锦屏一级水电站地下厂房开挖施工期安全监测分析

锦屏一级水电站地下厂房开挖施工期安全监测分析巩海根水电十四局有限公司勘察设计研究院【摘要】锦屏一级水电站地下厂房自2006年05月开始开挖，至2010年04月开挖完成历时48个月。

安全监测工作在锦屏一级水电站地下厂房开挖过程中起到了非常重要的作用。

开挖期间位移多次出现较大的变形，下游拱脚部位砼喷层出现裂缝较多且发展较快，在各种不利因素交错影响的情况下，监测承包方及时将监测成果报送监理，为开挖和支护施工提供了及时可靠的依据。

【关键词】地下厂房安全监测位移应力超量程1概述1.1厂房概况锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江下游河段的控制性水库。

锦屏一级水电站地下厂房位于大坝下游约350m的山体内，水平埋深约170m，垂直埋深约180～350m。

臵于杂谷脑组第二段大理岩夹绿片岩中，主要涉及T2-3Ｚ2（4）层、T2-3Ｚ2（3）层、T2-3Ｚ2（2）层。

第3层岩性主要为浅灰～灰白色厚层状大理岩，局部夹少量绿片岩条带、绿片岩透镜体岩层总体产状N40～70°E，NW∠30～40°，局部N10～40°E，NW∠20～30°。

f13、f14 、f18断层从厂房通过（见图1.1），走向与厂房轴线大角度相交。

地下厂区属于高地应力区，最大主应力σ1=20～35.7MPa，方向与厂轴线近于平行。

厂区局部地段沿NW向裂隙带涌水。

图1.1 厂房f13、f14 、f18三大断层主厂房、主变室平行布臵，中心间距为67.35m，主厂房纵轴线NW65°，长度276.99m，吊车梁以上跨度为28.90m，以下跨度为25.60m，主厂房高度68.80m。

地下厂房自2006年05月开始开挖，至2010年04月开挖完成历时48个月。

2009年05月份，主厂房第Ⅶ层开挖结束，正进行第Ⅷ层开挖，由于部份多点位移计变形速率较大，无明显收敛趋势，松弛圈依然在发展，主厂房下游拱脚部位岩体压剪破坏严重。

为此，2009年05月30日，锦屏一级水电站特咨团专家提出建议采取“稳住上部、增强中部、加固下部”的支护原则进行加强支护，以控制围岩的变形和松驰圈的发展。

因此厂房下游拱脚部位从2009年6月～9月进行了长达4个月的加强支护，期间各种新增加的监测仪器也根据支护进度进行了安装，并在第一时间测得了宝贵的监测数据。

根据加强支护区间监测仪器数据显示，经过加强支护后的下游拱脚，应力和位移变化都比较稳定，为厂房的后续开挖打下了坚实的基础。

1.2监测断面布置地下厂房共布臵十个主要监测断面（如表1-1、图1.2），表1-1 地下厂房主要监测断面布置图1.2 地下厂房监测平面布置图1.3监测仪器安装情况截止2010年4月30日，地下厂房（主厂房、第一副厂房、安装间、排水廊道预埋）总计安装426支锚杆应力计、526支位移传感器、1321支锚索测力计传感器、46支测缝计。

详见表1-2。

表1-2 地下厂房监测仪器安装数量统计表1.3.1多点位移计1、孔向偏差应小于2 °，孔深比最深测点深1.0m 。

2、钻孔完成后应冲洗干净，测量钻孔深度、方位、倾角。

3、钻孔应通过取芯进行地质描述，以确定锚头位臵。

4、在场地平整干净、光线好的地点按照设计的测点深度，将锚头、位移传递杆、护管和传感器组装后运至埋设地点。

5、将组装好的多点位移计和灌浆管、排气管逐段捆扎好，护管连接处用胶密封，并对每米护管用彩色胶带做出标志，然后缓缓送入孔内。

6、多点位移计入孔后，固定传感器装臵，并使其与孔口齐平，引出电缆，用水泥砂浆密封孔口。

见图1.3多点位移计安装示意图。

7、孔口水泥砂浆固化后，开始封孔灌浆，应保证钻孔灌浆饱满（排气管出浆）。

浆液终凝24h 后打开孔口装臵，经检测合格，将电缆引出，然后安装保护罩。

图1.3 多点位移计安装示意图Φ130~160Φ89~110钻孔钻孔排气管外筒传感器连接片机测板位移杆注桨管锚头全钻孔注桨封堵1.3.2锚杆应力计1、按设计要求钻孔，钻孔直径应大于锚杆应力计的最大直径，钻孔平直，其轴线弯曲度应小于钻孔半径。

