某抽水蓄能电站地下厂房监测与分析

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摘要：地下工程施工期间的监测，其目的是为施工提供安全指导，本文以某抽水蓄能电站地下厂房施工监测为例，介绍了监测项目项目的确定与实施，并对获得的监测数据进行分析，对影响到施工安全的部位提出了控制措施，以期为类似工程提供指导和借鉴。

关键词：蓄能电站地下洞室围岩变形、应力监测分析

中图分类号：TL48 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况及工程地质条件

1.1工程概况

某大型纯抽水蓄能电站，总装机容量1200MW，为一等工程，工程规模为大（I）型。枢纽主要建筑物的级别均为I级，其中包括上、下水库的大坝、下水库泄洪排沙闸、厂房输水系统，次要建筑物为3级建筑物。主厂房开挖尺寸为165.8m×22.7m×55.6m（长×宽×高），主变洞为131.4m×20m×23.6m（长×宽×高）。地下厂房全洞室喷混凝土，喷混凝土厚度为15cm，在厂房顶拱及吊车梁以上侧墙布置系统锚杆，锚杆长度根据不同高程设有5m、4m、3m等几种长度。在岩台吊车梁处，锚杆按三个角度设置，每个角度每延米设置2根锚杆。主变洞顶拱喷混凝土，喷混凝土厚度为15cm。

1.2工程地质

区内出露地层主要有下元古界辽河群变质岩系（Ptlh）、早元古代混合花岗岩（Mγ2）和混合岩（M2），后期有元古代和侏罗系侵入岩及岩脉，上覆新生界第四系松散堆积层。

地下厂房枢纽区位于黄草沟右测第一条NEE冲沟沟尾处，地面高程225m—325m。地下厂房上覆山体厚度180m—280m，厂房区岩体主要为早元古代混合花岗岩，岩石新鲜完整、坚硬，物理力学指标较高，洞室围岩以Ⅱ类为主。厂房部位节理裂隙一般不甚发育，地下水位高出顶拱150m—250m左右，岩石透水性较弱，仅局部见有地下水渗涌。

对厂房位置有影响的主要是西半部的f9断层及东部的F3、F4、Fj34断层， 围岩节理主要有两组：①走向NW330°～355°，多倾向NE，倾角多大于50°；②走向NE20°～50°，多倾向SE，倾角多大于50°。围岩初始最大水平主应力为9.3～12.2MPa，其方向为NE71°～81°或NW275°～290°，最小水平主应力一般为3.3～6.6MPa。

2 抽水蓄能电站地下厂房监测内容

根据地下厂房部分的工程地质特点，主要进行以下项目的监测：收敛监测、声波测试、锚杆应力计、多点位移计、测缝计等监测。

2.1 岩体内部位移监测

施工期钻孔轴向岩体内部位移观测采用多点位移计，选择弦式仪器。施工期观测仪器的电缆走线以满足施工期观测为主，一般在主体工程施工结束后即停止观测。施工期多点位移计仪器要有较强的抗震性能，其布置尽量选在掌子面附近埋设并获得第一次观测数据。

2.2 锚杆应力监测

施工期锚杆应力观测采用锚杆应力计，选择弦式仪器。锚杆应力计为杆式结构，按设计要求裁截锚杆钢筋，并与应力计对焊，应力计焊接需与钢筋保持在一条直线上，并防止焊接时的高温对传感器的影响。施工期锚杆应力计要有较强的抗震性能，其布置尽量选在掌子面附近埋设并获得第一次观测数据。

