（水工结构工程专业论文）大断面调压井的施工监测及分析.pdf

职川大学硕士学位论文 y6 545 2 5 大断面调压井的施工监测及分析 水工结构工程专业 研究生黄金全指导教师陈新 福堂水电站调压井的开挖直径为3 1 m ，井筒深度1 1 2 m ，所处地形及地质 条件复杂，目前在我国尚缺乏类似工程的施工经验。为使工程施工安全、经济、 快速地进行，有必要对施工过程中调压井及井周围岩的应力及变形进行研究。 本文结合福堂调压井工程，就地下工程中的热点问题，选取了在理论上和 工程实践中有实际意义的几个问题采用麓工监测和数值仿真模拟相结合的方 法进行了分析和探讨。 1 、以“新奥法”的基本思想为指导，提出了适合于该工程的施工监测系 统，包括围岩与衬砌的接触应力、衬砌的应力与应变、围岩的应力及变形、井 周收敛及井台位移等监测项目，并针对该工程所处的特殊地形及地质条件，主 要把监测仪器及测点布置在井周四个“典型”位置( 关键点) 上。与一般工程监 测相比，具有更强的针对性、及时性和经济性。有限元仿真分析表明，该监测 系统布置合理，重点突出。 2 、对监测资料进行了较为详细、深入的分析，对围岩及衬砌结构的工作 状态作出合理的判断和反馈；针对施工期监测序列历时短、非线性强的特点， 首次使用a g a 方法优化预测模型的参数；利用施工监测资料建立了旅工期应 力及变形的数理统计预测模型，提出了倒挂混凝土的合理浇筑高度，既能保证 围岩及衬砌结构的稳定安全，又有利于工程施工，给出了施工过程中围岩位移 的控制指标，对工程施工起到了重要的指导作用。 3 、采用d r u k e r p r a g e r 屈服准则，应用大型通用有限元分析软件a n s y s ， 大断面调压井的施工监测及分析 对福堂水电站调压井中、上段的施工过程进行了有限元仿真模拟分析，给出了 不同工况下井台及围岩的位移分布。将有限元计算成果与施工监测成果进彳亍对 比分析，验证了监测成果的合理性，指出了监测方案的不足，并提出了相应的 改善措施。 4 、综合分析结果表明，在调压井上段实施8 0 c m 厚倒挂混凝土衬砌的情况 下，采用边开挖边衬砌的施工程序，井台及井筒位移随时间的变化速率呈减小 趋势，岩体深部位移没有发生突变，调压井及井周围岩在施工过程中是稳定安 全的。 关键词：调压井新奥法施工监测施工预测仿真分析 四川大学硕士学位论文 m o n i t o i u n ga n da n a l y s i so fb i g s e c t i o ns u r g et a n kd i 限i n gt h ec o n s t r u c t i o n h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：h u a n gj i n q u a ns u p e r v i s o r ：c h e n x i n t h ee x c a v a t i n gr a d i u so ft h es u r g et a n ko ff ut a n gh y d r a u l i cp o w e r p l a n ti s 3 1 m a n d i t s d e p t h i s l l 2 m i t s t o p o g r a p h i ca n d g e o l o g i c c o n d i t i o n sa r ec o m p l i c a t e d i no u r c o u n t r y , i ts t i l ll a c k st h ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e t os u c h p r o j e c t s o ，t oi n s u r e t h ew o r kb ed o n e s a f e l y , e c o n o m i c a l l y a n d q u i c k l y , i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h es t r e s s a n dt h ed e f o r m a t i o no ft h e s u r g e t a n ka n dt h e s u r r o u n d i n g l o c kd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt o t h es u r g et a n ko ff ut a n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n t ，t h i sp a p e r a n a l y z e saf e wq u e s t i o n sw h i c h a r ei m p o r t a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c eb yc o m b i n e d t h e c o n s t r u c t i n gm o n i t o r i n g w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 