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地下工程安全监测设计与施工摘要:介绍了水电工程地下洞室群工程地质评价和施工期围岩稳定性分析,就监测设计及施工的原则、内容、监测项目、仪器选型及埋设观测方法、确定监测部位及重点监测量、数据采集与资料整理分析、预报方法、相应软件应具备的功能等。关键词:水电工程;地下工程;安全监测技术;设计;施工地下工程是修建在由岩石和各种结构面组合而成的天然岩体中的建筑物,它是靠围岩和支护的共同作用保持其稳定的。所以,地下工程的安全在很大程度上取决于围岩本身的力学特性及自稳能力,取决于其支护后的综合特性。由于地下工程要在地下深处进行开挖、支护,建筑物又埋藏在地下一定深度,而天然地质材料中又存在节理裂隙、应力和地下水,因此,地下工程的建设比地面工程复杂得多且不易掌握,力学参数难以确定,这就需要借助现场监测技术获取建筑物性状变化的实际信息并将其及时反馈到设计和施工中去,直接为工程服务。1地下工程各阶段监测工作的主要内容(1)前期监测。前期监测主要利用勘探平洞和原位模型试验洞进行。在开挖勘探平洞时,可进行位移、应力及声波测试,或采用试验研究岩体的力学参数,建立计算模型。利用原位模型试验洞进行系统的位移、应力、围岩松动范围及声波测试,反演岩体力学参数,建立计算模型,为地下洞室稳定性研究、支护提供依据。(2)施工期监测。随着施工的进展,对围岩和支护进行位移、应力、应变、裂缝开合、地下水、爆破影响和环境等进行监测并及时反馈,以保证施工安全和设计修改并指导施工。(3)运行期监测。对围岩及支护进行现场监测,监测结构构件的安全、检验设计的正确性并为地下工程技术研究积累资料。2监测设计和监测项目2.1设计所需要的资料在收集资料时,应针对工程规模、不同设计阶段以及关键问题等选用资料。(1)地质资料:①地质报告(含纵、横剖面图、钻孔柱状图及平洞展示图);②结构面的统计资料及节理裂隙玫瑰图;③围岩分类及软弱结构面性状;④地震烈度;⑤地下水分布;⑥洞室稳定性评价。(2)试验资料:①岩块及围岩力学试验参数;②软弱结构面力学参数;③模型试验研究报告。(3)建筑物设计资料:①地下洞室布置图(包括各种平面、纵剖面、横剖面等);②地下洞室围岩稳定分析计算与评价、支护设计、开挖方法及施工程序等资料;③各种数值计算资料(包括地应力场分析、渗流场有限元、边界元等计算成果)。(4)水文气象及其他资料:降雨量、水位、气温等与监测设计有关的其他资料。2.2设计原则(1)地下工程的监测设计应在围岩条件和工程性状预测的基础上进行,设计应以施工期监测为重点;施工期监测又应以围岩稳定性和支护结构的工作状态监测为重点。(2)观测项目和测点的布置应满足预测模型的要求。监测系统应能全面监控工程的工作性状以及由各种内外因素所引起的相互作用。(3)观测仪器的布置要合理,注意时空关系,控制关键部位。对按监测目的所选定的物理量应监测其空间分布和随时间变化的全过程。随着地下工程开挖的进展或者说随时间的推移空间不断扩大,应监测空间和时间变化两个过程。在空间变化过程中,应做到尽早开始观测读数且中间不间断。总之,应努力做到空间和时间两个方面的监测均连续。因此,要掌握洞室开挖顺序并根据施工开挖顺序进行监测设计。(4)为力求监测围岩和支护结构性状变化的全过程,在条件许可时,若能从附近钻孔预埋观测仪器的应尽量采取预埋监测的方式;在不具备预埋条件时,应紧跟掌子面及时埋设。(5)安全监测设计应和工程设计一样纳入设计的正常工作范围内,并分阶段进行设计,而不应等到工程开工前或开工后由监测实施承担者自行设计。设计时,难免有些情况预计不到、估计不足,但随着工程开挖的推进可能会出现某些新问题,需要补充或修改监测设计。因此,在设计中应在随机测点、测孔所需要的工作量和仪器、设备、元件的数量上留有余地。(6)地下工程的监测设计与其他的工程监测设计一样,施工期和运行期的监测应作为一个整体统一进行设计,即二者是一个监测系统中的不同监测阶段。其中有些项目只用于施工期,而其他项目可作为运行期监测;有些用作运行期的监测设施也可兼作施工期监测。