地下厂房地质及监测仪器研究范文

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摘要：

在新时期背景下，我国大型工程的地下厂房建设规模越来越大。由于受到地形等因素的制约，地下厂房在遇到复杂的地质条件和工程问题时，需要对地质进行研究，并使用现场测试、数值分析等方法和手段。因此，深入研究地下厂房的基本地质条件、断裂发育、应力场特征、洞室稳定性，具有重要意义。

关键词：

地下厂房；地质研究；检测仪器；应用

本文以某位于西部河谷地区的大型水利水电工程为例，该水利水电工程地下厂房位于岸坡陡峭、河谷狭窄地域，周边的环境多为高边墙，地质条件比较复杂。区域应力分布不规则，河谷形成演化过程呈现不规则情况，需要为其地下厂房的地质情况、支护设计、仪器布设等提供理论依据。

1地质研究

1.1地形地貌

如图1，该坝址区域所处的地形为搞啥峡谷地貌，周边的岸坡险峻，河谷狭窄，呈现V字型。地下水类型分别为裂隙潜水和脉状裂隙承压水两种类型，埋深大约为100~200m左右，脉状承压水的构造带分别是三迭系变质岩。该坝区没有大的支流，垂直河流常年流水，植被稀少，两岸分布有有热水沟、多隆沟、沿岗沟、哇扯沟等。沿岸零星分布有冲击砂和卵砾石。坝区的底层由老向新分层发展，包括：①前震旦系分布在东北部区域，岩层以片麻岩和结晶片岩石为主，基底为古老结晶岩石。②二迭系分布在北部区域，岩层以砂砾岩、碳酸岩为主，不整合在前震旦系之上[1]。③三迭系分布在东部区域，下三迭分布较广，为坝区主要地层单元，在上统一、中统、下统之间，与下伏前震旦系和晚二迭系呈现不整合和断层接触。中三迭选在下伏二迭系角度不整合的前震旦系之上，下部多为砂岩、板岩、互层砂砾岩等，上部为紫色中细粒夹板岩。④在坝区的岩体中，以花岗岩体为主要分布带，坝区斜拉底端主要为塔买花岗闪长岩体，掩体上为当家寺花岗闪长岩体。上述岩体主要分布在三迭下统变质岩，围岩呈现波装接触。⑤在陆相小型山间盆地之间为碎屑岩建造，以侏罗系、白垩系的紫红色砂岩、砾岩为主，含煤层。⑥在第三系中下部为紫红色砾岩层，中上部为橘红色砂砾岩、泥岩等。第四系分布主要为河湖相、冰渍、冲击等；下更新统为河湖相和黄色泥岩、粉砂岩等。呈现整合或者假整合接触。上更新统为三级以上阶地砾石层、黄土状土。

1.2地质构造

该水利水电工程地下厂房北邻褶皱系，南街周周带，呈现山脉及山间盆地构造的地貌轮廓[2]。根据该区域的地貌地形分析，可以将该区域新构造运动的发展分为以下阶段：在中新世早期，构造运动表现为断陷盆地下陷和断块山区隆起，形成了较为深厚的湖相地层，为地震活动较低区域。在坝址周围80km范围内，曾经有过两次地震记录，频度相对较小、无集中分布现象。受到地震影响，出现了活动性较大的断裂控制分布带，区域内没有中强震发生，坝址的裂度不大。在坝址100km范围内的区域内，一些小震活动频度低，分布零散，地震活动水平比外围低。活动规律为：①活动性深大断裂主要分布在东北部断裂带上，全新世活动强烈，发生过强震。②次级发震构造在北部区域发生了活动断裂，曾经有强震史。③发震部位位于活动断裂的交汇处，形成了较弱的地震活动地带，没有强震记录[3]。在区域地貌发展进程中，逐渐从差异性隆起转变为整体间歇性抬升。在区域地壳脉动式抬升的频度逐渐加剧后，形成了多级阶地。

2地下厂房地质特征

该坝址区地下厂房、主变室均位于花岗岩中，花岗岩为致密块状终生侵入式岩浆岩，具有抗压、弹性、吸水的特点。部分尾水洞、导流洞等为砂板岩，经过实验证明，该厂房地质结构干容重围2.8~2.9g/cm3，干抗压强度为159MPa，湿度抗压强度为110MPa，软化系数平均为0.9，弹性模量平均为6GPa，抗剪断强度值为1.23。经过上述实验结果，施加侧向应力时，岩石强度的幅度有所增加；在轴向和侧向应力作用下，强度相对抗压强度可提高3倍，岩石的弹性性能也相应提高。地下厂房的地下洞室稳定性，包括块体稳定性和围岩变形稳定性。岩体中的地下洞室变形时，随着模量的变化而变化。影响围岩块体的关键，在于各种断裂结构面的产状、切割、块体分布状态等。地下厂房地带陡倾断层发育特征，影响着洞室的边墙稳定。在勘探平洞的过程中，厂区陡倾断裂发育较为平直、局部弯曲，地表水有下渗现象。厂房地带的陡倾断层大致分为断裂产状、陡倾断裂产状、优势产状。陡倾断裂的发育一般为洞室的切割边界，与洞室的轴线方位近似一致，对洞室的边墙稳定性影响非常重要。断裂延伸处较为深远，填充深厚、断面有地下水活动的迹象，贯通性稳定，构成块体边界，形成围岩边界[4]。地下厂房缓倾断裂发育往往以较大规模出现。构成洞室不稳定块体的分离性结构，这种结构往往形成断裂交错切割的状态，对围岩产生不稳定的影响。在厂区缓倾断裂带内多见的是碎裂岩，断层面多有锈迹。断裂面较平直，有渗水现象发生。地下厂房的主厂房区的平洞围岩类型，断层带为碎裂结构。绝大部分地段为平缓裂隙带，间距较小、条数较多，大部分的洞顶围岩具有不稳定型的特点。