2.3接缝开合度监测

测缝计安装埋设时，确保仪器波纹管能自由伸缩。安装过程中注意检测。

3监测数据分析及施工建议

3.1围岩变形监测数据分析及施工建议

围岩变形监测数据如图1，多点位移计位移变化速率过程线见图2。

图1 多点位移计位移过程曲线图2 多点位移计位移变化速率曲线

从围岩的变形过程与变形速率曲线中不难得出：同一测孔不同深度测点的位移变化过程及变化速率规律基本是一致的，且距离孔底相对不动点越远的测点，其位移变化越大。

从多点位移计位移变化速率过程线上可以看到，监测前期，变化速率在一个较小的数值上限内小范围地波动，因为厂房区岩体主要为早元古代混合花岗岩，岩石新鲜完整、坚硬，物理力学指标较高，洞室围岩以Ⅱ类为主，厂房部位节理裂隙一般也不甚发育，所以变形量和变形速率受开挖的较破碎岩体小，加之本工程的厂房施工采取了预留保护层，先掏中槽的开挖方法，在10月17日左右，正处于掏中槽的过程，对围岩稍有扰动，因此围岩变形量和变形速率有少量的增加。围岩变形速率在0-0.4mm/d之间变化，根据相关规范可知当围岩速率在1-0.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段，这时围岩在掏槽的影响下缓慢属于正常情况，所以不必采取工程措施。

截至11月9日，位移变化速率突然有所增大，其中测点4最大变化速率达到1.167mm/d，出现这种情况原因是施工的掏槽已经结束，随着保护层的开挖，岩体发生了明显的内空变形。因此变形速率加大。

施工措施：由相关规范可知：当位移速率大于1mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段，应密切关注围岩动态。鉴于这种情况，为了保证施工的安全，在位移计同一高程增设两排锚杆，锚杆长度为9m，增加锚杆示意图如图3所示。此后变形速率逐渐降低并趋于平稳。

图3锚杆增设示意图

监测进行到11月19日时，位移的变化速率又有小幅度的增加，这是由于施工过程中增大了测点所在断面的开挖强度所致，因为厂房处于较为完整的新鲜花岗岩中，因此测点因开挖引起的位移占总量的比例相对较大。

施工措施：此时应适当减小开挖强度，使围岩的变形有所缓解，其后一段时间，围岩变形随时间的推移而缓慢发展。但如果进行下一步开挖，仍需要继续进行加强监测。

由变化速率过程曲线可以看出，围岩变形速率在12月6日突然增大，并在12月8日达到最大值1.08 mm/d，这种情况产生的原因是近期副厂房开挖放炮，对厂房周围的岩体产生较大的影响，致使岩石变形速率突然增加。

施工措施：这时应控制爆破的药量，尽量减小开挖对围岩的扰动，保护围岩，采用控制爆破技术，加强对围岩的保护。通过采取上述措施，此后围岩变形速率明显降低。但为了保证安全生产，还是等到监测稳定后才进行下一层的开挖工作。

3.2 厂房安装间0-30岩锚梁附近上游边墙锚杆应力监测分析及施工建议

锚杆应力变化过程曲线如图4，锚杆应力变化速率过程线如图5。

图4 锚杆应力过程曲线图5锚杆应力过程曲线

从图7和图8对比岩石变形量和变形速率曲线我们不难看出，锚杆应力的大小和变化速率与岩石的变形是紧密相关的，并且二者曲线的变化趋势基本一致。

从应力变化曲线可以看出，锚杆应力变化速率在10月15日开始有小幅度的增加，这是由于施工出于掏槽阶段，施工对围岩稍有扰动，对应围岩位移变化速率的增加，锚杆应力同样有所增加，但属于正常情况。在之后一段时期内，锚杆应力的变化速率都没有太大的变化。

在监测进行到11月9日时，锚杆应力变化速率有了大幅度的增加，在11月12日达到最大变化速率26.0Mpa/d。这是由于，随着掏槽的结束和保护层的开挖，围岩的开挖卸荷速度较快，致使锚杆应力变化速率有了明显的增加。

施工措施：此时在与应力计同一高程上增加两排锚杆，减缓围岩变形的同时也降低了锚杆应力变化的速率。

对应围岩位移速率的变化，锚杆应力在11月19日又有了小幅度的增加，这也是由于随着施工过程中增大了测点所在断面开挖强度，且地下厂房处于完整新鲜的岩体中，开挖强度对锚杆应力的影响较破碎岩体较大。

