(5)設(shè)計方案中，要在采用儀器監(jiān)測為主的同時，輔以人工巡視的監(jiān)測方法，以彌補儀器不能完全覆蓋的不足。

(6)采用自動化監(jiān)測時，應(yīng)考慮保留人工觀測措施，以確保任何情況下均能夠進行實時、連續(xù)監(jiān)測。

2.2 主要監(jiān)測內(nèi)容

地下工程在施工前期、施工期、運行期的主要監(jiān)測內(nèi)容包括以下幾部分。

(1)前期監(jiān)測。

前期監(jiān)測主要是利用勘探平洞和原位模型試洞進行。在勘探平洞開挖時，可進行位移、應(yīng)力監(jiān)測及聲波等測試，或試驗研究巖體的力學(xué)參數(shù)，建立計算模型。利用原位模型試洞可進行系統(tǒng)的位移、應(yīng)力、圍巖松動范圍的監(jiān)測及聲波測試，反演巖體力學(xué)參數(shù)，建立計算模型，為地下洞室穩(wěn)定性研究、支護提供依據(jù)。

(2)施工期監(jiān)測。

對圍巖和支護進行位移、應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫開合、地下水、爆破影響和環(huán)境等項內(nèi)容的監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果及時反饋，以保證施工安全和修改設(shè)計、指導(dǎo)施工。

(3)運行期監(jiān)測。

對圍巖及支護、襯砌體與結(jié)構(gòu)物進行現(xiàn)場監(jiān)測，以起到監(jiān)測工程安全性、檢驗設(shè)計正確性的目的，為開展地下工程技術(shù)研究積累資料。

2.3 監(jiān)測設(shè)計所需的資料

應(yīng)針對工程規(guī)模、不同設(shè)計階段以及關(guān)鍵問題等收集以下安全監(jiān)測設(shè)計所需的資料。

2.3.1 地質(zhì)資料

地下工程安全監(jiān)測設(shè)計所需要的地質(zhì)資料包括：(1)含縱、橫剖面圖、鉆孔柱狀圖及平洞展示圖的地質(zhì)報告；(2)結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計資料，節(jié)理裂隙玫瑰圖；(3)圍巖分類，軟弱結(jié)構(gòu)面性狀；(4)地震烈度；(5)地下水分布；(6)洞室穩(wěn)定性評價。

2.3.2 試驗資料

主要包括巖體及圍巖力學(xué)試驗參數(shù)，軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)以及模型試驗研究報告。

2.3.3 建筑物設(shè)計資料

建筑物設(shè)計資料主要包括：(1) 地下洞室布置圖(包括各種平面、縱剖面、橫剖面等)；(2) 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析計算與評價，支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，開挖方法及施工程序等；(3)各種數(shù)值計算資料(包括地應(yīng)力場分析、滲流場有限元、邊界元等計算成果)。

2.3.4 水文氣象及其他資料

降雨量、水位、氣溫等與監(jiān)測設(shè)計有關(guān)的其他資料。

2.4 監(jiān)測項目與監(jiān)測儀器

在地下工程安全監(jiān)測設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測分類和監(jiān)測目的的需要確定監(jiān)測項目、監(jiān)測內(nèi)容以及所需的監(jiān)測儀器。具體內(nèi)容見表1。

2.4.1 監(jiān)測項目的選擇

監(jiān)測項目的選擇應(yīng)以工程條件確定之后所進行的工程性狀預(yù)測為基礎(chǔ)，同時考慮下述原則。

(1)根據(jù)監(jiān)測目的分別選定重點項目，一般應(yīng)以能監(jiān)控影響安全的主要因素為目的選定。

(2)根據(jù)工程階段分別選定。施工期，在充分利用永久性觀測項目的基礎(chǔ)上，補選一些能為施工安全監(jiān)控快速獲取資料的項目。運行階段，應(yīng)根據(jù)工程可能的運行性狀選擇監(jiān)測項目，對于問題明確的，可有針對性地選擇項目。

(3)根據(jù)工程的規(guī)模、等級(重要性)、經(jīng)費的承受能力等因素綜合確定。在滿足需要的前提下，項目力求精簡。

(4)根據(jù)覆蓋層的厚度、巖性及斷裂構(gòu)造、巖體變形、破壞機制、支護方式選取監(jiān)測項目。

2.4.2 監(jiān)測儀器的選擇

儀器選型應(yīng)根據(jù)以下原則進行。

(1)根據(jù)所確定的監(jiān)測項目選擇相應(yīng)的儀器，儀器數(shù)量宜少而精；

(2)監(jiān)測儀器的精度和量程應(yīng)滿足具體工程要求，該要求應(yīng)根據(jù)巖性、計算值或模型試驗值的最大和最小值確定儀器的精度和量程；

(3)儀器應(yīng)準(zhǔn)確可靠，堅固耐用，能夠在潮濕甚至涌水、爆破震動和粉塵等惡劣環(huán)境下工作；

(4)儀器應(yīng)輕便，布置簡單，埋設(shè)安裝快捷，操作讀數(shù)方便，占用掌子面時間短，對施工干擾少。

2.5 監(jiān)測斷面的布置

根據(jù)工程地質(zhì)條件和監(jiān)測項目內(nèi)容布置監(jiān)測斷面，布置要點如下：

(1)監(jiān)測斷面的布置應(yīng)按工程需要、地質(zhì)條件以及施工條件選擇具有代表性的斷面，通常按洞室的穩(wěn)定性可分為系統(tǒng)布置與隨機布置；按工程部位可分為對稱型、非對稱型以及局部型布置。