(7)采取仪器监测为主,人工巡视调查与仪器监测相结合的方式,以弥补仪器覆盖面的不足。(8)在设计监测自动化的同时,对于要求实现监测自动化的工程或部位,应保留人工观测,以保证监测资料连续、不致中断。(9)监测设计应由熟悉监测技术、掌握工程和地质条件的技术人员承担,或者由从事工程设计、地质勘测和从事安全监测工作的技术人员一起进行设计工作,避免设计上的片面性。2.3监测项目的选择监测断面及项目的选择应以工程条件确定之后所进行的工程性状预测为基础,同时考虑下述原则:(1)根据监测目的分别选定重点项目。对于以安全监测为主要目的的监测项目,一般应以能监控影响安全的主要因素为目的选定。整体安全监测项目要系统,局部安全监测项目较单纯,但都要有针对性,一般情况下均以变形和支护结构的应力为主要项目。若以设计和施工方法校核为目的,则选择与其相关的项目,如选取锚杆轴力和围岩松动范围监测,校核锚杆参数;选取衬砌应力监测,校核混凝土、钢拱支护设计参数和检验施工方法;若用于新技术研究并对影响围岩稳定性的因素进行探索,则可选取与研究、探索内容密切相关的项目。(2)根据工程阶段分别选定。工程前期,应根据工程性状预测的需要选择有关项目;施工期,在充分利用永久性观测项目的基础上补选一些能为施工安全监控快速获取资料的项目;运行阶段,应根据工程运行性状预测选择系统的项目;对于问题明确的可有针对性地选择项目。(3)根据工程的规模、等级(重要性)、经费的承受能力等因素综合确定。在满足需要的前提下,项目力求精简。但对于重要的项目、部位应考虑平行监测项目,以便比较、印证。如变形项目,在对顶拱和底板采取收敛监测的同时,也可采取水准监测。(4)根据覆盖层的厚度、基岩岩性及断裂构造、岩体变形和破坏机制,以及所采取的支护方式选取监测项目。如对于覆盖层浅的软土或土中的地下工程,地面建筑对其存在影响,需采取刚性高的衬砌,尽量控制其变形。重点应监测建筑物变形的变化、围岩应力、支护结构应力等。如果覆盖层厚,但围岩强度低,围岩可能发生挤出、膨胀变形,重点应监测围岩变形、压力和支护结构应力等。当覆盖层深厚、围岩坚硬、裂隙发育,喷混凝土仅起防止岩体表面风化、填平表面凹凸不平的作用时,喷混凝土无需监测,但需加强巡视调查,并在洞室收敛前在混凝土衬砌中进行应力和压力监测。3监测仪器的选择仪器选型应根据以下原则进行。(1)根据确定的监测项目选择相应的仪器,仪器数量宜少而精;(2)监测仪器的精度和量程应满足具体工程的要求。该要求应根据岩性、计算值或模型试验值等进行预测的最大和最小值确定仪器的精度和量程;(3)仪器应准确可靠,坚固耐用,能够在潮湿甚至涌水、爆破震动和粉尘等恶劣环境下工作;(4)仪器应轻便,布置简单,埋设安装快捷,操作读数方便,占用掌子面时间短,对施工干扰少。4监测断面的布置(1)监测断面应按工程需求、地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面,通常按洞室的稳定性可分为系统的布置与随机布置;按工程部位分,可分为对称型、非对称型及局部型。(2)监测断面的布置要合理,注意时空关系。采取表面与深部结合、重点与一般结合、局部与整体结合,务必使测网、断面、测点形成一个系统,并能控制整个工程的关键部位。(3)在断面的选择上,应注意埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物尺寸及形状、预计的变形及应力以及施工方法、施工程序等。(4)断面可分为主要监测断面和辅助监测断面。主断面可埋设多种仪器进行多项监测;在主断面附近设辅助断面,辅助断面埋设仪器少,用于监测个别重大的、有意义的参数,这种布置既保证了重点,又简化了工作面,进而降低了费用。(5)在观测断面上,应根据围岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形和应力等物理量分布特征布置测点,应在考虑均匀分布、结构特性和地质代表性的基础上,根据其变化梯度确定测点数量。