3地下厂房监测仪器应用

3.1全站仪和滑动测微计

线法监测。测微计在轴向变形线法测量中，采用套上塑性套管的金属测标方法，将侧线划分为若干段，通过灌浆等方式将侧标与被测介质浇筑起来。当测介质发生变形时，将测介质的标距长度与时间变化联系起来，计算得出被测介质的变形分布规律数据。在三维收敛检测测点的布置上，对地下厂房开挖断面进行布置，设置主厂房的上、下游侧墙点、拱肩点、拱顶点，在厂房底部开挖上下游边墙，将断面标注上断面号。滑动测微计测孔，一般设置在地下厂房开挖断面处，目的是监测地下厂房围岩的变形情况、厂房直立墙的变形情况，引水洞洞间岩体的稳定情况等。监测仪器使用岩体表面三维非基础变形监测徕卡全站仪，仪器附属设备包括棱镜、反光照射片、膜片、强力照射灯等。采用瑞士进口的滑动微测算计对岩体深部变形状况进行检测，部件包括导向链、连接杆、二次仪表等。

3.2深埋地下厂房微震检测系统

该系统是随着几年来地下岩体监测的数字化监测技术的快速发展产物，这种技术在国外深井矿山发掘、高应力矿山地压安全检测中广泛使用。目前在我国的深埋地下厂房中，围岩变形和稳定性预测上也正使用着，对于监测地下厂房的微震活动起着非常重要的作用。微震监测系统包括数字信号采集系统、信号处理系统，使用的是加速度传感器，采用24位模数转换、阀值触发。通道微震检测系统，可以覆盖主厂房和主变室之间的区域以及顶拱区域，对加速传感器的微破裂可以实行24h不间断监测。实时动态监测微震事件的时间、空间、位置、应力等多项震源参数信息，并提供出微震事件的完整波形和波普分析图，降低微震事件对地下厂房运行的影响。微震监测系统采用网状分布，传感器安装主要分布在主变室的上游边墙。通过弹性波信号，加强传感器与岩体之间的接触。微震监测系统网络拓扑结构图（如图6）。

3.3石墨杆收敛计

石墨杆收敛计，主要为将地下厂房的上层和下层联系洞的布置进行检测，通过测量锚墩点的收缩来监测岩体的变形。锚点一般固定在岩体内，连接杆可以将锚点到锚点之间的情况，通过传感器组件来进行距离变化的测量。收敛计的组成包括锚固点、连接杆、振弦外传感器组件[5]。监测仪器的布置，一般为在地下厂房的上层和下层洞内，各埋设一套石墨杆收敛计。在上、下联系洞内设置侧点支墩，分别测量岩体的变形；再将测点间的变形情况进行分析、计算，得出不同测段的岩体相对变形量；最终得出各测点相对下游边墙的累计变形。

4结语

本文以实际案例为分析对象，主要对地下厂房洞室的地质环境的复杂性和特殊性进行分析，介绍了该案例地下厂房地质因素的影响，对人工开挖洞室的稳定性进行了论述。然后对地下厂房中的各种监测仪器系统的原理、构造以及功能进行探讨与研究。通过分析，提请业界关注工程围岩稳定性，以及地下厂房工程设计与施工的难点和重点。下一步，应加强地下主厂房及主变室、洞室的围岩稳定性分析研究。

参考文献：

[1]黄润秋，黄达.锦屏Ⅰ级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征及地质力学机制研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（1）：23~35.

[2]黄秋香，闫晶晶，汪家林，等.玄武岩岩体围岩位移特征研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（z2）：3924~3931.

[3]黄秋香，汪家林.地下厂房顶拱围岩变形机制分析[J].岩石力学与工程学报，2013（z2）：3520~3526.

[4]麦锦锋，李端有，黄祥.乌东德水电站右岸地下厂房施工期围岩稳定分析[J].长江科学院院报，2016，33（5）：42~47.

[5]董志宏，丁秀丽.锦屏一级地下厂房蜗壳施工期受力特征实测分析[J].水力发电学报，2014，33（4）：202~207.

作者:张小洋 单位:葛洲坝集团实验检测有限公司