【摘 要】本文介紹了山西省萬家寨引黃工程總干線、南干線隧洞濕陷性黃土的物理力學性質(zhì)、隧洞黃土洞段變形監(jiān)測目的、儀器的布置、性能及監(jiān)測原理，通過建立一套優(yōu)良的安全監(jiān)測系統(tǒng)，對濕陷性黃土洞段進行有效監(jiān)控，確保隧洞工程安全運行。

　　【關(guān)鍵詞】濕陷性 黃土 變形監(jiān)測

　　前 言

　　山西省萬家寨引黃工程總干線和南干線位于山西省西北部，地形溝壑相間，起伏不平，地貌形態(tài)有中低山區(qū)，黃土丘陵區(qū)及山間斷陷盆地等類型。工程以隧洞建筑物為主，隧洞圍巖主要為古生界、中生界及新生界地層，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，特別是新生界第四系上更新統(tǒng)(Q3)土層，由于具濕陷性，將影響隧洞建筑物的穩(wěn)定性。為掌握黃土洞段在運行期的工作性態(tài)，對總干線與南干線部分Q3土層洞段進行變形監(jiān)測，以便采取相應(yīng)措施，確保工程安全運行。

　　1 Q3黃土的分布條件

　　總干線隧洞總長42.3km，Q3土層段約320m;南干線隧洞總長97.8km，Q3土層段約530m。Q3黃土多為風積層和沖洪積層，大部分布在隧洞穿越溝谷地段，即隧洞進出口地段，隧洞埋深10～30m，下覆Q2黃土及N2紅粘土，如總干線6#～11#隧洞，南干線1#～3#隧洞。

　　2 Q3黃土的物理力學性質(zhì)特征

　　Q3土層具大孔隙及柱狀節(jié)理，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒組成以粉粒、砂粒為主，粘粒含量較低(6～15%)，孔隙比e=0.883～0.977，塑限含水量Wp=18～20%，液限含水量Wl=25～27%，塑性指數(shù)=5.7～9.6。Q3黃土多屬中等壓縮性土層(壓縮系數(shù)α1-2=0.015～0.05MPa-1)，當埋深≥18～25m時，多屬弱壓縮性土層。Q3土層內(nèi)摩擦角Ф=19～21度，凝聚力c=(1～2)×10(2～3)，堅固系數(shù)f=0.35～0.5，屬極不穩(wěn)定圍巖。

　　Q3土層的濕陷性是十分復(fù)雜的，與土層埋深(h)、干密度及附加荷載有著十分密切的關(guān)系，其基本規(guī)律如下：

　　①黃土濕陷性與干密度(ρ)的關(guān)系是：ρ愈小，濕陷性就愈強，當ρ=1.52g/cm3時就不明顯了。而黃土的干密度與埋深關(guān)系最大，埋深h=0～7m時，ρ值平均在1.33g/cm3左右;h=7～18m時，ρ值平均在1.38g/cm3;h=18～25m時，ρ值平均為1.48g/cm3;h>25m時，ρ值平均可達1.50g/cm3。

　　②自重式濕陷性黃土多在埋深h≤7m范圍內(nèi)，h>7m多為非自重濕陷性黃土。

　　③黃土的濕陷性與所承受的附加荷載有密切關(guān)系，附加荷載愈大，黃土濕陷性就愈強。大量的試驗數(shù)據(jù)表明，埋深0～18m的黃土在0.05～0.4MPa壓力下就會出現(xiàn)濕陷峰值;埋深≥18m，濕陷峰值多在0.4～1.0MPa壓力下出現(xiàn)。

　　④根據(jù)電子顯微鏡對Q3土層微觀結(jié)構(gòu)進行觀測，黃土顆粒集合體的聯(lián)結(jié)物為少量的粘粒和可溶鹽;高濕陷性黃土為開放式架空結(jié)構(gòu)，弱濕陷性黃土為局部架空結(jié)構(gòu)，非濕陷性黃土為鑲嵌式結(jié)構(gòu)。

　　3 監(jiān)測目的

　　綜上所述，Q3黃土在隧洞工程中所占長度比重雖然很小(約占0.6%)，但黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)很差，是隧洞工程上的薄弱環(huán)節(jié)，從隧洞開挖情況看，Q3黃土自穩(wěn)時間短，易產(chǎn)生變形及塌方，總干線7#與9#隧洞的大塌方就是很好的例證。在工程運行過程中，一旦黃土洞段發(fā)生滲漏使黃土飽和，在水的物理與化學作用下，破壞黃土的結(jié)構(gòu)形式，引起Q3黃土濕陷變形，若隨著時間的進展，滲漏通道不斷發(fā)展，將有可能造成部分黃土地基的潛蝕和管涌，從而導(dǎo)致黃土隧洞的破壞，影響工程安全。

