地下廠房地質(zhì)及監(jiān)測儀器研究范文

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摘要：

在新時(shí)期背景下，我國大型工程的地下廠房建設(shè)規(guī)模越來越大。由于受到地形等因素的制約，地下廠房在遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程問題時(shí)，需要對(duì)地質(zhì)進(jìn)行研究，并使用現(xiàn)場測試、數(shù)值分析等方法和手段。因此，深入研究地下廠房的基本地質(zhì)條件、斷裂發(fā)育、應(yīng)力場特征、洞室穩(wěn)定性，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：

地下廠房；地質(zhì)研究；檢測儀器；應(yīng)用

本文以某位于西部河谷地區(qū)的大型水利水電工程為例，該水利水電工程地下廠房位于岸坡陡峭、河谷狹窄地域，周邊的環(huán)境多為高邊墻，地質(zhì)條件比較復(fù)雜。區(qū)域應(yīng)力分布不規(guī)則，河谷形成演化過程呈現(xiàn)不規(guī)則情況，需要為其地下廠房的地質(zhì)情況、支護(hù)設(shè)計(jì)、儀器布設(shè)等提供理論依據(jù)。

1地質(zhì)研究

1.1地形地貌

如圖1，該壩址區(qū)域所處的地形為搞啥峽谷地貌，周邊的岸坡險(xiǎn)峻，河谷狹窄，呈現(xiàn)V字型。地下水類型分別為裂隙潛水和脈狀裂隙承壓水兩種類型，埋深大約為100~200m左右，脈狀承壓水的構(gòu)造帶分別是三迭系變質(zhì)巖。該壩區(qū)沒有大的支流，垂直河流常年流水，植被稀少，兩岸分布有有熱水溝、多隆溝、沿崗溝、哇扯溝等。沿岸零星分布有沖擊砂和卵礫石。壩區(qū)的底層由老向新分層發(fā)展，包括：①前震旦系分布在東北部區(qū)域，巖層以片麻巖和結(jié)晶片巖石為主，基底為古老結(jié)晶巖石。②二迭系分布在北部區(qū)域，巖層以砂礫巖、碳酸巖為主，不整合在前震旦系之上[1]。③三迭系分布在東部區(qū)域，下三迭分布較廣，為壩區(qū)主要地層單元，在上統(tǒng)一、中統(tǒng)、下統(tǒng)之間，與下伏前震旦系和晚二迭系呈現(xiàn)不整合和斷層接觸。中三迭選在下伏二迭系角度不整合的前震旦系之上，下部多為砂巖、板巖、互層砂礫巖等，上部為紫色中細(xì)粒夾板巖。④在壩區(qū)的巖體中，以花崗巖體為主要分布帶，壩區(qū)斜拉底端主要為塔買花崗閃長巖體，掩體上為當(dāng)家寺花崗閃長巖體。上述巖體主要分布在三迭下統(tǒng)變質(zhì)巖，圍巖呈現(xiàn)波裝接觸。⑤在陸相小型山間盆地之間為碎屑巖建造，以侏羅系、白堊系的紫紅色砂巖、礫巖為主，含煤層。⑥在第三系中下部為紫紅色礫巖層，中上部為橘紅色砂礫巖、泥巖等。第四系分布主要為河湖相、冰漬、沖擊等；下更新統(tǒng)為河湖相和黃色泥巖、粉砂巖等。呈現(xiàn)整合或者假整合接觸。上更新統(tǒng)為三級(jí)以上階地礫石層、黃土狀土。