1 、b a s e do nt h et h e o r yo fn a r m a m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c h i ss u i t a b l ef o r t h ep r o j e c ti sp u tf o r w a r d i ti n c l u d e sm a n ym o n i t o r i n gi t e m s ，s u c ha st h ec o n t a c t s t r e s so ft h es u r r o u n d i n gr o c ka n dt h el i n i n g , t h es t r e s sa n dt h es t r a i no ft h el i n i n g , t h es t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，e t c a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t o p o g r a p h i ca n dt h eg e o l o g i cc o n d i t i o n s ，t h em a j o r i t yi n s t r u m e n ta n dm o n i t o r i n g p o i n t sw e r ea r r a n g e do n t h ef o u r t y p i c a ll o c a t i o n ( k e yp o i n t s ) a r o u n dt h ew e l l t o c o m p a r ew i t hc o m m o ne n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g ，i th a sm o r eu s a b l e ，s e a s o n a b l ea n d e c o n o m i c a l a c c o r d i n gt o t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o na n a l y z e ，i ti s r e a s o n a b l e 2 、t h e m o n i t o r i n g d a t ai sa n a l y z e d t h o r o u g h l y a n db a s eo nt h a t ，t h ew o r k i n g s t a t eo ft h ea d j o i n i n gr o c ka n d l i n i n gi se s t i n r a t e da n df e db a c k i nt h ec o n s t r u c t i n g m o n i t o r i n g ，t h em o n i t o r i n gd a t al i s t i ss h o r ta n dn o n l i n e a r a c c o r d i n gt ot h a t ，t h e a c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( a g a ) i su s e dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e ri n t h e 束曩r 7 j 菇蔫，盆 。参：j 爻式率 太断面调压井的施工监测及分析 p r e d i c t i o n m o d e l sf o r t h ef i r s tt i m e s o m es t a t i s t i c a lm o d e l sf o r c o n s t r u c t i n g p r e d i c t i o n a r ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h es t a t i s t i c a lm o n i t o r i n gd a t a ar e a s o n a b l e h e i g h to f t h eh a n g i n gc o n c r e t el i n i n gi sp u tf o r w a r d ，a n dt h ec o n t r o lf a c t o r sa b o u t t h e a d j o i n i n gr o c k sd i s p l a c e m e n td u r i n gc o n s t r u c t i n g a r eg i v e n ，w l f i c hi s v e r y i m p o r t a n c ef o r c o n s t r u c t i o n 3 、a n s y ss o f t w a r ei sa p p l i e dt os i m u l a t et h ec o n s t r u c t i n gp r o c e s so