施工措施：这时适当控制开挖强度，使围岩自身有充分的时间进行初始应力的二次调整，使锚杆应力变化速率逐渐降低并最终达到一个平缓的状态，从而保证施工安全及工程质量。

由于副厂房开挖爆破对厂房周围岩体的影响，12月9日，锚杆应力变化速率又有所增大，但是锚杆应力速率的变化幅度不如围岩位移变化速率的变化幅度大。 施工措施：此时适当控制爆破的药量，尽量减小开挖爆破对围岩的扰动，采用控制爆破技术，加强对围岩的保护。锚杆应力变化速率逐渐减小并达到稳定值。

虽然监测锚杆的应力很大，但锚杆的施工时机不同，其初始受力状态也就不尽相同，目前监测到的监测锚杆最大应力为305.62MPa，该区域的锚杆应力值要较监测锚杆的应力值小，即使如此，也要继续加强观测，注意该区域的安全。

3.3 岩锚梁上桩号0+076.5和0+085.5处接缝开合度监测

因为在岩锚梁上接缝开合度的监测中，J27、J29两个测缝计所在位置的接缝变化比较大。因此选取J27、J29的数据和变化过程进行分析。J27开度过程曲线见图6， J29开度过程曲线见图7。

图6 测缝计J27开度过程曲线 图7测缝计J29开度过程曲线

由于测缝计J27、J29处于岩锚梁的同一侧，且两测缝计相邻。所以二者的开度过程曲线基本一致。

由开度过程曲线可以看出，在监测前期裂缝开度小幅的增加，增加的速率稳定基本没有变化，这可能是由于施工过程中对围岩的影响，这种情况属于正常。

当监测进行到3月16日时，开度过程曲线上也出现了明显的梯度，这时裂缝变化速率明显增大，分析原因是沿岩锚梁长度方向上岩体情况不均一，围岩内空变形不一致，导致岩锚梁与围岩产生差动变形所至，累计开合度也较大，这时在加强监测的同时还要尽量减小施工对围岩变形的影响。

在监测进行到6月18日后，测缝计测得的开度过程曲线明显缓和，裂缝的速率逐渐降低，这是由于上游侧中层排水廊道内的锚索施工完成，对围岩变形起到了约束作用，从而使测缝计测得开度值保持平稳。

虽然监测后期测缝计监测到的开度比较平稳，但是总的开度很大，其中J27测得开度达到4.52mm，J29测得的开度达到4.66mm。鉴于这种情况，为保证施工安全，将岩锚梁下方构造柱改为结构柱，关键时刻对岩锚梁能够起到支撑作用，并应加强此处裂缝的监测，同时应及时做好支护，约束围岩的变形，尽量减小工程中其他工序对围岩变形的影响。

4结语

1）地下洞室墙围岩变形具有如下特性：其一是同一测孔不同深度各测点的位移变化规律基本相同，且距离孔底相对不动点越远的测点，其位移越大；其二是随着开挖高程的不断降低，变形量逐渐变大，变形速率逐渐趋于平缓，爆破开挖对围岩变形影响逐渐减小；

2）开挖方式和开挖强度对围岩变形的影响较大，虽然厂房区岩体主要为早元古代混合花岗岩且岩石新鲜完整，但为了保证施工的安全，还是采用先中间（中间掏槽开挖），后两边（两侧保护层开挖）的开挖方式，这样对围岩变形起到减缓作用，使岩体初始应力有充分时间进行自我调整，进行应力重新分布，达到围岩稳定。对于完整岩体而言，测点因开挖引起的位移量占总量的比例大。

3）锚杆应力变化的规律受控于围岩结构，无论从同一根锚杆上的不同测点应力或是从不同位置的锚杆应力，均可证实这一结论。当支护施工不及时或者混凝土支护厚度不能达到要求时，接缝的开合度都会增加。另外工程中的其他因素也会对裂缝的开度造成一定的影响。当裂缝增大到非正常值时，应立即采取措施，如增加喷射混凝土厚度，增加加固锚杆的数量等，使支护与围岩良好地结合，以保证施工的安全进行。

参考文献

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