对于梯度大的部位,点距要小;梯度小的部位,点距要大。5监测技术要求(1)监测设计应包括工程设计的内容、设计工作大纲、仪器选型、监测布置及其设计说明、技术要求、概预算以及承包合同等。(2)监测仪器要求可靠、耐久、易安装和检修、有足够的灵敏度、准确度和重复性、价格低廉、操作方便。(3)仪器埋设前要进行监测和率定,并要求其要达到合格;在其安装埋设前,必须按设计图进行放线,并进行地质编录、绘制素描图及详细记录,必要时可进行简易测试;用钻孔电视或模拟测试检查并记录钻孔情况,以利于监测成果的分析。仪器埋设时,要注意传感器位置准确无误,出线要方便并注意对仪器及电缆的保护。(4)仪器安装检测无误后,要经过监理工程师的验收。验收前,要观测读数,建立初始值(或称基准值)、记录温度及湿度。经验收确认无误后即可使用。(5)观测应按规程规范或技术指标执行。观测时间一般为初期密,每天观测1～2次;后期稀,一周或一个月观测一次。若观测数据变化大且呈发展趋势时,测试应加密,反之减少。在施工期,还应结合开挖、支护前、后进行观测,当其出现异常时,要及时反复测读,分析其原因并做好记录。(6)资料整理要及时,当发现数据错误时应及时改正或补测。对原始数据要去伪存真、计算、分析并绘制观测量与时间、深度曲线。(7)及时对检测得到的信息进行反馈,以便修正设计、指导施工,确保地下洞室围岩的稳定和安全。反馈的内容包括以下几方面:①围岩失稳的警报;②根据监测资料,修正原设计、调整支护及整个施工方案;③利用量测的信息,反馈力学参数、模型,进一步优化设计;④对围岩稳定性和支护做出正确的定量评价,验证理论计算及模型试验结果。(8)报告的编写一般包括下列内容:①工作概况及任务;②监测设计;③仪器布置位置及在该部位的监测作用;④仪器埋设与观测方法;⑤成果整理与分析;⑥结论及存在问题的解决途径。6监测资料的整理分析6.1有关资料的收集由于地下工程自身的复杂性,在进行监测资料整理分析之前,应对观测数据、人工巡视资料和其他有关工程资料进行全面收集和采集。除收集一般性监测有关资料外,对地下工程而言,还应特别注意收集下述资料。(1)仪器埋设位置附近的地质资料。包括地质素描图和钻孔柱状图、岩性、地质构造(如节理、裂隙、断层和褶皱等)的详细描述,地下水状态和变化等。其中钻孔柱状图对多点位移计和测斜管等监测仪器的资料分析是必不可少的,也是国际岩石力学学会建议的技术要求,不可因施工方便与否等原因而不认真执行。(2)监测仪器埋设的详细资料。如施工详图、竣工图、仪器安装埋设记录、钻孔日记、钻孔的回填灌浆、渗压计等仪器端部各层埋设的详细记录等。(3)监测断面附近爆破、开挖、支护等施工作业的详细记录。如爆破时间、部位、装药量、药室布置、引爆方式、技术要求等;开挖方式、部位、梯级、循环进尺、支护方式、参数、时机等。在地下工程中,不乏存在因施工资料不完整、不详尽而使监测资料无法正确分析解释的实例,必须认真汲取并引以为戒。(4)有关的设计、地质、试验和科研资料。如计算分析、模型试验、室内外试验、前期监测资料报告、相近工程比较详尽的工程类比资料等。这些资料的完整与否,将直接影响监测资料的整理、分析和反馈的可靠性、质量和水平。6.2监测资料的整理及成果分析地下工程监测资料的表示方法有表格、图形、文件、磁盘、录音录像、计算机数据库等多种形式。对于文件、磁盘、录音录像和数据库等表示方法,地下工程与边坡、大坝和坝基等是相近的。另外,地下工程所采用的许多监测仪器,如多点位移计、收敛计、测斜计、渗压计、测缝计等与边坡工程相同。在此主要说明地下工程监测资料图形表示法。(1)物理量过程线。监测物理量(或物理量时间速率)过程线中横坐标采用时间坐标或时间及间距工作面距离双坐标;纵坐标采用物理量(或其速率)量值和距工作面距离双坐标。图中最好有测点布置简图,要在画出过程线的同时画出开挖进尺过程线;如有可能,图中可画出监控设计曲线。一般应将监测量的速率过程线放在监测量自身过程线同一幅图的上方或下方,以资对照比较。除开挖进尺曲线外,必要时,还应同时画出监测仪器附近爆破、各种支护等施工作业的进度曲线。(2)