三峽工程施工期安全監(jiān)測與信息施工實(shí)踐

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1、概述

    三峽工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)為全面、準(zhǔn)確掌握各種建筑物工作狀態(tài)和安全度的龐大監(jiān)測系統(tǒng)，隨時(shí)對各建筑物的工作狀態(tài)和安全度作出評價(jià)，對工程的正常運(yùn)行起著重要的保證作用。在工程施工期，安全監(jiān)測工作還可為動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工決策和為科研服務(wù)等方面發(fā)揮重要作用。

    信息施工法是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的施工技術(shù)。其基本思路是，在工程施工準(zhǔn)備階段和施工期，通過一系列觀測與測試工作，獲得新的資料信息，將其反饋設(shè)計(jì)，使獲得的實(shí)測參數(shù)與原設(shè)計(jì)選取的參數(shù)進(jìn)行對比，重新選擇施工參數(shù)，將施工現(xiàn)場觀測到的變形、應(yīng)力等實(shí)測值與理論計(jì)算值比較，修改施工參數(shù)和調(diào)整施工措施。顯然，信息施工法的實(shí)質(zhì)是動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)加施工決策。

    2、安全監(jiān)測實(shí)例

    2.1 二期圍堰變形監(jiān)測與基坑抽水

    1998年是三峽工程大江截流后搶修二期圍堰和基坑抽水的關(guān)鍵施工年，又恰逢長江持續(xù)特大洪峰，二期圍堰的運(yùn)行工況成為有關(guān)各方關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是基坑抽水期堰體滑塌、防滲墻的變形等。為確保二期圍堰施工和基坑抽水，對圍堰變形等進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測。實(shí)測堰體最大水平和垂直位移量分別為302mm和628mm；自1998年6月25日，基坑開始抽水以來，上游圍堰防滲墻向基坑方向累計(jì)變形最大增加了570mm和520mm。在基坑限制性抽水和初期抽水期間，該斷面防滲墻體的變形速率平均約5.4mm/d。

    由分析知，防滲墻及堰體的變形主要與基坑水位和堰外江水位變化引起的水頭差、堰體填筑和防滲墻施工質(zhì)量等因素影響有關(guān)。由于堰外江水位變化受洪峰影響具有可預(yù)測性，堰內(nèi)水位變化則取決于施工需要。在堰外江水位受洪峰影響可能升高和防滲墻及堰體的變形加大時(shí)，可以停止基坑抽水減小水頭，以降低防滲墻及堰體的變形速率。

    2.2 永久船閘工程開挖過程中的監(jiān)測與信息施工

　　隨著永久船閘的開挖進(jìn)入閘室槽階段，斷層出露導(dǎo)致出現(xiàn)一些塊體，這些塊體影響了直立墻的穩(wěn)定。

    2.2.1 一閘首中隔墩南側(cè)f1050斷層置換工程

    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要對一閘首中隔墩南側(cè)f1050斷層頂部以下約40m的斷層破碎帶進(jìn)行置換。為保證斷層置換施工過程的安全，在f1050斷層頂部兩側(cè)布設(shè)TP/BMl27GP02、TP/BM128GP02監(jiān)測點(diǎn)(見圖1)。觀測工作從1998年9月14日開始，為滿足施工安全需要，初期每天觀測1次，隨著施工進(jìn)展逐步調(diào)整觀測周期為每周2次、1次；每月2次、1次。至1999年10月15日，TP127GP02向中1豎井X方向最大位移5.64mm；累計(jì)向北槽中心線最大位移為5.68mm；TPl28GP02累計(jì)向南線中心線最大位移6.31mm；向上游最大位移5.91mm；累計(jì)沉陷分別為6.51mm和7.39mm。

    由于觀測成果以簡報(bào)形式當(dāng)天報(bào)送有關(guān)部門，從而保證了f₁₀₅₀斷層的置換處理全過程的正常進(jìn)行。

圖1 f₁₀₅₀斷層變形監(jiān)督布置圖

    2.2.2 二閘首南坡f1239斷層錨固工程

    二閘首南坡因f₁₂₃₉斷層切割所形成4019m³的較大塊體，配合加固處理措施，在該塊體共埋設(shè)錨索測力計(jì)9臺(圖2中SC*、D*)，多點(diǎn)位移計(jì)測孔2個(gè)(圖2中MD*)，另在斷層上盤頂部布設(shè)1個(gè)變形監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)(圖2中TP/BM*)。從近期f₁₂₃₉部位的安全監(jiān)測成果分析看，在沒有新的外作用力(如爆破)時(shí)，該塊體變形將趨于穩(wěn)定。

