劉寶昕

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024）

1 地下廠房系統(tǒng)

1.1 特點(diǎn)

地下廠房系統(tǒng)一般包括主廠房、副廠房、安裝間、主變洞、母線洞、交通洞、通風(fēng)洞、排水廊道、排風(fēng)豎井、開關(guān)站等建筑物。多個洞室匯集在一起，巖石挖空率高，主要洞室跨度大，邊墻高，且上、下重疊，互相貫通，結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，地下廠房系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于圍巖本身的物理力學(xué)特性及自穩(wěn)能力和支護(hù)后的綜合特性。

由于圍巖存在節(jié)理裂隙、地應(yīng)力和地下水，經(jīng)開挖擾動后，圍巖應(yīng)力場重分布、地下水系發(fā)生變化，圍巖的自穩(wěn)能力降低，因此需通過安全監(jiān)測獲取地下廠房性狀變化的實(shí)際信息。

1.2 監(jiān)測目的

廠房系統(tǒng)監(jiān)測目的主要包括以下幾個方面：一是掌握廠房系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為各種工況下的廠房系統(tǒng)工程性態(tài)評價，以及在施工期、初蓄期和運(yùn)行期，對工程安全的連續(xù)評估提供所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，及時掌握和提供工程物理量定量的變化信息和廠房系統(tǒng)及地質(zhì)體的工作狀態(tài)。二是驗(yàn)證廠房系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解設(shè)計(jì)的合理程度，為優(yōu)化洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、調(diào)整支護(hù)參數(shù)及改進(jìn)施工工藝和設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。在施工期隨施工過程所取得的監(jiān)測資料，有助于工程設(shè)計(jì)的驗(yàn)證與調(diào)整，通過工程原型實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算及試驗(yàn)預(yù)計(jì)的工程特性指標(biāo)的對比分析，便于掌握工程設(shè)計(jì)的合理程度及進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，同時提供反分析、敏感性分析所需的重要依據(jù)。三是改進(jìn)分析技術(shù)，使各種設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇更趨于經(jīng)濟(jì)、合理。四是指導(dǎo)施工及改進(jìn)施工技術(shù)，對可能危及工程安全的初期或發(fā)展過程中的險情及未來性態(tài)，作出預(yù)測、預(yù)報，從而保證及時采取相應(yīng)的工程安全措施。

1.3 監(jiān)測設(shè)計(jì)依據(jù)

準(zhǔn)確地說，目前沒有專門的廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范。地下廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)依據(jù)是相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，包括《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》《水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范》等，但上述規(guī)范核心并不在廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)，僅僅對相關(guān)內(nèi)容簡單提及，作了寬泛的、定性的、原則性的描述。實(shí)際上，目前廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)主要是根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程地質(zhì)情況，以及廠房系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定分析、滲流場計(jì)算分析等計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行監(jiān)測項(xiàng)目選擇和監(jiān)測儀器布置。

1.4 監(jiān)測設(shè)計(jì)原則

廠房安全監(jiān)測設(shè)計(jì)斷面選擇和儀器布置宜少而精，達(dá)到監(jiān)測目的即可。監(jiān)測設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾個方面：

一是應(yīng)統(tǒng)籌考慮施工期、初蓄期和運(yùn)行期廠房系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)計(jì)，建立全階段數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，確保監(jiān)測資料連續(xù)性和完整性。

二是緊密結(jié)合工程的特點(diǎn)和關(guān)鍵性技術(shù)問題，有針對性地選擇監(jiān)測項(xiàng)目和工程部位，并與施工程序密切結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測設(shè)計(jì)，通過代表性監(jiān)測及輔助監(jiān)測設(shè)施，能夠系統(tǒng)全面、及時地監(jiān)控工程的工作狀況。

三是監(jiān)測斷面（包括廠房縱監(jiān)測斷面、橫監(jiān)測斷面、主監(jiān)測斷面以及輔助監(jiān)測斷面）和監(jiān)測項(xiàng)目的選擇應(yīng)重點(diǎn)突出、兼顧全面，能夠相互補(bǔ)充、校驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，參照已建工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工程建筑物級別、重要性、設(shè)計(jì)計(jì)算、模型試驗(yàn)成果等方面的要求確定。

四是監(jiān)測儀器的布置，根據(jù)工程特點(diǎn)，選擇代表性斷面或部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，相關(guān)項(xiàng)目統(tǒng)籌安排，配合設(shè)置，對于地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，采用多種手段和方式，以便相互補(bǔ)充，互相校核和驗(yàn)證，使監(jiān)測儀器的布置達(dá)到在整體上監(jiān)控工程實(shí)際運(yùn)行狀況的目的。