f t h es u r g e t a n ko ff ut a n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n ta n dt h ed r u k e r - p m g e r ( d p ) m o d e li sa l s o a d o p t e d t h ed i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o no ft h ew e l l st o pp l a t f o r ma n dt h ea 由o i n i n g r o c ki naf e wd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n si sg i v e n a n dt h e n ，t h er e s u l to ft h e c a l c u l a t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h ed a t ao f c o n s t r u c t i n gm o n i t o r i n g o f v e r i f yt h ed a t a s r a t i o n a l i t yo fc o n s t r u c t i n gm o n i t o r i n g t h ed e f i c i e n c yi nt h ec o n s t r u c t i n gm e a s u r i n g a n dm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s c o v e r e d m o r eo v e r - am o r ep e r f e c ts c h e m ei sp u t f o r w a r d 4 、a s y n t h e t i c a ls t u d yi n d i c a t et h a tt h es u r g et a n ka n d i t ss u r r o u n d i n gr o c ki s s t e a d ya n ds a f ei nc o n s t r u c t i o n ，f o rt h ec h a n g eo f t h er a t eo fd i s p l a c e m e n to ft h e w e l l st o pp l a t f o r ma n dt h es u r r o u n d i n gr o c kw i l li ss m a l la n dt h eb r e a ki sn o tf o u n d i nd i s p l a c e m e n to fd e e pr o c k ，i ft h et h i c k n e s so fh a n g i n gl i n i n gs t r u c t u r eo nt h e u p s i d eo f t h ew e l li s8 0 c ma n dt h a tt h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r tp r o c e s si sm a d ei n t t t m k e yw o r d s ：s u r g et a n k ， n e w t u n n e l l i n gm e t h o d ， c o n s t r u c t i n gm o n i t o r i n g ， c o n s t r u c t i n gp r e d i c t i o n ， s i m u l a t i o na n a l y z e 四川大学硕士学位论文 1 前言 1 1 岩土工程安全监测现状及发展趋势 岩土工程历史悠久，在工程的结构物的设计和计算方面已积累了丰富的经 验。但是，岩土工程的安全监测起步较晚，它是随着岩土工程的失事为人们提 供教训后，不断地寻求监测和监测手段而逐步发展起来的。2 0 世纪5 0 年代以 来，岩土工程界逐步认识到结构物的失事多是因为地基失稳引起的，边坡工程、 地下工程的事故也是因岩土体失稳所致。如果能够在事故发生前得到信息，进 行准确的判断，及时采取有效的防范措施，便可以制止事故的发生，于是工程 安全监测工作逐步受到重视。由于岩土体复杂，岩土力学又是一门新的科学， 尚属半经验半理论的性质。因此，在时间和空间上对岩土工程的安全度作出准 确的判断还有很大困难，有关岩土工程安全问题的解决，更多的是依靠澳i 试和 观测，所以，人们越来越多地把工程安全情况的判断寄希望于工程建设过程中 和竣工后的原位观测。通过监测促进工程的施工、运行安全。同时，又通过监 测指导设计、优化设计和提高设计水平。 岩土工程的失稳破坏，都有从渐变到突变的发展过程，一般单凭人们的直 觉是难以发现的，必须依靠设置精密的仪器进行周密监测。为了做到这一步， 首先要作出符合具体工程实际的监测设计。然而，准确地作出一项监测布置和 预计一项工程监测需用多少仪器和仪器的类型是很困难的，特别是对工程安全 有控制作用的仪器更为困难。