(2)監(jiān)測斷面的布置應(yīng)合理并注意時空關(guān)系。采取表面與深部結(jié)合、重點與一般結(jié)合、局部與整體結(jié)合，一定要使測網(wǎng)、斷面、測點形成一個系統(tǒng)，能控制整個工程的各關(guān)鍵部位。

(3)在斷面的選擇上，應(yīng)注意洞室埋深、巖體結(jié)構(gòu)特性、圍巖性態(tài)、結(jié)構(gòu)物尺寸及形狀、可能的變形及應(yīng)力以及施工方法、工序等。

(4)監(jiān)測斷面可分為主斷面和輔助斷面，主斷面可埋設(shè)多種儀器，進行多項監(jiān)測；在主斷面附近設(shè)輔助斷面，輔助斷面埋設(shè)的儀器少，僅用于監(jiān)測個別特征參數(shù)，其目的是保證重點，簡化工作面，降低費用。

(5)觀測斷面上測點的布置應(yīng)根據(jù)圍巖性態(tài)變化的分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)物的尺寸與形狀以及預(yù)測的變形和應(yīng)力等物理量分布特征進行布置。測點數(shù)量應(yīng)在考慮均勻分布、結(jié)構(gòu)特性和地質(zhì)代表性的基礎(chǔ)上根據(jù)其變化梯度進行確定。對于梯度大的部位，點距要小；梯度小的部位，點距要大。

3 地下工程安全監(jiān)測設(shè)計之監(jiān)測項目和監(jiān)測儀器選型實例

(1)瀑布溝水電站地下工程。

主要監(jiān)測項目設(shè)計：引水系統(tǒng)進水口山體邊坡觀測，引水隧洞觀測，主副廠房以及安裝間、主變室、尾水閘門室觀測，尾水隧洞觀測，尾水洞出口邊坡觀測(表2)。

表1 監(jiān)測項目一覽表

表2 瀑布溝水電站地下工程監(jiān)測項目與監(jiān)測儀器一覽表

(2)白鶴灘水電站左岸地下工程。

施工期主要監(jiān)測項目設(shè)計：進水口邊坡、壓力管道、主/副廠房、母線洞、引水上平段支洞、引水下平段1#/2#施工支洞、排風(fēng)連接平洞1#施工支洞、尾水管1#/2#施工支洞等。監(jiān)測項目分必測項目和選測項目，必測項目包括：現(xiàn)場巡視檢查，表面裂縫監(jiān)測，洞室收斂監(jiān)測；選測項目包括：圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測，圍巖壓力、接觸應(yīng)力、錨桿應(yīng)力監(jiān)測等(表3)。

4 監(jiān)測設(shè)計方案的優(yōu)化

工程安全監(jiān)測設(shè)計應(yīng)提交的資料：工程安全監(jiān)測設(shè)計的內(nèi)容項目、設(shè)計工作大綱、儀器選型、監(jiān)測斷面布置及其設(shè)計說明、施工組織設(shè)計圖、技術(shù)要求、概預(yù)算、監(jiān)測合同文件等。

在施工過程中，按照規(guī)范中觀測周期的要求進行觀測并及時整理監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時應(yīng)及時改正或補測，對原始數(shù)據(jù)要去偽存真、計算、分析并繪制觀測量與時間、深度曲線，及時將監(jiān)測得到的信息進行反饋，根據(jù)反饋內(nèi)容及時修正設(shè)計、指導(dǎo)施工，以確保地下洞室圍巖的穩(wěn)定和安全。所反饋的內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個方面：

表3 金沙江白鶴灘水電站左岸地下工程施工期監(jiān)測項目與監(jiān)測儀器一覽表

(1)要求對圍巖失穩(wěn)時發(fā)出警報。

(2)根據(jù)監(jiān)測資料，修正原設(shè)計并調(diào)整支護及整個施工方案。

(3)利用監(jiān)測信息，反饋力學(xué)參數(shù)、模型，進一步優(yōu)化設(shè)計。

(4)對圍巖穩(wěn)定性和支護做出正確的定量評價，驗證理論計算及模型試驗結(jié)果。

4 結(jié) 語

水電工程設(shè)計自采用新的可靠度設(shè)計理論與方法以來，安全監(jiān)測已成為提供設(shè)計依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計和可靠度評價不可缺少的手段，亦是工程設(shè)計、施工質(zhì)量控制的重要手段。地下工程的失穩(wěn)破壞是從漸變到突變的發(fā)展過程，單憑人們的直覺是難以發(fā)現(xiàn)的，因此，必須依靠合理布置的精密監(jiān)測儀器進行周密的監(jiān)測。要做到這一點，就要作出符合實際情況的監(jiān)測設(shè)計，確定監(jiān)測項目，選擇儀器型號，合理布置儀器，精心埋設(shè)儀器，按規(guī)范觀測、采集數(shù)據(jù)，及時計算并分析整理觀測資料，建立高效完善的計算機動態(tài)信息分析管理系統(tǒng)，使監(jiān)測自動化，對監(jiān)測部位可能出現(xiàn)的危險情況作出準(zhǔn)確、快速、及時的預(yù)報?；谝陨蠋c，筆者結(jié)合具體的工程實例，闡述了水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計的基本內(nèi)容，以期引起各方重視。

[1] 二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2] 魏 平，等. 混凝土工程安全監(jiān)測， 水利水電施工技術(shù)全書. 混凝土工程(第十一冊)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

TV7;TV554;TV

B

1001-2184(2017)01-0100-05

劉 媛(1982-)，女，四川遂寧人，副處長，工程師，碩士，從事水利水電工程設(shè)計、監(jiān)測設(shè)計與招投標(biāo)施工組織設(shè)計等工作.