五是儀器設(shè)施的選擇，密切結(jié)合工程的具體條件，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算成果，首先是滿足工程安全監(jiān)測目的的要求，在實(shí)用、可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)的前提下，盡可能減少設(shè)置儀器測量方式的種類，以利于永久監(jiān)測和自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施和管理。

六是除部分必須由人工測量實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的項(xiàng)目外，對于其它監(jiān)測項(xiàng)目，其監(jiān)測儀器設(shè)備的選型和布置，均要有利于監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建立。

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)方法

地下廠房系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測部位包括廠房圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、巖壁吊車梁、洞室交叉口及敏感區(qū)，監(jiān)測項(xiàng)目包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變、溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測等。

選擇某抽蓄電站地下廠房為例，裝機(jī)規(guī)模為120 萬kW（30 萬kW×4 臺），地下廠房由主機(jī)間、安裝場和主廠房組成，呈“一”字形布置?？傞_挖尺寸為163.5 m×24.5 m×54.5 m（長×寬×高，下同），主變洞平行布置在主廠房下游側(cè)，總開挖尺寸為151.4 m×21.0 m×22.0 m。環(huán)繞主廠房、主變洞設(shè)有上、中、下三層排水廊道。該抽蓄電站的裝機(jī)規(guī)模、廠房洞室布置形式較為常見，有一定代表性，以此為例進(jìn)一步闡釋廠房系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計(jì)。

2.1 圍巖監(jiān)測

2.1.1 變形監(jiān)測

圍巖變形監(jiān)測包括圍巖收斂變形、圍巖內(nèi)部變形、圍巖松弛區(qū)范圍和深度等，以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖壁吊車梁等結(jié)構(gòu)間的縫隙開合度等。根據(jù)地下洞室規(guī)模、支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地質(zhì)條件，選擇高邊墻、貫穿高邊墻的洞室及其洞口段、相鄰洞室間的薄體巖壁、圍巖結(jié)構(gòu)面不利組合部位、巖壁吊車梁巖臺區(qū)等部位布置儀器。可利用早期開挖的附屬洞室，提前布置主體洞室的監(jiān)測儀器，監(jiān)測主洞室圍巖開挖爆破過程中巖體變化全過程。

地下廠房變形通常采用內(nèi)空收斂測點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)組合方式進(jìn)行監(jiān)測，較少的抽蓄電站也會采用其他監(jiān)測儀器。例如惠州抽水蓄能電站，利用廠房頂部探洞及尾調(diào)通風(fēng)洞向廠房布置滑動測微計(jì)和鉆孔測斜儀，分別監(jiān)測洞室頂拱圍巖巖體軸向變形和邊墻穩(wěn)定情況[2]。但根據(jù)深圳抽蓄電站安裝滑動測微計(jì)經(jīng)驗(yàn)，滑動測微計(jì)安裝精度要求高，工序繁多，采用宜慎重[3]。

多點(diǎn)位移計(jì)用于觀測巖體內(nèi)部測點(diǎn)間沿鉆孔軸向的相對位移，是最為常用的洞室變形監(jiān)測儀器。根據(jù)典型斷面的選擇，布置于拱頂、拱座、邊墻巖壁吊車梁附近，以及母線洞等挖空率較高部位的上方巖體。如具備條件，多點(diǎn)位移計(jì)宜采用預(yù)埋的方式，在主洞室開挖前埋設(shè)，確不具備條件，可隨廠房洞室開挖進(jìn)行埋設(shè)。多點(diǎn)位移計(jì)測點(diǎn)數(shù)量應(yīng)根據(jù)圍巖變形梯度、巖體結(jié)構(gòu)和斷層部位等確定，一般4個以上測點(diǎn)為宜，其中，最深測點(diǎn)距洞壁大于一倍以上洞跨，或超出計(jì)算的開挖卸荷影響范圍，可視為不動點(diǎn)，其他測點(diǎn)向洞壁方向由疏到密布置，具體點(diǎn)位根據(jù)鉆孔地質(zhì)描述進(jìn)行調(diào)整。

內(nèi)控收斂監(jiān)測是利用收斂計(jì)或全站儀等測量洞室圍巖表面兩點(diǎn)（埋設(shè)的內(nèi)控收斂測點(diǎn)）連線方向的相對位移，即收斂值，監(jiān)測拱頂下沉、邊墻間距離變化等變形情況，主要觀測洞室圍巖支護(hù)前的初期變形。收斂測點(diǎn)裝置根據(jù)典型斷面的選擇，布置在多點(diǎn)位移計(jì)附近，既監(jiān)測圍巖內(nèi)空收斂變形情況，又可利用其監(jiān)測成果對多點(diǎn)位移計(jì)變形進(jìn)行校核與修正。也存在個別工程取消廠房及主變室的凈空收斂監(jiān)測，而補(bǔ)充增加多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)進(jìn)行變形監(jiān)測。例如荒溝抽水蓄能電站，因廠房及主變室大跨度、高邊墻結(jié)構(gòu)，收斂監(jiān)測難度大，施工期測樁已損壞且保護(hù)困難，而取消了收斂變形監(jiān)測[4]。