因为仪器的选择要考虑整个工程的地质条件。地 形地貌特点和岩体、节理及结构面等的物理力学特性。此外，仪器的数量及其 埋设和布置，不但依靠计算，还要根据已知条件和分析条件，以工程和工程周 围的特性决定。所以，2 0 世纪7 0 年代以来，对于监测项目的确定、仪器的选 型、仪器的布置、仪器的埋设技术与观测方法、资料的整理分析等项目的研究 工作逐步加深。在工程设计中也同时进行监测仪器布置，编写实施技术要求。 但是，由于起步较晚，还远不能适应工程建设发展的需要。已经做过的工作， 由于经验不足，存在许多亟待解决的问题。安全监测设计，由于无规范性的实 施方案可循，很难做到经济合理、安全可靠，当然也达不到时间和空间上连续 性的要求。尤其是要针对工程和地质结构特点进行布置，使其做到行之有效并 经济合理尚缺乏经验。同时，在实际监测设计选用仪器时如何考虑仪器的技术 人断面调压并的施工监泓及分析 性能、埋设和测读的简繁以及费用的合理性，尚缺乏可靠的依据。由于仪器种 类很多，各具特色，技术性能和运用条件各不相同，要做好安全监测，就有仪 器选型的问题。许多工程由于没有质量标准和全面的选型原则，盲目采用进d 仪器，或者主观地采用自己习惯的和自制的仪器，造成仪器失效或测得的资料 不符合计量标准，无法分析。仪器埋设技术和观测方法缺少标准，随着原位监 测的发展，问题也越加突出。有些新仪器虽然性能可靠，但由于实际应用较少， 在恶劣的岩土工程中，不敢使用；用得多的仪器，安装埋设技术要求得不能保 证，观测方法又不当，大量的仪器因此而失效或得不到满意的成果。 在我国从2 0 世纪8 0 年代初开始，科技攻关和工程实践对所存在的问题进 行了广泛而深入的研究，监测设计和监测方法不断地改进。在一些大型工程中 深入研究了安全监测布置，一些考虑地质地貌条件、岩体工程技术性质、工程 布置、监测空间和时间连续性的要求等因素的安全监测布置原则和方法，相继 提出。在充分研究了岩土工程安全监测仪器的使用经验和效果、仪器种类和技 术性能、质量评定标准的基础上，确认了一批供仪器选型用的仪器。对这些仪 器的技术指标、适用条件、稳定性等也有了评定标准。安全监测仪器安装埋设 与观测的标准化、程序化和质量控制措施也逐步地形成和完善。相继编制了各 种建筑物安全监测规程、规范、指南和手册。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，岩土工程安全监测手段的硬件和软件迅速发展， 监测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报系 统也在不断的完善。岩土工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来，安全 监测成为必要的手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的 手段，成为工程设计、施工质量控制的生要手段。 二滩、三峡、小浪底等大型工程的设计和施工，采用了大批2 0 世纪9 0 年 代的先进技术，监测工程的设计、施工、观测、资料整理分析和质量控制基本 实现标准化、自动化，监测技术水平有较大的提高。 随着计算机在工程中的广泛应用，岩土工程监测资料整理分析反馈工作近 年发展较快。块体理论、模糊数学、灰色系统、人工智能、专家系统等先进的 决策分析技术已开始在岩土工程监测资料整理分析中应用。 目前在国内，在较大型岩土工程中普遍应用高档微型计算机，在已应用高 四川大学硕士学位论文 档微型计算机开展监测资料整理分析的岩土工程中，基本上采用了数据库技 术，其中不少工程应用统计回归方法和统计性模型，部分工程已配备了针对该 工程特点研制的确定性模型和混合性模型。 早在上世纪7 0 年代就有人提出将有限元理论计算值与安全监测数据相互 印证的确定性模型和混合性模型，但目前尚属探索阶段。加速遗传算法在岩土 工程监测资料分析中的应用亦属少见。 另外，在以往的岩土工程监测中，多见隧道工程、基坑工程及高边坡工程 等方面的成果，而少见有调压井或竖井的施工监测的报导。 1 2 研究目的及意义 地下工程设计支护系统时常采用的力学计算模型有以下三种： ( 1 ) “荷载一反力”模型。自5 0 年代以来，我国在衬砌计算中大多采用此 模型； ( 2 ) “连续体”模型。这种模型将支护手段视为岩士介质的某种力学边界条 件，有限元、边界元数值方法在岩土工程计算中的推行为采用这种模型创造了 条件； ( 3 1 “收敛一约束”模型。这种模型根据围岩和支护系统的变形特征( 特征 曲线1 ，通过二者变形的协调条件来对围岩稳定性和支护系统的静力工作条件 进行计算。 在很多情况下，要确定采取以上三种模型中的哪一个较为合适并不容易。 而一旦计算模型得以确定，计算所需的各项输入信息采取( 如岩土体本构关系 及特性参数、初始地应力、支护特性参数等) 就成为问题的关键。输入信息不 正确会使计算得出同实际不相符的绪论，甚至面目全非，毫无意义。围岩是一 种处于形形色色地质背景中的多相的不连续复杂介质。力学计算所需的输入信 息的获得，仅仅依靠旋工前的一般地质勘测和室内岩土力学试验是难以做到 的。这使得仅仅依靠力学计算来设计支护在很多情况下成为不可能。因此，目 前在地下工程的设计中，常常不得不把建立在围岩工程分级基础上的工程类比 的经验方法作为一种重要手段。 