钻孔结束后应冲洗干净，防止孔壁沾油污。

2、按锚杆直径选配相应规格的锚杆应力计，将仪器两端分别与锚杆用标准螺纹连接。

3、在已连接锚杆应力计的监测锚杆上安装排气管，将组装检测合格后的监测锚杆送入钻孔内，引出电缆和排气管，插入灌浆管，用水泥砂浆封闭孔口。

见图1.4锚杆应力计安装示意图。

4、安装检查合格后进行灌浆。

注浆的水泥砂浆配合比、重量比，与周围常规锚杆的水泥砂浆相同。

砂浆固化后，既可进行监测。

图1.4 锚杆应力计安装示意图2监测成果分析2.1围岩位移状态围岩位移的典型位移状态，从多点位移计监测结果说明可分为三类，一是在分层开挖过程中，围岩位移仅受前几层开挖影响，每开挖一层位移量有所增加，然后位移趋于稳定；即开挖过程中围岩位移趋于稳定型；二是在分层开挖过程中，每开挖一层围岩位移量有所增加，然后位移趋于稳定，即开挖结束后位移趋于稳定型；三是在分层开挖过程中，每开挖一层围岩位移量有所增加，但位移没有趋于稳定，而是继续比较缓慢增加，即开挖结束后位移继续缓慢增加型。

2.1.1开挖过程中位移趋于稳定型该类型围岩位移的变化主要分布在厂纵0-035.62、0+000.00、0+031.7、0+095.1及其附近桩号监测断面，EL1659.0～EL1667.6高程。

位于0+000.00桩号1#机组监测断面下游边墙EL1666.0高程的六点式位移计M6ZCF-Z1，在第Ⅳ～Ⅶ层开挖过程中位移变化较明显，第Ⅶ层开挖过后最大位移达到96.4mm，第Ⅶ层至开挖完成时最大位移为105.2mm，不过在开挖过程中围岩位移就趋于稳定，见图2.1。

此种类型的围岩位移状态主要分布在厂纵0-035.62、0+000.00、0+031.7、0+095.1等监测断面的EL1659.0～EL1667.6高程，其位移量在22.3mm~105.2mm之间。

图2.1 开挖过程中位移趋于稳定型2.1.2开挖结束后位移趋于稳定型该类型的围岩位移变化主要分布在厂纵0+063.4、0+0079.0、0+126.8及其附近桩号监测断面，EL1653.0、EL1659.0、EL1674.0三个高程。

三个监测断面均位于f14断层附近，开挖过程中受f14断层影响较大，位移曲线在开挖过程中持续增长，在厂房开挖过程中对f14断层进行处理，开挖结束后，围岩位移基本趋于稳定，见图2.2。

5#机组0+126.8监测断面最大位移量为69.3mm，发生在EL1659.0高程的四点位移计M4ZCF4-6。

第Ⅵ层开挖前安装的多点位移计位移变化量较大，监测数据利用价值较高，第Ⅵ层之后安装的位移计位移变化量均较小。

最大位移发生在位于3#与4#之间的0+079.0监测断面EL1659.0高程的四点位移计M4ZCF3-4，位移量为76.9mm。

图2.2 开挖结束后位移趋于稳定型2.1.3开挖结束后位移继续缓慢增加型该类型围岩位移的变化主要分布在厂纵0+158.5、0+196.27、0+204.07及其附近桩号监测断面，EL1651.0、EL1658.0、EL1661.0、EL1669.7四个高程。