    2.2.3 斷層上盤頂部變形監(jiān)測

    f₁₂₃₉斷層上盤頂部變形監(jiān)測點(diǎn)向邊坡方向位移與開挖過程線見圖3.a。由圖可以看出，該部位邊坡變形明顯受閘室開挖影響，但其變形符合一般規(guī)律。初步認(rèn)為f1239斷層切割的大型不穩(wěn)定塊體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    2.2.4 水平多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測

    位于f₁₂₃₉部位上部的MD13GP02孔的變形過程線(圖3.b)，表明各測點(diǎn)的變形均在收斂，以1999年1月4日為基準(zhǔn)，1999年9月13日的向邊坡方向的變形值最大為0.8mm。

圖2 f₁₂₃₉斷層監(jiān)測布置圖

    這表明f₁₂₃₉部位上部的結(jié)構(gòu)面有閉合的趨勢。從位于f₁₂₃₉部位下部的MD14GP02(X=15389.5m，Y=157.5m)孔的變形過程線看出，該孔所有的測點(diǎn)在1999年3月15日受下部爆破的影響，結(jié)構(gòu)面張開，指向閘室的變形值增加，隨后的測試亦表明，各測點(diǎn)的變形趨于穩(wěn)定。這兩個(gè)測孔變形測試結(jié)果基本反映出該塊體區(qū)目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，可與錨索測力計(jì)成果互相驗(yàn)證。

    2.2.5 錨索測力計(jì)監(jiān)測

    通過測值和圖3.c分析，位于塊體上的監(jiān)測錨索錨固力值呈現(xiàn)明顯的波動狀態(tài)，這與永久船閘一期的監(jiān)測錨索錨固力曲線較平穩(wěn)有明顯區(qū)別。其主要原因是這些測試錨索都安裝在塊體區(qū)，而這些塊體區(qū)斷層較多，裂隙發(fā)育，錨索錨固力很容易受到外界氣溫及降水的影響。因外界氣溫及降雨頻繁的變化，亦導(dǎo)致錨固力頻繁地波動。1999年度錨固力的波動范圍在60～130kN之間。這表明，在沒有強(qiáng)外力(如爆破)的影響下，錨索的錨固力已基本穩(wěn)定下來。

    監(jiān)測錨索的最大與最小錨固力，在每年度出現(xiàn)時(shí)間比較一致。一般在每年2月出現(xiàn)最大錨固力值，是因?yàn)榇藭r(shí)外界氣溫較低導(dǎo)致鋼絞線收縮，且由于降雨的因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面潤滑，抗剪參數(shù)及內(nèi)摩擦角減小，均導(dǎo)致錨索的承載力增加。而最小錨固力一般在每年7月份出現(xiàn)，這是因?yàn)榇藭r(shí)外界氣溫較高導(dǎo)致鋼絞線松弛，且由于天氣晴朗導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面干燥，抗剪參數(shù)及內(nèi)摩擦角增大，由此導(dǎo)致錨索的承載力減小。

    2.2.6 二閘首中隔墩北側(cè)倒懸塊體處理工程

    中隔墩二閘首北側(cè)巖體受不利結(jié)構(gòu)面影響，于1999年4月出現(xiàn)局部跨塌，方量約2656m³，使結(jié)構(gòu)面上部巖體形成約3400余m³的倒懸塊體，對是否保留該塊體，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位各方意見分歧較大。

    為迅速了解該倒懸塊體的變形狀態(tài)，以制定倒懸塊體的施工處理方案，對位于塊體頂部的監(jiān)測點(diǎn)TP136GP01進(jìn)行了加密觀測。初期每天1次的觀測成果，在當(dāng)天下午就以簡報(bào)形式報(bào)送到有關(guān)部門。由于觀測結(jié)果并沒有反映出該塊體的異常變化，從而為設(shè)計(jì)等有關(guān)部門制定倒懸塊體的施工處理方案提供了唯一的、最重要的基礎(chǔ)資料。

    在倒懸塊體錨固施工方案制定后的施工過程中，每2天1次的觀測結(jié)果，仍未反映出該塊體的異常變化，保證了施工處理方案的順利進(jìn)行。

    隨后在對倒懸塊體下部北槽的保護(hù)層巖體進(jìn)行開挖過程中，又對監(jiān)測點(diǎn)TPl36GP01每天觀測1次。由圖4可以看出，在1999年9月17日，下部爆破開挖第1天，測點(diǎn)TP136GP01Y方向出現(xiàn)1次突變，累計(jì)位移量值從2.38mm遞減至0.44mm，隨后位移值穩(wěn)定在0軸附近波動，近期雖有所回彈，但累計(jì)位移量值始終保持在較低水平。從而說明該倒懸塊體在經(jīng)過錨固處理和控制開挖爆破藥量等措施后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    從中隔墩二閘首北側(cè)巖體受不利結(jié)構(gòu)面影響出現(xiàn)局部跨塌，制定處理錯(cuò)施，到倒懸塊體錨固施工和其下部保護(hù)層巖體開挖的全過程，歷時(shí)5個(gè)多月，監(jiān)測人員共完成79測次，由于及時(shí)報(bào)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證了整個(gè)施工過程的有序進(jìn)行。