实践证明，单独、孤立地使用力学计算方法或经验方法都不能取得较好的 大断面调压井的施工监测及分析 效果。片面强调其中某一种手段而排斥另一种也是不正确的。为了选择一个地 下工程设计的正确途径，一方面要使经验方法科学化；另一方面则要使设计中 所进行的力学计算具有实际背景。为了做到这一点，现场施工监测起到了特别 重要的作用。可以把地下洞室开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为 判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据，把施工监测所获得的信息加以处 理，与工程类比的经验方法相结合，建立一些必要的判断准则，借以直接利用 监测成果及时地调整、确定支护参数时进行施工决策。 号称“亚洲第一井”的福堂水电站的调压井为开敞式布置，其开挖直径为 3 1 o m ，井筒高度为1 1 2 m 。调压井布置于长条形单薄山脊黑云母岩岩体内，工 程所处区域为北东向龙门山断裂带的后山断裂和中央断裂两条大断裂夹带的 地块中，靠近活动较强烈的茂汶断裂，地质情况较为复杂。建筑物所处岩体以 花岗岩为主，岩体内有不同时期、产状的岩株和岩脉，断层、破碎带、强弱卸 荷带及裂隙穿插其中，形成了工程区复杂的地质构造。 由于国内缺乏类似工程的旋工经验，而且工程所在处的地形单薄、地质情 况复杂，调压井施工难度大，施工期安全问题突出。因而有必要进行施工期的 现场观测，并通过数理统计模型对建筑物在施工过程中的的工作状况作出预 测，以便于及时发现并排除安全隐患，确保工程施工的顺利进行，同时也为其 它类似工程积累施工经验。 现场安全监测对于确保地下洞室在施工期内的安全稳定，确保工程质量和 施工进度起着十分重要的作用。现场安全监测成果可以为围岩的稳定状况、支 护时机和支护型式的选择以及支护效果的评价等提供直接的判据。目前还没有 十分成熟理论用以对地下洞室围岩的稳定进行分析，如果没有现场实测资料作 为依据，在现场施工中就会带有一定的盲目性，有可能会给工程带来不应有的 损失。福堂水电站调压井开挖直径达3 1 。o m ，为亚洲之最，因此在国内缺乏施 工经验：另一方面，该工程的地形条件特殊，在质条件复杂多变，常规的数值 计算结果难以适应工程的实际状况。这样现场安全监测成果就检验实践正确与 否和指导后续施工的重要依据。为确保工程的顺利完成，调压井项目部十分重 视施工期安全监测，成立了专门的工程安全监测工作组，对工程安全监测进行 专门的研究。在各方的共同努力下，对调压井进行跟踪监测，及时发现安全隐 四川大学硕士学位论文 患，并采取合理的支护措施，排除险情，使工程得以顺利进行。工程安全监测 主要起到如下作用： ( 1 ) 掌握围岩变形发展情况，可以一预测围岩的稳定状况，选择合理的 支护时机和支护参数，可以判断支护的效果。 ( 2 ) 了解围岩和支护结构的应力应变状况，检验支护设计的合理性和可靠 性，为修订设计方案，调整支护参数和指导后续施工及时提供依据。 ( 3 ) 监视工程的实际运行状况，并积累运行资料，为其它类似工程的设计和 施工积累经验，从而可以设计方法和提高设计水平。 1 3 本文的主要内容 本文结合福堂调压井工程，选取了几个理论上和工程实践中有实际意义的 问题进行了探讨，主要内容如下： ( 1 ) 针对福堂水电站调压井工程，以“新奥法”的基本思想为指导，较为详 细地分析了具体施工条件及施工期工程安全监测实施的条件，提出了适合于该 工程的麓工监测方案。 ( 2 ) 对该工程的施工期监测资料进行了整理和计算，深入分析其变化规律， 并初步建立了应力和变形监测量的预测模型，为调压井施工期的安全性判断提 供了实测依据。 ( 3 ) 利用大型通用有限元分析软件a n s y s ，选取适用于岩体材料的驴_ p 模型，对该工程的开挖、衬砌等施工过程进行了数值仿真模拟分析，研究围岩 在施工过程中的稳定性。并通过对比分析计算成果与监测成果，验证监测成果 的可靠性及监测方案的合理性。 ( 4 ) 获得不良地质条件下大断面调压井工程的施工监测经验，供其它同类工 程施工参考。 大断面调压井的施工监测发分析 2 施工方法分析及施工监测系统 施工现场监测是适应于新奥法施工的重要措施之一。新奥法旌工的重要原 理之一是“适时支护”，从以往的工程经验知道，过迟的支护会引起变形的不 收敛，造成破坏；而过早的支护往往需要过大的支护力，这又容易造成支护材 料的浪费或支护的破坏，进而造成洞室失稳。要做至在施工开挖之前就能准确 地确定各项支护参数以及最优的开挖、支护方案并非易事。地下工程的稳定性 与许多因素有关，如围岩的构造、岩土材料的物理力学特性、初始地应力、地 下水作用和时间等等。现有设计方法是根据事先确定的因素建立某种物理数学 模型，再利用各种解析方法、数值方法等进行稳定性判别，并提出最优开挖方 案。这种做法往往与实际情况有一定差距。首先，地应力分布千差万别，由于 地应力是地层在数万年的运动中形成的，它的确定必须通过测试的方法来完 成。其次，岩体的非均匀性、各向异性及非线性，使得反映岩土体特性的本构 关系模型难以与岩体的实际性质完全一致。由此可见，现场监测及信息化设计 是现代地下工程建设中必不可少的手段。与其它方法不同的是，信息化设计要 求在施工过程中进行现场监测，以便在现场围岩的开挖和支护过程中，获得围 岩稳定性和支护设施的工作状态信息。