【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)控和做出預測與預報。

　　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，用以激勵和感應頻率信號。張拉的鋼弦，在一定的應力條件下，其自振頻率是固定的，當應力變化時，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)做出了較為準確預測與預報，對工程的安全運行發(fā)揮了重要作用。