1.2地質(zhì)構(gòu)造

該水利水電工程地下廠房北鄰褶皺系，南街周周帶，呈現(xiàn)山脈及山間盆地構(gòu)造的地貌輪廓[2]。根據(jù)該區(qū)域的地貌地形分析，可以將該區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)展分為以下階段：在中新世早期，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為斷陷盆地下陷和斷塊山區(qū)隆起，形成了較為深厚的湖相地層，為地震活動(dòng)較低區(qū)域。在壩址周圍80km范圍內(nèi)，曾經(jīng)有過兩次地震記錄，頻度相對(duì)較小、無集中分布現(xiàn)象。受到地震影響，出現(xiàn)了活動(dòng)性較大的斷裂控制分布帶，區(qū)域內(nèi)沒有中強(qiáng)震發(fā)生，壩址的裂度不大。在壩址100km范圍內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，一些小震活動(dòng)頻度低，分布零散，地震活動(dòng)水平比外圍低。活動(dòng)規(guī)律為：①活動(dòng)性深大斷裂主要分布在東北部斷裂帶上，全新世活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)生過強(qiáng)震。②次級(jí)發(fā)震構(gòu)造在北部區(qū)域發(fā)生了活動(dòng)斷裂，曾經(jīng)有強(qiáng)震史。③發(fā)震部位位于活動(dòng)斷裂的交匯處，形成了較弱的地震活動(dòng)地帶，沒有強(qiáng)震記錄[3]。在區(qū)域地貌發(fā)展進(jìn)程中，逐漸從差異性隆起轉(zhuǎn)變?yōu)檎w間歇性抬升。在區(qū)域地殼脈動(dòng)式抬升的頻度逐漸加劇后，形成了多級(jí)階地。

2地下廠房地質(zhì)特征

該壩址區(qū)地下廠房、主變室均位于花崗巖中，花崗巖為致密塊狀終生侵入式巖漿巖，具有抗壓、彈性、吸水的特點(diǎn)。部分尾水洞、導(dǎo)流洞等為砂板巖，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該廠房地質(zhì)結(jié)構(gòu)干容重圍2.8~2.9g/cm3，干抗壓強(qiáng)度為159MPa，濕度抗壓強(qiáng)度為110MPa，軟化系數(shù)平均為0.9，彈性模量平均為6GPa，抗剪斷強(qiáng)度值為1.23。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，施加側(cè)向應(yīng)力時(shí)，巖石強(qiáng)度的幅度有所增加；在軸向和側(cè)向應(yīng)力作用下，強(qiáng)度相對(duì)抗壓強(qiáng)度可提高3倍，巖石的彈性性能也相應(yīng)提高。地下廠房的地下洞室穩(wěn)定性，包括塊體穩(wěn)定性和圍巖變形穩(wěn)定性。巖體中的地下洞室變形時(shí)，隨著模量的變化而變化。影響圍巖塊體的關(guān)鍵，在于各種斷裂結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、切割、塊體分布狀態(tài)等。地下廠房地帶陡傾斷層發(fā)育特征，影響著洞室的邊墻穩(wěn)定。在勘探平洞的過程中，廠區(qū)陡傾斷裂發(fā)育較為平直、局部彎曲，地表水有下滲現(xiàn)象。廠房地帶的陡傾斷層大致分為斷裂產(chǎn)狀、陡傾斷裂產(chǎn)狀、優(yōu)勢產(chǎn)狀。陡傾斷裂的發(fā)育一般為洞室的切割邊界，與洞室的軸線方位近似一致，對(duì)洞室的邊墻穩(wěn)定性影響非常重要。斷裂延伸處較為深遠(yuǎn)，填充深厚、斷面有地下水活動(dòng)的跡象，貫通性穩(wěn)定，構(gòu)成塊體邊界，形成圍巖邊界[4]。地下廠房緩傾斷裂發(fā)育往往以較大規(guī)模出現(xiàn)。構(gòu)成洞室不穩(wěn)定塊體的分離性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)往往形成斷裂交錯(cuò)切割的狀態(tài)，對(duì)圍巖產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響。在廠區(qū)緩傾斷裂帶內(nèi)多見的是碎裂巖，斷層面多有銹跡。斷裂面較平直，有滲水現(xiàn)象發(fā)生。地下廠房的主廠房區(qū)的平洞圍巖類型，斷層帶為碎裂結(jié)構(gòu)。絕大部分地段為平緩裂隙帶，間距較小、條數(shù)較多，大部分的洞頂圍巖具有不穩(wěn)定型的特點(diǎn)。

3地下廠房監(jiān)測儀器應(yīng)用

3.1全站儀和滑動(dòng)測微計(jì)