通过分析研究这些信息，可以间接地描 述围岩的稳定性和支护的作用，以重新确定围岩参数及支护参数，并反馈于施 工现场，指导施工决策。 2 1 施工方法分析 2 1 1 新奥法的发展 从地下工程中应用与普及岩石力学知识的历史条件的角度加以观察，上个 世纪4 0 年代诞生的新奥法、系统科学和电子计算机这三项突破性的科学技术， 发展到8 0 年代，已经为其在地下工程围岩稳定分析中的普及应用准备了比较 成熟的条件。新奥法是隧道工程奥地利新方法的简称，由拉布西维兹于1 9 4 8 年提出，于1 9 6 3 年左右取得专利并正式命名。它以喷射混凝土、锚杆作为主 要初期支护手段，将经验、量测和理论相结合，形成一种隧道工程新概念和方 法。该方法先后在奥地利、北欧、美国、日本以及我国等许多地下工程中应用， 得到迅速发展。现己成为在软弱围岩及不良地质条件下修建地下工程的一种有 四川大学硕士学位论文 效的方法。如日本岩石隧道工程中的采用新奥法建设所占的比例，1 9 8 4 年至 1 9 8 8 年在铁路隧道中已超过7 0 ：近年来，在公路隧道中所占的比例增长迅 速。随着现代化建设的进行，我国能源、交通事业的重点发展，迟早出现这种 趋势是必然的。 新奥法思路的形成和发展可以追溯到2 0 年代。它是从观察隧道衬砌材料 和围岩的性状中产生出来的。老矿工的经验表明，岩石的实际压力总是与岩洞 的允许变形相关的，这一基本观点就是它最初的依据。它是从实际经验中创造 出来的，理论是后来才总结的。 根据米勒等论述的新奥法基本原则及其力学基础，其主要观点如下： ( 1 ) 应当把隧道支护与围岩看作整体化的结构物，围岩是承载结构物的一部分； ( 2 ) 采用喷射混凝土和锚杆及时支护，尽量避免围岩的二向应力状态，松动 范围愈小愈好。支护应尽可能柔而韧，以保护和发挥围岩的强度和自承能力； 以最低的支护要求达到新的平衡。 ( 3 ) 围岩变形量测是按新奥法设计和旌工地下洞室的主要依据。通过量测修 改设计，决定施工方法与支护时机。监控围岩支护体系的力学动态，容许并适 当控制围岩的变形 ( 4 ) 全断面或半断面开挖比矿山法有利。分部开挖会引起反复发生应力重新 分布，造成对地层的破坏等等。 ( 5 ) p a c h e r 提出了以支护压力和径向变形为坐标的地层特征曲线，它是一条 下凹的曲线，表明在某一段围岩位移值时需要的衬砌支护力最小，该关系带有 概念性，可以被人们理解，但未经实验证实，与之对应的衬砌特性曲线是一条 向上的斜直线，两曲线的交点就是衬砌提供的反力和地层需要的支护力相等， 不同时期交点均是由最小向大的方向变化，由以所此提出了“支护不能太早， 不能太晚，不能太刚，不能太柔”的原则。 ( 6 ) 以描述性的地层分类为基础，选择恰当的临时支护，监控量测的应用辅 助支护措施，以满足地层反力曲线，最终成为一种均匀承载结构。 与传统的力学模型设计理论和施工方法相比，新奥法标志着地下工程概念 的发展和方法的突破，直接推动了地下工程从经验分析设计方法向经验与理论 分析想结合的设计方法的转变。 大断面调压井的施工监测及分析 2 1 2 本工程采用新奥法施工的目的 本工程采用新奥法进行设计和施工，因此现场监测是设计和施工必不可少 的重要环节，其实施的主要目的在于： ( 1 ) 掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈、指导施工作业： ( 2 ) t 解支护结构的作用和效果； ( 3 ) 确保工程施工安全和经济性； ( 4 ) 将监测的成果反馈于设计与施工过程中。 2 2 监测方案设计原则 地下工程施工监测方案是否合理，不仅仅决定了这种现场监测能否顺利进 行，而且关系到监测结果能否反馈于工程的设计和施工，为推动设计理论和方 法的进步提供依据，因此，合理、周密的监测方案的设计是现场监测的关键。 现场监测方案设计的主要内容有： ( i ) 监测项目的确定，监测手段仪表和工具的选择： ( 2 ) 施测部位和测点布置的确定； ( 3 ) 实施计划的制定，包括测试周期的确定。 调压井工程属地下工程范畴，由于其所面临的地质力学环境复杂，在大井 开挖之前，不同高程的地质条件、岩体结构、风化程度和地应力特征不易掌握， 力学参数难以确定，旌工j 临时支护措旌的合理性也难以判定。分析本调压井工 程的具体条件，其大并开挖断面大，地质条件差，岩体风化特性和被切割程度 变异大，大井后缘边坡较高，施工过程中不可预见的因素较多。因此，加强旌 工期监测，注重信息反馈分析工作，是非常重要的工作。相应确定本调压井工 程施工监测的预期目标为： f 1 ) 通过施工过程中的现场监测及信息反馈分析，研究调压井围岩变形的时 空变化规律： ( 2 ) 结合前期的监测资料分析，优化施工方案，指导施m i r a 时支护参数的选择。 ( 3 ) 根据施工期监测结果的数据分析，反映旅工临时支护结构的受力状况。 综上所述，本施工监测方案设计应遵循的原则可归纳为，监测项目选择应 针对具体的地形及地质条件和监测目标，体现其针对性；监测数据采集应按施 8 四川大学硕士学位论文 工程序紧跟掌子面，体现其及时性；监测信息反馈分析应配合施工临时支护的 力学分析，体现其对施工监测的指导作用。 2 3 施工监测条件分析 岩土工程的设计以现场地形、地质、地下水、地表水和环境与建筑物间的 相互作用为基础，其监测的范围和性质取决于建筑物的类型、复杂程度和不利 后果的潜在因素。