　　鑒于黃土洞段工程地質(zhì)問題的復(fù)雜性和引黃工程的重要性與高可靠性，在黃土洞段的薄弱部位布置一套監(jiān)測系統(tǒng)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面的分析、評價，掌握黃土洞段的工作性狀，對工程運行進行有效監(jiān)控和做出預(yù)測與預(yù)報。

　　4 監(jiān)測儀器布置及監(jiān)測原理

　　4.1 差動電阻式測縫計

　　在總干線9#～11#隧洞、南干線1#～3#隧洞，根據(jù)隧洞開挖情況，選擇代表性強，有可能引起較大變形的部位，連續(xù)取10個伸縮縫，每縫洞頂設(shè)一組雙向(水平與垂直方向)測縫計(見圖1)。測縫計為差動電阻式測縫計，其量程12mm，最小讀數(shù)0.04mm，分辯率0.02%F.S，同時測量測點的溫度，溫度測量精度為±0.5℃。

　　差動電阻式儀器是利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感元件將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，利用物理學原理鋼絲長度的變化和鋼絲的電阻變化是線性關(guān)系，測定電阻變化比從而求得儀器的變形。另外，利用鋼絲的溫度改變時，鋼絲電阻隨其溫度變化之間的近似的線性關(guān)系，只要測定鋼絲的電阻值，就可計算出儀器所在環(huán)境的溫度。

　　測縫計由上接座、鋼管、波紋管、接線座和接座套筒組成儀器外殼。電阻感應(yīng)組件由兩根方鐵桿、彈簧、高頻瓷絕緣子和直徑為0.05mm的彈性電阻絲組成。

　　當測縫計承受外部變形時，由于外殼波紋管以及傳感部件中的吊拉彈簧將大部分變形承擔了，小部分變形引起鋼絲電阻變化。而且兩根鋼絲的電阻變化是差動的，電阻變化與變形成正比，測出電阻的比值可算出測縫計承受的變形量。當溫度改變時，引起兩根鋼絲的電阻變化是同方向的，溫度升高時，兩根鋼絲的電阻則都減少，測定兩根鋼絲的電阻值可得出測點的溫度值。通過每次測量的電阻比值及電阻值，利用以下公式進行計算。

　　J=f△Z+b△t

　　式中 J—縫的開合度，mm

　　f—測縫計的最小讀數(shù)，由廠家給出，mm/0.01%

　　b—測縫計的溫度修正系數(shù)，由廠家給出，mm/℃

　　△ Z—電阻比相對基準值的變化量，0.01%

　　△ T—溫度相對于基準值的變化量，℃

　　t=α′(Rt-R0′) (當60℃≥t≥0℃)

　　t=α″(Rt-R0′) (當0℃>t≥-25℃)

　　式中 t—測點濕度，℃

　　Rt—儀器總電阻Rt =R1+R2，Ω α′—儀器零上溫度系數(shù)，℃/Ω

　　α″—儀器零下溫度系數(shù)，℃/Ω R0′—溫度為0℃時的電阻，Ω

　　利用測縫計測量縫的開合度原理，即測縫計輸出的電阻比變化量與位移變化量成正比，從而測量建筑物間的相對位移。由此，一方面測量水平方向縫的開合度，另一方面測量垂直方向黃土由于浸水濕陷變形產(chǎn)生的相對位移。

　　4.2 電解質(zhì)水平測斜儀

　　在總干線9#～11#隧洞、南干線1#～3#隧洞，Q3黃土不同程度地覆蓋于Q2、N2土層上，接觸面多為傾斜面，由于兩種或兩種以上介質(zhì)強度相差較大，在上部荷載及水的物理與化學作用下，容易產(chǎn)生不均勻沉降變形。根據(jù)隧洞開挖情況，在有代表性部位，一個測量段選擇5個澆筑段，隔段布置3支進口電解質(zhì)水平測斜儀(見圖1)，將儀器固定在2m長的金屬梁上。該儀器精度高，信號傳輸距離遠(>600m)，測量范圍±30′，測量分辯率2″，重復(fù)性1″，線性度1%F.S,可滿足引黃工程長隧洞監(jiān)測的要求。

　　電解質(zhì)水平測斜儀傳感器是一個精密的水準泡，電學上是一電解電橋，橋路輸出的電壓正比于傳感器的傾角。將2米長的金屬梁錨固在隧洞頂部，傳感器調(diào)零(初始零讀數(shù)可調(diào)整)并固定在梁上。當隧洞發(fā)生不均勻沉降位移即改變了梁的傾斜角，由此測出傳感器標準測距范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動位移。其位移可利用下式進行計算：

