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;