监测设计不应只是仪器的选择和布置，而应从监测目的，原 则到监测资料的整理与应用整个过程的系统全面的考虑。一般来说，地下工程 监测设计所需要的基本资料有： ( 1 ) t 程形式、工程规模、使用年限、几何形状、尺寸以及边界条件。 ( 2 ) 地质条件和工程技术特性。 ( 3 ) 环境条件。水文气象、生命财产危险性、附近建筑物或其他设施的状况。 ( 4 1 岩土体物理力学性质和地应力状态。 ( 5 1 施工方法和程序、各种结构的类型。 ( 6 ) t 程前期试验资料、模拟计算成果、结构布置形式。 ( 7 ) 确定的安全监测参照模型 ( 8 ) 预测的工程运行性能，通过预测选定的仪器量程与精度和确定仪器定位 定向依据。 为了选择最优的施工技术方案，采用科学的施工方法，做好各种施工措施 的准备，下面针对本调压井工程，对基本资料进行详尽的综合分析研究。 2 3 1 地形地质条件 本调压井工程“施工难度大，安全问题突出”的特点主要表现为其开挖断 面大以及所处的不对称的地形和不良地质条件。在制定施工监测方案时，应预 先对这些条件进行具体分析，以明确施工监狈0 的重点和难点，做到施工前心中 有数，实施监测时目标明确。 据p d 4 4 平洞揭示( 洞i z l 高程v 1 2 9 2 2 m ) ，岩体中结构面发育，卸荷强烈， 裂隙多张开o 5 5 e m ，局部达15 c m ，充填次生泥及岩屑。其中：洞深0 4 9 m 范围内，岩体强烈卸荷破碎为2 0 5 0 c m 的块体，呈松动、松散状态，自稳能 大断面调压井的施工监测及分析 力差：洞深4 9 1 1 7 m 范围内，岩体完整性随深度增加逐渐变好，卸荷仍较显 著，岩体块度一般为5 0 1 0 0 c m ，自稳能力较前段略好；洞深1 1 7 m 以里，岩 体卸荷较微弱。据在调压井处的厂z k 4 。钻孔揭示，孔深5 4 5 m 以上岩心破碎， 完整性差：5 4 5 m 以下岩心完整性变好，裂隙轻微锈染。由此可见，调压井中 上部井壁v1 2 6 2 m 高程以上( 距地面6 3 m 范围) 为强卸荷岩体，部分呈松动或松 散状态，岩体完整性差，属v 类围岩，围岩缺乏自稳定能力，成井条件差。 调压井下部( v 1 2 6 2 m 高程以下) 岩体以i i i 类围岩为主，其发育的断层优势 方向为n 5 5 。7 0 。e n w a 7 5 。- - 8 5 。；发育裂隙优势组向有： n 6 5 。 8 0 。e n w 么7 5 。8 5 。，该组裂隙最为发育，面平直粗糙，间距一般0 - 3 l m ， 长5 m 以上；n 5 。2 5 。w s w l l 0 。3 0 。，此组缓裂亦较为发育，面较 平直光滑，间距1 2 m ，局部密集，延伸长多达1 0 m 以上；咐0 。1 0 。w s w a 7 8 。8 5 。，间距0 4 0 6 m ，长2 m 咀上； n 6 5 。7 5 。e s e 么3 0 。4 2 。， 面较平直光滑，间距l 3 m ，延伸长3 1 0 m 。小断层及裂隙相互不利组合， 容易出现局部坍塌。 从调压井所处的长条形山脊来看，竖井后边坡为高陡的强卸荷岩质边坡， 前侧为厂房边坡。前后侧边坡均已按设计要求开挖，并完成了大吨位预应力锚 索加固措施的施工。而竖井靠岷江侧和靠福堂沟侧的岩壁则均比较单薄，尤其 以靠岷江侧更为突出，竖井上部岩壁陡峭，即调压井竖井上部两侧的埋深较浅。 综上所述，按围岩变异性及施工条件，调压井自上而下可分为以下三段： ( 1 ) 上段( 井顶v 1 3 0 8 5 m v 1 2 6 2 m 高程) ：调压井井周岩体被切割得十分 破碎，近似呈松散土状，部分岩土无需爆破既可用挖掘机挖除，同时井筒靠岷 江侧和福堂沟侧的岩体单薄。施工中既要注重开挖后一次支护的及时性，还必 需在临时支护中采用刚性衬砌，以增强井周围岩的抵抗变形的能力。 r 2 1 中段( v 1 2 6 2 m v1 2 4 0 m 高程) ：调压井井周岩体较破碎，采用大孔 距爆破可炸除岩体。施工中仍应采用及时跟进的一次支护，同时应控制围岩裸 露时间和高度，适时利用刚性支护提高围岩承载能力。 ( 3 ) 下段( v 1 2 4 0 m v 1 2 0 6 5 m 井底高程) ：调压井井周岩体较完整，仅有 个别高程探测有软弱破碎带。施工中的控制重点是既要解决局部软弱带的带来 四川大学硕士学位论文 的不稳定安全性问题，又要兼顾到因大井挖深增加可能造成的整体稳定安全性。 2 3 2 影响施工监测仪器选择及布置的主要囡素 综合以上对调压井工程所处的地形、地质条件及竖井围岩的受力特点的分 析结果。同时结合调压井的施工程序，井身各施工测段的仪器类型选择及监测 布置主要应考虑以下几个因素： ( 1 ) 调压井坐落在单薄的山脊地形，后边坡高陡，且边坡已施以大吨位预应 力锚索加固措施。调压井竖井开挖后，尤其是井内山脊硬岩脉被挖除后，后侧 高陡边坡的围岩压力和锚索预应力都会给井壁旌加较大的挤压作用。这种挤压 作用将使井壁承受非均匀压力，即井壁围岩变形规律会受到高陡边坡及锚索预 应力的影响而呈非对称性。因此在监测开挖过程中井筒变形及应力应变变化的 同时，应同步监测后边坡的变形及锚索位移的变化。 ( 2 ) 调压井靠岷江和靠福堂坝沟两侧的山体较为单薄，尤其以井筒上游靠岷 江侧更为突出。在上述挤压力和开挖爆破振动的扰动作用下，井周单薄的岩体 可能有向外( 或内) 坍塌的危险。