柔性測斜儀在大型地下硐室圍巖水平變形監測分析中的可靠性研究*

石廣斌,李明樂,孫春華,馬騰,王偉峰

(1.西安建筑科技大學,陜西 西安 710055;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710061)

0 引言

金屬礦山巷道以及大型巖質硐室工程施工期間,其賦存環境地質構造復雜、節理裂隙發育、施工方法以及支護措施選型等因素,給巷道穩定性研究以及圍巖變形預測工作帶來了諸多挑戰,嚴重影響著礦山等巖體工程的生產安全性[1-3]。近些年來,我國非煤礦山以及隧道工程建設安全事故總體趨于好轉,但事故總量仍較大,且絕大多數事故與人員傷亡是由施工過程中監測系統不完善,安全預警制度不健全造成的,為此,國家有關部門自2011年起致力于加強全國金屬地下礦山以及隧道工程監測監控系統的建設工作。

工程開挖期間圍巖的穩定性直接關系到施工期的安全和施工進展,從施工與運行安全的角度出發,監測分析在工程中發揮的作用日益顯著[4-5]。以往的工程實踐表明,有效的監測信息可以實時獲取結構與周圍環境的動態變化,及時反饋于設計及施工中,為圍巖變形預測提供依據,以保證施工安全,有效歸納總結監測數據對提高工程設計以及施工水平有重要的作用[6-8]。盧洋龍等[9]在研究錨網支護高應力礦山巷道應用效果時,通過設置位移收斂監測儀器對巷道表面的圍巖變形數據進行實時監測并擬合分析,及時掌握了開挖斷面的圍巖變形動態,對巷道的穩定性做出正確的評判與預測,有力保證了項目的安全生產。高謙等[10]在梅山鐵礦巷道穩定性研究過程中,通過對運輸巷道長期變形監測中不同時期圍巖變形速率差異的分析,歸納總結巷道開挖不同區域地質條件以及巖體質量情況,為后續巷道開挖支護工作提供可行性參考,并取得了良好的效果。

目前,在我國礦山地下巷道以及隧道等巖質工程圍巖變形監測中,通常采用點式位移計、收斂計、全站儀等儀器觀測開挖過程的圍巖變形情況[11-12]。隨著科技的快速發展,現代變形監測正逐步實現多視角、多層次、自動化立體監測,越來越多具備高精度、低誤差、安裝便捷等特點的監測儀器逐步應用于巖質巷道工程圍巖收斂變形監測分析中[13-15]。

鑒于地下工程監測的必要性和迫切性,本文以陜西鎮安抽水蓄能電站地下廠房硐室開挖期間圍巖變形監測為例,通過選取監測斷面某高程位置處多點位移計與柔性測斜儀在相同開挖階段內的監測數據進行對比分析,并結合現場觀測現象與三維數值分析計算,結果驗證了柔性測斜儀在本項目應用的可靠性,以期為相關硐室巷道工程建設圍巖變形監測儀器選型提供可行性參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

鎮安抽水蓄能電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成,地下廠房系統位于月河右岸山體中,上覆巖體厚度為300～480 m,采用尾部式布置。硐室群中地下廠房、主變硐、尾閘硐三大硐室平行布置,間距分別為40 m、30 m,其中地下廠房開挖輪廓尺寸(長×寬×高)為162.5 m×26.1 m×54.5 m,主變硐為121 m×19.5 m×21.8 m。引水、尾水洞與廠房縱軸線70°斜交,進廠交通硐、通風兼安全硐沿廠房縱軸自廠房兩端進廠;廠房與主變硐之間每臺機組布置一條母線硐,主變硐兩端設交通硐分別接入進廠交通硐、通風兼安全硐,具體的布置形式如圖1所示。

圖1 地下硐室群布置

1.2 工程地質條件及開挖方案

地下硐室群區域地表為北東向延伸的單薄山梁,地面高程為1305～1204 m,廠房基巖為中生代印支期侵入巖,巖性為微風化至新鮮、堅硬的花崗閃長巖,巖性相對較單一。廠區無大的構造發育,地應力中等,圍巖以Ⅱ至Ⅲ類為主。

本項目地下硐室群開挖主要包括地下廠房、主變室、尾閘室、母線硐以及各引水隧洞。采用分層開挖法進行施工。其中主廠房分七步開挖,施工順序如圖2所示,自2019年6月6日頂拱開始施工,至2021年9月25日完成硐室的開挖,主廠房開挖時間段見表1。

表1 主廠房分層開挖時間段

圖2 地下硐室群施工順序(單位:m)