線法監(jiān)測。測微計(jì)在軸向變形線法測量中，采用套上塑性套管的金屬測標(biāo)方法，將側(cè)線劃分為若干段，通過灌漿等方式將側(cè)標(biāo)與被測介質(zhì)澆筑起來。當(dāng)測介質(zhì)發(fā)生變形時(shí)，將測介質(zhì)的標(biāo)距長度與時(shí)間變化聯(lián)系起來，計(jì)算得出被測介質(zhì)的變形分布規(guī)律數(shù)據(jù)。在三維收斂檢測測點(diǎn)的布置上，對(duì)地下廠房開挖斷面進(jìn)行布置，設(shè)置主廠房的上、下游側(cè)墻點(diǎn)、拱肩點(diǎn)、拱頂點(diǎn)，在廠房底部開挖上下游邊墻，將斷面標(biāo)注上斷面號(hào)。滑動(dòng)測微計(jì)測孔，一般設(shè)置在地下廠房開挖斷面處，目的是監(jiān)測地下廠房圍巖的變形情況、廠房直立墻的變形情況，引水洞洞間巖體的穩(wěn)定情況等。監(jiān)測儀器使用巖體表面三維非基礎(chǔ)變形監(jiān)測徠卡全站儀，儀器附屬設(shè)備包括棱鏡、反光照射片、膜片、強(qiáng)力照射燈等。采用瑞士進(jìn)口的滑動(dòng)微測算計(jì)對(duì)巖體深部變形狀況進(jìn)行檢測，部件包括導(dǎo)向鏈、連接桿、二次儀表等。

3.2深埋地下廠房微震檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)是隨著幾年來地下巖體監(jiān)測的數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展產(chǎn)物，這種技術(shù)在國外深井礦山發(fā)掘、高應(yīng)力礦山地壓安全檢測中廣泛使用。目前在我國的深埋地下廠房中，圍巖變形和穩(wěn)定性預(yù)測上也正使用著，對(duì)于監(jiān)測地下廠房的微震活動(dòng)起著非常重要的作用。微震監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)，使用的是加速度傳感器，采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換、閥值觸發(fā)。通道微震檢測系統(tǒng)，可以覆蓋主廠房和主變室之間的區(qū)域以及頂拱區(qū)域，對(duì)加速傳感器的微破裂可以實(shí)行24h不間斷監(jiān)測。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測微震事件的時(shí)間、空間、位置、應(yīng)力等多項(xiàng)震源參數(shù)信息，并提供出微震事件的完整波形和波普分析圖，降低微震事件對(duì)地下廠房運(yùn)行的影響。微震監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)狀分布，傳感器安裝主要分布在主變室的上游邊墻。通過彈性波信號(hào)，加強(qiáng)傳感器與巖體之間的接觸。微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（如圖6）。

3.3石墨桿收斂計(jì)

石墨桿收斂計(jì)，主要為將地下廠房的上層和下層聯(lián)系洞的布置進(jìn)行檢測，通過測量錨墩點(diǎn)的收縮來監(jiān)測巖體的變形。錨點(diǎn)一般固定在巖體內(nèi)，連接桿可以將錨點(diǎn)到錨點(diǎn)之間的情況，通過傳感器組件來進(jìn)行距離變化的測量。收斂計(jì)的組成包括錨固點(diǎn)、連接桿、振弦外傳感器組件[5]。監(jiān)測儀器的布置，一般為在地下廠房的上層和下層洞內(nèi)，各埋設(shè)一套石墨桿收斂計(jì)。在上、下聯(lián)系洞內(nèi)設(shè)置側(cè)點(diǎn)支墩，分別測量巖體的變形；再將測點(diǎn)間的變形情況進(jìn)行分析、計(jì)算，得出不同測段的巖體相對(duì)變形量；最終得出各測點(diǎn)相對(duì)下游邊墻的累計(jì)變形。

4結(jié)語

本文以實(shí)際案例為分析對(duì)象，主要對(duì)地下廠房洞室的地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性進(jìn)行分析，介紹了該案例地下廠房地質(zhì)因素的影響，對(duì)人工開挖洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行了論述。然后對(duì)地下廠房中的各種監(jiān)測儀器系統(tǒng)的原理、構(gòu)造以及功能進(jìn)行探討與研究。通過分析，提請(qǐng)業(yè)界關(guān)注工程圍巖穩(wěn)定性，以及地下廠房工程設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。下一步，應(yīng)加強(qiáng)地下主廠房及主變室、洞室的圍巖穩(wěn)定性分析研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃潤秋，黃達(dá).錦屏Ⅰ級(jí)水電站地下廠房施工期圍巖變形開裂特征及地質(zhì)力學(xué)機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（1）：23~35.

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作者:張小洋 單位:葛洲壩集團(tuán)實(shí)驗(yàn)檢測有限公司