因此，除监测开挖后井筒内相对变形外，还应 注意监测竖井两侧代表性高程测点的绝对变形，据以推算开挖施工中井筒是否 有倾斜或偏移的趋势。 ( 3 ) 井筒上部约6 0 m 范围内围岩为强卸荷区，且井口施工平台上有门机、 支承浇筑倒挂混凝土的模板的卷杨机及其它旌工荷载，因此需对井口锁口混凝 土的位移进行监测。 ( 4 ) 为便于了解井周围岩体深部变形规律及松弛状况，应配套选择几个典型 断面，布置有效测点，监测井周围岩体深部变形。 ( 5 ) 监测仪器埋设及监测数据采集应与竖井开挖和井筒壁混凝土衬砌浇筑 的施工程序相协调。 ( 6 ) 根据开挖现场实际情况，不同高程竖井井简内岩体地质条件相差大，各 层开挖分区有所不同。施工监测布置在满足大井监测断面要求的同时，应兼顾 考虑到分区施工监测的需要。 另外，在调压井后边坡埋设有锚索应力计、多点位移计，用以监测后边 坡的变形及应力状况，在调压井井筒周围也埋设有混凝土应变计、钢筋计、锚 火断面调战井的施1 二监测及分析 杆应力计和多点位移计、测缝计等内外观仪器，用以监测调压井的变形及应力 状况。这些仪器的监测成果均可为施工期监测数据的分析提供参考。 2 4 施工监测系统布置 2 4 1 地下工程现场量测的主要手段 ( 1 1 围岩与衬砌之间接触应力的量测：在地下洞室衬砌背后埋设压力盒，量 测衬砌所受的“山岩压力”，亦即衬砌同围岩之间的接触应力。这种接触应力 的量值和分布形态除了同围岩有关外，在很大程度上取决于衬砌和围岩之间的 接触条件。一般采用钢弦式压力盒或油腔压力盒来量测。 ( 2 1 围岩应力、应变量测：在围岩中钻孔，埋设各种类型的应变计或应力计， 再往孔中灌注水泥砂浆，然后测读应变值，以了解围岩的应力、应变状态。地 下工程中常用的应变计有钢弦式应变计和差动电阻式应变计。 ( 3 ) 衬砌结构的应力、应变量测：在混凝土浇筑仓内预先安装钢筋计、混凝 土应变计等应力、应变量测仪器，然后再浇筑混凝土，以监测衬砌结构的应力、 应变。目前应力最多的钢筋计为钢弦式钢筋计，应变计也多用钢弦式仪器 ( 4 ) 地球物理探测方法：物探方法是指根据岩土介质的某些地球物理特性来 推断围岩的性态。它不仅可用于围岩的地质调查和工程分级，在一定条件下也 可据以了解地下洞室开挖所引起围岩应力应变状态的变化。目前国内常用 的方法有：弹性波法、电阻率法。 ( 5 ) 位移量测：在新奥法施工中，我们认为位移是最值得推荐的测试项目。 地下洞室周边点的位移是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反 映，易于建立一些准则，以实现量测结果的反馈。位移量测主要包括收敛和围 岩深部位移的量测。 2 4 2 本工程施工监测方案设计 按上述设计原则及对施工监测条件的分析，本调压井工程旌工监测方案设 计方法为： 井筒监测与井筒后边坡变形监测相结合； 相对变形与绝对变形监测相结合； 四川大学硕士学位论文 表面变形与深部变形监测相结合； 变形及应变监测与振动监测相结合： 大井断面监测与施工分区监测相结合。 具体布置如下的旖工监测方案： 2 4 2 1 井筒及围岩变形监测断面及测点布置 调压井井筒变形及围岩变形是井筒受围岩压力作用后的一种表现形式，通 过监测井筒及围岩变形情况，可以研究开挖过程中的围岩变形的时空规律，分 析其稳定状况。并筒变形及囝岩变形监测断面布置见图2 一i 。 ( 1 ) 井筒相对变形监测：井筒相对变形监测即井筒净空收敛监测，监测断面 按分段控制的原则考虑，每段布设1 2 个监测断面。井筒上段围岩破碎，布 设有2 个监测断面，中段围岩完整性增加，布设有1 个监测断面。下段无倒挂 混凝土衬砌，布设2 个监测断面，每个监测验断面布设4 个测点，量测按四边 形或十字形进行。 ( 2 ) 井筒绝对变形监测：井筒绝对变形依靠井筒顶部台阶的变形监测实现。 在顶部台阶设3 个监测点，各测点的绝对变形采用高精度经纬仪进行监测。为 准确监测到调压井的变形，应另外专门设置监测基准点，使其远离调压井应力 场作用范围。 ( 3 ) 并周围岩深部变形监测：结合并筒地质钻孔z k 4 揭示的岩层地质情况 的分析，在v 1 2 9 1 m 、v 1 2 8 1 m 、v 1 2 6 1 m 及v 1 2 3 0 m 四个高程布置深部变形 监测典型断面，各断面拟布置1 2 个测孔，每个测孔内埋设三点式多点位移计。 共需多点式位计四组。 ( 4 ) 变形监测的其它方式：除上述施工监测措施外，在井筒后边坡还布置有 多点位移计，在井筒四周也按设计要求布置了永久的变形监测仪器。这些仪器 的监测成果可为施工期监测数据的分析提供参考。 查堑亘塑垦苎塑塑三堕型墨坌堑 图例 一 井向收敛壹形监舞断面 斗州岩体睬部位移篮捌断面 说吼“器怒哿霎掣5 2 、从镜口砼浇筑起埋设慢 3 、奉皤尺寸以_ 计高程咀- 计 图2 1 井筒及井周变形监测断面布置图 2 4 2 2 衬砌应力应变监测断面及测点布置 衬砌应力应变监测包括衬砌所受围岩压力监测和衬砌内力的应力应变状 态监测两部分。两者之间既有区别又有联系，应同步进行监测。衬砌应力应变 监测断面布置见图2 - 2 。 ( 1 ) 井周岩土压力监测：监测井周岩土压力，即监测围岩与混凝土衬砌问的 心川大学硕j 学位论文 接触应力。结合井筒永久监测布置，选择v 1 3 0 0 m 、v 1 2 9 1 m 、v 1 2 7 8 m 、v 1 2 7 0 m 、v 1 2 6 0 m 、