厂纵0+158.5（6#机组）～0+204.07（第一副厂房端墙）范围均处于f18断层影响带内，岩石较破碎，部分高程的位移在开挖结束后未发现明显的收敛，而是持续缓慢增加见图2.3。

f18断层穿过厂纵0+204.07监测断面，对该断面的影响最大。

该断面共安装3套多点位移计，分别位于EL1658.0、EL1657.0、EL1641.7高程，其中EL1658.0高程的四点位移计M4FCFA-1最大位移量达到87.18mm，且开挖结束后未出现明显收敛，不过，该类型围岩位移的数量为少数。

图2.3 开挖结束后位移继续缓慢增加型2.2锚杆应力状态锚杆应力计的典型应力状态，可分为二类，一是在分层开挖过程中锚杆应力，仅受前几层开挖影响，然后应力趋于稳定即开挖过程中即应力趋于稳定型；二是在分层开挖过程中，每开挖一层应力量有所增加，但应力没有趋于稳定，而是应力继续缓慢增加，即开挖结束后应力继续缓慢增加型。

2.2.1 开挖过程中应力趋于稳定型此种类型锚杆应力的变化主要分布在厂纵0-035.62、厂纵0-046.0、0+079.0、0+063.4、0+158.5、0+196.27桩号多数监测断面各高程。

各监测断面应力随每层开挖会出现台阶式增长，开挖结束后应力曲线呈平缓曲线，基本保持现状，见图2.4厂纵0-046.0属于安装间监测断面，位于f18断层影响带内，岩石大多经过风化、较破碎，最大锚杆应力为278.9 MPa。

图2.4 开挖过程中应力趋于稳定型2.2.2开挖结束后应力继续缓慢增加型此种类型锚杆应力的变化主要分布在厂纵0+031.7、0+095.1、0+126.8、0+204.07桩号监测断面。

各监测断面应力在开挖结束后应力曲线呈缓慢增加趋势，见图2.5。

厂纵0+126.8断面共安装13套锚杆应力计，是厂房安装锚杆应力计最多的监测断面，也是整个厂房应力监测的重点。

该断面下游EL1667.0高程两套锚杆应力计应力严重超过量程，最大应力值为626.9MPa（超量程）。

经设计同意后对超仪器量程的两套锚杆应力计在原位臵1m范围内进行了补埋，截止10年4月，补埋后的锚杆应力计应力最大值已达到224.9 MPa。

该断面拱脚（EL1667.0）以上部位进行了钢筋拱支护，位于该断面附近的钢筋拱曾因应力作用发生外鼓现象。

图2.5 开挖结束后应力继续缓慢增加型2.2.3 锚杆应力超量程现象锦屏一级水电站的原始地应力比较高，在分层开挖过程中，应力的重分布不断调整，围岩的受力状态比较复杂，出现了锚杆应力超量程现象基本发生在围岩 4.0m、6.0m、9.0m测点，最大锚杆应力达到626.9 MPa（超量程），通过工程处理，如利用锚索对围岩进行锚固等等措施，锚杆应力超量程现象得到控制，锚杆应力基本趋势稳定。

锚杆应力超量程现象主要分布状态见图2.6；该范围的锚杆应力超量程值见表2-1。

图2.6 锚杆应力超量程现象示意图表2-1 锚杆应力超量程统计表2.3岩壁吊车梁监测仪器分析2.3.1岩壁吊车梁监测仪器布置岩壁吊车梁监测仪器布臵情况见表2-2、图2.7。

表2-1 岩壁吊车梁监测仪器布置表图2.7 厂房岩壁吊车梁锚杆应力计安装示意图2.3.2岩壁吊车梁监测仪器分析上游岩壁吊车梁共布臵16个监测断面，埋设48套锚杆应力计监测吊车梁与围岩间连接锚杆的受力情况；上游岩锚梁监测锚杆的应力水平总体较低，77支锚杆应力计中，仅有7支的应力测值超过100.0MPa。

下游岩壁吊车梁共布臵14个监测断面，埋设42套锚杆应力计监测吊车梁与围岩间连接锚杆的受力情况。