2 監測儀器布置及數據統計分析

2.1 柔性測斜儀基本原理

柔性測斜儀也叫陣列式位移計,是基于MEMS(微電子機械系統)傳感器原理制成的三維變形監測儀器,內部由MEMS加速度計、溫度模塊以及動態模塊組成,原理如圖3所示。

圖3 柔性測斜儀原理

本項目采用的陣列式位移計由多段微電子機械系統加速度計通過柔性連接裝置串聯而成,通常被安裝在鉆孔或套管中,隨著建筑物變形帶動儀器傾角變化,進而計算對應每節測量管段的位移量,再將每節計算得到的位移累加起來反映出整條位移計的位移,連續監測建筑物的三維變形。

得益于其傳感器密度高、量程大、精度高、可重復使用等優點,柔性測斜儀廣泛應用于邊坡滑移監測、基礎沉降、水利大壩沉降及側移、橋梁撓度監測等變形監測[16]。

2.2 監測斷面布置

地下廠房硐室群開挖跨度大、邊墻高、地質條件復雜,為確保施工過程的安全,及時掌握不同開挖階段圍巖的變形規律以及支護系統的受力狀態。通常在開挖斷面布置多點位移計、錨桿應力計、錨桿測力計以及錨索測力計等儀器用于全面監測圍巖變形情況。

本文主要通過主廠房監測斷面布置的多點位移計以及柔性測斜儀實時監測數據反映硐室圍巖真實收斂變形情況。其中主廠房布置的A1至A4監測斷面分別位于廠左0+105.00至廠右0+34.50位置處,如圖4所示;A2斷面共計布置8套四點式位移計,分布在頂拱以及上下游邊墻,如圖5所示。本文主要對布置在859.6 m 高程位置處的M4-CF2-5位移計監測數據展開統計分析。

圖4 廠房主要監測斷面布置

圖5 柔性測斜儀及多點位移計布置(單位:m)

為拓寬大型巖質硐室工程建設過程中圍巖變形監測儀器選型范圍,本項目首次將柔性變形監測系統引入地下硐室群圍巖水平收斂變形監測中,探索該儀器在大型地下硐室工程圍巖收斂變形監測領域的應用效果。選擇廠左0+053.00斷面(2#機組中心線)上下游邊墻各布置一條柔性測斜儀,自頂拱拱角至845.50 m 高程,長度為28 m,柔性測斜儀布置效果如圖5所示。

2.3 柔性測斜儀監測成果分析

由圖5可以看出,柔性測斜儀布置在主廠房上下游邊墻,監測范圍覆蓋主廠房開挖第1層至第5層,其整個安裝過程分3步進行?？紤]該區間范圍內上邊墻布置的多點位移計M4-CF2-4數據上存在較多缺陷,于是選擇布置在下邊墻859.4 m 高程位置處的柔性測斜儀RCX1028測點取得的監測數據與布置在相近位置處的多點位移計M4-CF2-5(859.6 m)監測數據進行對比分析。

下邊墻布置的柔性測斜儀RCX1028測點自安裝至開挖結束期間監測結果見圖6。

圖6 柔性測斜儀859.4 m 高程測點累計位移變形

由圖6 可以看出,RCX1028 測點自2021 年5月1日取得監測值15 mm 以來,在主廠房第五層開挖期間變形速率較大,平均為0.125 mm/d,考慮該時期內A2斷面附近2#母線硐開挖,下游墻岔硐口處產生較大卸荷變形,對相鄰區域圍巖有較大擾動,因此柔性測斜儀監測速率有較大躍升;截至2021年9月25日第七層開挖結束,該測點累計變形已達32.5 mm,且仍保持緩慢增長趨勢,該層開挖期間圍巖變形速率出現較大幅度增長,最大變形速率達到0.2 mm/d;結合同時期現場觀測,該測點附近母線硐底板出現較大寬度的裂紋,由極限平衡理論可知,主廠房硐室開挖結束,巷道邊墻臨空面較大,該測點區域附近有岔硐相交,屬于最大應力集中區范圍,由此可以得出布置在該區域范圍內的柔性測斜儀對圍巖位移變形趨勢有較為準確的揭示,且數據保持較高的穩定性。

2.4 多點位移計監測數據統計分析

主廠房A2監測斷面自頂拱至硐室底部共計布置8套多點位移計用以監測各區域圍巖變形,由圖4可清晰看出,上邊墻布置的M4-CF2-4、M4-CF2-6與下邊墻M4-CF2-5三套多點位移計監測區域與柔性測斜儀監測范圍有重合?？紤]多點位移計監測數據的有效性以及完整性,本文選取下邊墻859.6 m 高程位置處布置的M4-CF2-5位移計自2020年9月23日安裝至2021年9月25日開挖結束期間所監測數據與柔性測斜儀設置在859.4 m 高程位置處的RCX1028測點監測數據進行對比。