　　S=L(Sinθ1-Sinθ2)

　　式中 S—隧洞位移，mm

　　L—傳感器標準測距，mm θ1—梁的現(xiàn)時傾角，℃

　　θ2—梁的初始傾角，℃

　　通過水平測斜儀電解質(zhì)氣泡的變化，傳感器輸出的電壓信號由電纜引到洞外測站，利用數(shù)據(jù)接收儀表監(jiān)測傳感器的角度變化，從而監(jiān)控由Q3土層濕陷變形引起的隧洞建筑物澆筑段不均勻沉降位移的變化情況。

　　4.3 鋼弦式孔隙水壓力計

　　總干線3#～11#隧洞、南干線1#～3#隧洞均處在地下水位以上。由于黃土洞段具有N2紅粘土相對隔水層，當洞內(nèi)水滲向洞外后，極易形成上層滯水。為配合Q3土層濕陷變形監(jiān)測，了解隧洞外水壓力大小，在黃土洞段選擇具代表性部位，每個斷面洞底布置2支進口鋼弦式孔隙水壓力計(見圖2)，為提高測量精度，選擇了量程為0.1與0.2MPa，分辯率為0.01%F.S，線性度0.1% F.S，。該儀器鋼弦頻率信號傳輸距離遠(>600m)，且信號不受導(dǎo)線電阻影響，靈敏度高。穩(wěn)定性好。

　　鋼弦式儀器的敏感元件是一根金屬絲弦，它與儀器受力部件連接固定，利用鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關(guān)系式測得各種物理量。鋼弦式儀器的激振由一個電磁圈(稱磁芯)來完成，在磁芯的激發(fā)下，使鋼弦的自振頻率隨張力的變化而變化，通過頻率變化換算出被測的物理量的變化值。

　　鋼弦式儀器還可利用電磁線圈鋼導(dǎo)線的電阻隨溫度變化的特性可以進行儀器所在環(huán)境的溫度測量。

　　鋼弦式孔隙水壓力計由透水板、承壓膜、鋼弦、支架、線圈、殼體和電纜等組成。鋼弦的一端固定于承壓膜中心處，另一端固定在支架上，鋼弦中段旁邊安裝一電磁線圈，用以激勵和感應(yīng)頻率信號。張拉的鋼弦，在一定的應(yīng)力條件下，其自振頻率是固定的，當應(yīng)力變化時，其自振頻率隨之發(fā)生變化。當孔隙水壓力經(jīng)透水板傳至儀器內(nèi)腔作用到承壓膜上，承壓膜連帶鋼弦一同變形，測定鋼弦自振頻率的變化，從而把液體壓力轉(zhuǎn)化為等同的頻率信號測量出來。鋼弦自振頻率與孔隙水壓力有如下關(guān)系：

　　U=K(f02-fi2)

　　式中 U—孔隙水壓力，MPa

　　K—傳感器系數(shù)，由室內(nèi)標定給出，Mpa/HZ2

　　F0—零壓力(大氣壓力)下鋼弦的自振頻率，HZ

　　Fi—任一時刻的孔隙水壓力U作用下鋼弦自振頻率，HZ通過測讀不同時刻鋼弦的自振頻率，便可求出隧洞外水壓力大小。

　　5 監(jiān)測概況

　　引黃工程所有建筑物均已埋設(shè)監(jiān)測儀器，為獲得較多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，同時為了減少人員的工作量，在監(jiān)測站安裝了測控單元，利用測控單元的多功能性，就是可人為隨時調(diào)整測次，測控單元自動儲存，人員隨時采用便攜式電腦讀取監(jiān)測，在一定的時間段內(nèi)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理和分析，對建筑物的工作性狀做出判斷，出現(xiàn)問題以便采取有關(guān)措施。典型的如南干線3#隧洞南7+810(樁號)斷面通水過程中發(fā)生內(nèi)水外滲，滲壓水頭高達3m，高出隧洞底部約2m，長期滲水將使Q3土層發(fā)生濕陷變形，同時會引起隧洞建筑物產(chǎn)生沉降變形，為保證工程安全，于2004年對隧洞滲水段進行了灌漿處理。

　　5 結(jié)語

　　引黃一期工程于2002年10月18日全線試通水，從2003年5月進入正式運行，在工程運行中安全監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定正常，取得了寶貴的第一手資料，對隧洞建筑物的工作性態(tài)做出了較為準確預(yù)測與預(yù)報，對工程的安全運行發(fā)揮了重要作用。