2.1.2 應(yīng)力監(jiān)測

圍巖應(yīng)力的監(jiān)測主要是觀測圍巖初始應(yīng)力變化和二次應(yīng)力的形成與變化過程，用測得的應(yīng)力信息反饋分析初始應(yīng)力場。主要通過埋入圍巖內(nèi)部的應(yīng)力計(jì)或應(yīng)變計(jì)觀測。監(jiān)測儀器一般布置在地質(zhì)條件較為復(fù)雜、圍巖應(yīng)力相對集中的部位，沿徑向和切向布置，埋設(shè)時多采用鉆孔方式。選擇在廠房圍巖布置應(yīng)力計(jì)，以分析應(yīng)力場的抽蓄電站，通過錨桿應(yīng)力計(jì)來進(jìn)行圍巖應(yīng)力場分析。

2.1.3 滲流監(jiān)測

地下水監(jiān)測也是重要監(jiān)測項(xiàng)目。由于山體地下水、引水系統(tǒng)滲漏水、庫區(qū)滲水等原因，地下廠房圍巖會產(chǎn)生滲水。為快速有效排除圍巖滲水，通常環(huán)繞主副廠房、主變室等主要洞室，設(shè)置有3層排水廊道和排水孔組成的空間立體排水網(wǎng)，必要時，采用防滲帷幕、廠外排水系統(tǒng)和廠內(nèi)排水系統(tǒng)相結(jié)合的防滲排水方案，或?qū)ｉT研究處理。為了監(jiān)測防滲排水效果，需要對洞室圍巖滲透壓力和滲流量進(jìn)行監(jiān)測，通常采用滲壓計(jì)、測壓管、量水堰組合的方式予以實(shí)現(xiàn)。通常鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測圍巖滲透壓力；利用排水廊道布設(shè)測壓管監(jiān)測帷幕防滲及排水廊道的排水效果；在排水廊道和集水井內(nèi)布設(shè)量水堰監(jiān)測廠房系統(tǒng)滲流量。

根據(jù)典型斷面的選擇，結(jié)合多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)的布置，滲壓計(jì)常布置于主廠房頂拱、上下游邊墻吊車梁、上游邊墻中下部，主變室頂拱、下游邊墻。一個典型橫斷面布置6支滲壓計(jì)，布置方式較為精簡高效，豐寧抽蓄、文登抽蓄等采用此種布置方式[5]。但不同的設(shè)計(jì)單位有著各自的設(shè)計(jì)理念和習(xí)慣，布置方式也不一?；溉食樾钤谥鲝S房下游邊墻和主變室上游邊墻未設(shè)置滲壓計(jì)，一個橫斷面布置9支滲壓計(jì)[6]；天荒坪抽蓄則采取主廠房和主變室皆對稱布置滲壓計(jì)形式，一個橫斷面布置多達(dá)15支滲壓計(jì)。

測壓管通過排水廊道平行廠房邊墻向下鉆孔埋設(shè)，埋設(shè)深度結(jié)合廠房滲流計(jì)算確定，目前，采用此種方式監(jiān)測滲流的抽蓄工程不多，取而代之的是在主廠房上游邊墻和主變洞下游邊墻多布置滲壓計(jì)。因?yàn)橄啾容^，鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)的方式施工簡單、方便，且能達(dá)到相同目的。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測

地下廠房支護(hù)型式和參數(shù)通常參照規(guī)范、工程地質(zhì)條件和類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來選擇，并通過三維有限元計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式常以錨噴支護(hù)為主，對小斷層和裂隙面采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行縫合加固，大斷層和節(jié)理密集帶采用預(yù)應(yīng)力錨索加固。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測主要是錨桿應(yīng)力和錨索測力計(jì)；當(dāng)洞室頂拱設(shè)置鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)且必要時，進(jìn)行鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變監(jiān)測。

錨桿應(yīng)力計(jì)用于測量圍巖支護(hù)錨桿的軸向應(yīng)力，錨桿應(yīng)力計(jì)的布置原則與多點(diǎn)位移計(jì)布置原則相同，根據(jù)監(jiān)測錨桿長度選擇應(yīng)力計(jì)的布置數(shù)量，一般4 m 以下錨桿布置1 支錨桿應(yīng)力計(jì)；4～8 m 錨桿布置2 支錨桿應(yīng)力計(jì)；8 m 以上錨桿布置3～4 支錨桿應(yīng)力計(jì)。