下邊墻布置的多點位移計M4-CF2-5自安裝至開挖結束期間監測成果見圖7。

圖7 多點位移計859.6 m 高程測點累計位移變形

從多點位移計M4-CF2-5監測的位移曲線可以看出:2020年9月30日該監測儀器取得監測數據以來至11月23日期間快速增長,其中孔口位置處變形達到16.2 mm,3 m 深處測點變形也增至8.1 mm;2021年4月21日至5月31日期間主廠房第五層開挖,多點位移計監測變形有一定幅度增長,考慮該時期內相鄰岔硐開挖,對測點區域圍巖擾動較大,且隨著硐室斷面開挖高度的增加,開挖卸荷對兩側邊墻的擾動逐漸增大,加劇了這一時期內的圍巖變形速率。截至主廠房開挖結束,該多點位移計孔口處最大監測變形為22.6 mm,3 m 深處變形為13.1 mm。

3 三維數值模擬分析

3.1 硐室模型及力學參數

本文采用有限元分析軟件ANSYS、MIDAS建立地下廠房硐室群三維模型并進行數值計算分析,計算采用以Mohr-Coulomb強度準則為屈服函數的理想彈塑性模型。硐室三維模型如圖8所示,計算參數見表2。

表2 巖體物理力學參數

圖8 地下硐室群三維數值分析模型

3.2 硐室開挖圍巖變形分析

結合本項目現場開挖支護設計方案,進行三維有限元數值計算分析,考慮到文中所選取柔性測斜儀RCX1028測點與多點位移計M4-CF2-5監測數據主要源自主廠房下邊墻859 m 高程位置附近。于是選定該地下硐室三維模型中第四層至第七層開挖結束期間A2斷面(廠左0+52.5)數值計算結果作為對比,具體的計算結果如圖9所示。

圖9 地下硐室開挖圍巖水平變形

由三維有限元數值計算結果可以看出,隨著硐室開挖,巷道圍巖總體朝向開挖臨空面變形,上下邊墻部位變形較大,以水平變形為主。第四層開挖結束,下邊墻最大變形為16.17 mm,出現在860.5 m 高程附近的巖錨粱位置處;至2021年7月18日第六層開挖結束,下邊墻受到開挖擾動影響的范圍逐漸增大,柔性測斜儀RCX1028 測點位置(859.4 m)處的計算變形為28.6 mm,考慮該時期內2#母線硐的開挖對鄰近硐室圍巖變形影響較大,且與現場同期觀測現象有較高的吻合,因此計算變形增長速率過快符合實際變化規律;隨著硐室開挖高程的降低,下部開挖對上部圍巖端墻變形影響逐漸減弱,截至第七層開挖結束,該測點位置處圍巖最大水平收斂變形為33.8 mm,與圖6 柔性測斜儀RCX1028測點同期內監測數據保持較高的一致性。

4 結論

(1) 使用柔性測斜儀在該項目地下硐室圍巖水平變形監測中已正常工作近6個月,儀器埋設情況良好,各測點監測數據正常且符合一般變化規律,選定測點在各開挖階段內所測數據及變化速率與傳統監測儀器統計數據基本相同,且與該硐室三維數值模擬計算結果保持高度一致。結合該儀器現場安裝布置穩定及數據采集便捷等優點,因此,使用柔性測斜儀在大型硐室工程圍巖變形監測分析應用中具有較高的適用性,可拓寬該儀器在大型硐室以及巷道變形監測中的應用。

(2) 本文研究所選取的M4-CF2-5多點位移計自安裝至開挖結束期間內所監測圍巖最大變形為22.6 mm,對測點區域圍巖變形破壞情況有較為準確的展示,但考慮該斷面頂拱以及端墻布置的多個儀器在硐室開挖過程中受施工影響造成儀器受損、數據傳輸中斷等現象,給圍巖變形監測工作帶來諸多不便,因此,使用該儀器在大型硐室工程圍巖變形監測應用中存在一定的弊端。

(3) 通過三維數值模擬分析可以得出,主廠房A2斷面圍巖變形最大值為33.8 mm,各開挖階段邊墻圍巖變形效果以及最大值點與柔性測斜儀監測結果保持高度一致,且與現場觀測較為符合,從側面印證了柔性測斜儀在本項目圍巖變形監測應用中的可靠性以及準確性。為該儀器在大型地下硐室工程變形監測分析中的應用提供了可靠經驗。