圖3.a f₁₂₃₉斷層上盤頂部變形監(jiān)測點(diǎn)位移過程線圖

圖3.b f₁₂₃₉部位兩孔水平多點(diǎn)位移計(jì)位移過程線

圖3.C f₁₂₃₉錨索測力計(jì)錨固力測值與損失率過程線圖

圖4 二閘首中隔墩北側(cè)巖體變形監(jiān)測點(diǎn)位移過程線圖

    3、結(jié)束語

    5年多來的安全監(jiān)測實(shí)踐表明，監(jiān)測工作除在施工中發(fā)揮重要作用外，監(jiān)測成果還可以為以下幾個(gè)方面服務(wù)。

    3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

    在臨時(shí)船閘與升船機(jī)高邊坡開挖期間，北坡129m馬道出現(xiàn)裂縫寬達(dá)10mm，對此各方都十分重視，設(shè)計(jì)擬采用預(yù)應(yīng)力錨索來加固邊坡，且準(zhǔn)備施工處理，隨后結(jié)合該部位的實(shí)際地質(zhì)情況，監(jiān)測成果反映邊坡變形量很小，且測值趨于穩(wěn)定，說明山體邊坡穩(wěn)定性狀良好，該結(jié)果被設(shè)計(jì)采納，減少處理工程量，為工程建設(shè)節(jié)約了投資。

    通過對船閘高邊坡巖體爆破、松弛范圍的監(jiān)測，使邊坡錨桿深度有據(jù)可依，原設(shè)計(jì)方案主要為系統(tǒng)錨桿，后結(jié)合監(jiān)測資料加設(shè)了隨機(jī)錨桿，使邊坡支護(hù)加固更有針對性，更具合理性。

    3.2 工程施工

    1996年8月19日，升船機(jī)北坡5+083附近，鉆孔測斜儀IN05GP03位移量異常，為進(jìn)一步分析資料的連續(xù)性與可靠性，將該監(jiān)測孔的數(shù)據(jù)繪制了位移深度曲線，發(fā)現(xiàn)孔深26m處有一滑動面，位移速率有快速增加趨勢，隨即進(jìn)行了現(xiàn)場巡視，發(fā)現(xiàn)了事故隱患，并將此情況及時(shí)通報(bào)給了有關(guān)單位，避免了安全事故的發(fā)生。

    1997年7月11日，在通航建筑物下游隔流堤施工期變形監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)月位移量突變，水平位移42.9mm、下沉119.9mm?，F(xiàn)場巡視檢查發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)附近產(chǎn)生了多條縱向分布的裂縫，靠江邊側(cè)還有約10m長的塌陷區(qū)，航道側(cè)有渾濁水滲出。險(xiǎn)情通報(bào)有關(guān)單位后，及時(shí)采取相應(yīng)的工程搶險(xiǎn)措施，一方面往下游航道內(nèi)沖水平壓；另一方面向長江側(cè)拋填石渣壓住相應(yīng)的坡腳，迅速排除了險(xiǎn)情，確保了施工期隔流堤的安全。

    由于永久船閘工程地下輸水洞開挖先于地面槽挖完工，為了解地面爆破對輸水洞斷面上的振動影響，進(jìn)行了爆破振動影響監(jiān)測。成果說明，在當(dāng)時(shí)條件下，頂拱邊墻底板的最大振速分別在9～10、4～7及4～5cm/s范圍，即頂拱最大，邊墻次之，底板最小。按現(xiàn)有施工規(guī)范建議的新澆混凝土安全控制標(biāo)準(zhǔn)，為確?；炷翝仓|(zhì)量，只有底板具備混凝土澆筑的可能性。顯然，監(jiān)測成果對于當(dāng)時(shí)正確指導(dǎo)施工，確保工程質(zhì)量起到了重要的作用。

    3.3 科學(xué)研究

    三峽工程從開工開始，許多科研項(xiàng)目隨之而進(jìn)行，如三峽船閘高邊坡施工期安全監(jiān)測快速反饋系統(tǒng)技術(shù)研究；三峽大壩及壩基施工期的正反分析模型研究等項(xiàng)目。無論是保障安全確定監(jiān)控指標(biāo)課題，還是指導(dǎo)施工改進(jìn)工藝課題，都離不開監(jiān)測資料的支持；反之，科研項(xiàng)目的開展無疑會提高監(jiān)測理論水平。從某種角度上講，三峽工程帶動了相關(guān)科研發(fā)展，安全監(jiān)測信息資料為發(fā)展創(chuàng)造了條件。