錨索測力計(jì)用于監(jiān)測錨索對巖體或支柱與地下廠房中的支架以及大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的荷載，簡言之，監(jiān)測錨索錨固力及鎖定后可能的荷載損失率。布置于有支護(hù)錨索的洞室，宜布置于圍巖內(nèi)部變形和支護(hù)錨桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)附近，布置數(shù)量一般為工作錨索的5%～10%，在關(guān)鍵部位或錨索數(shù)量較少的情況下，監(jiān)測比例可適當(dāng)放大。

2.3 巖壁吊車梁監(jiān)測

巖壁吊車梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，將吊車輪壓荷載，經(jīng)懸吊錨桿和梁底巖臺傳遞給洞壁圍巖，監(jiān)測典型斷面布置于廠房安裝間與交通洞交叉段、廠房圍巖受斷層切割處等部位，監(jiān)測項(xiàng)目選擇包括懸吊錨桿應(yīng)力、梁體與圍巖的接縫開合變形、梁體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、壁座的壓應(yīng)力、梁體變形等。巖壁吊車梁典型監(jiān)測布置，見圖1。

圖1 巖壁吊車梁典型監(jiān)測布置圖

錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測錨桿受力情況。巖壁吊車梁通常設(shè)置2 排上傾的受拉錨桿，1 排下傾的受壓錨桿，3 排錨桿都需進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。根據(jù)受拉錨桿長度沿深度方向每根設(shè)置3～4 支錨桿應(yīng)力計(jì)，其中最上排錨桿中1 支錨桿應(yīng)力計(jì)常布置于梁體內(nèi)，了解錨桿在梁體內(nèi)受力情況；而下傾受壓錨桿，常沿深度方向在錨入巖石部分每根設(shè)置2 支錨桿應(yīng)力計(jì)。圖示為常規(guī)布置方式，不同的錨固形式也采用不同的監(jiān)測布置方式。如溧陽抽蓄電站，由于廠房地質(zhì)條件較差，在巖壁吊車梁受拉錨桿和受壓錨桿間過渡區(qū)，增加了一排水平向錨桿，監(jiān)測布置時在水平向錨桿也布置了1 支錨桿應(yīng)力計(jì)[7]。

壓應(yīng)力計(jì)監(jiān)測壁座受壓應(yīng)力情況。根據(jù)梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果布置在受力最敏感部位，通常在壁座表面布置2～3 支壓應(yīng)力計(jì)。

單向測縫計(jì)監(jiān)測梁體與巖壁之間的接縫開合度。根據(jù)巖壁吊車梁規(guī)模，常在梁體與巖壁立面接合部位的上部和下部分別設(shè)置1 支測縫計(jì)，在梁體與壁座中上部垂直巖壁設(shè)置1 支測縫計(jì)。

鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)組及無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況。鋼筋計(jì)監(jiān)測梁體鋼筋應(yīng)力，應(yīng)變計(jì)組和無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測梁體混凝土應(yīng)力應(yīng)變。鋼筋計(jì)常布置于梁頂軌道附近的縱向筋和環(huán)向筋，以及梁體巖壁側(cè)縱向筋和環(huán)向筋上；應(yīng)變計(jì)組和無應(yīng)力計(jì)根據(jù)吊車梁規(guī)模而定，一般不設(shè)置，如設(shè)置，常布置在梁體中部和牛腿區(qū)域，如溧陽抽蓄電站，在吊車梁中部布置了四向應(yīng)變計(jì)組和無應(yīng)力計(jì)。

3 結(jié)語

文中對抽蓄電站廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)工作進(jìn)行系統(tǒng)性思考，借鑒10 余座抽蓄電站廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)工程實(shí)踐，總結(jié)提出了廠房系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計(jì)方法，對監(jiān)測項(xiàng)目選擇的原因進(jìn)行理論分析，為類似工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)提供參考。此外，關(guān)于廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)，有以下幾點(diǎn)建議或想法：

1）在開展廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)工作時，各設(shè)計(jì)院在監(jiān)測部位和典型斷面選擇上基本一致，但在儀器的種類及數(shù)量和位置的選擇上有一定的差異性，主要原因在于各自的設(shè)計(jì)理念或習(xí)慣不同，應(yīng)對已建電站和在建電站加以總結(jié)，制定專門的廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范，以指導(dǎo)和規(guī)范廠房監(jiān)測設(shè)計(jì)工作。

2）監(jiān)測儀器選擇和布置應(yīng)做到少而精，突出重點(diǎn)，相互驗(yàn)證，不應(yīng)求全、求多、求新。

3）應(yīng)加強(qiáng)施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和資料分析，切實(shí)發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的作用。