万家寨引黄工程北干线隧洞选线及沉降变形监测

万家寨引黄工程北干线隧洞选线及沉降变形监测

万家寨黄工程北线位于山西省朔州市和大同市。其中1号隧道位于朔州市平原市。地理位置为东经112°17′～112°27′,北纬39°24′～39°31′平均海拔1300m,气候寒冷干燥,多风沙,年平均气温4.5°。所经过的煤矿依次为井西煤矿、二铺二矿、二铺一矿、康家窑矿、安太堡联营矿、潘家窑矿、安太堡露天矿、崔家岭矿、石崖湾矿等煤矿。依据野外调查、访问和实测资料,沿线多数矿区过去都发生过地表塌陷,其中,部分煤井已经废弃,个别煤矿已形成采空区,并有积水,有些地方已出现地面沉降和裂缝现象。万家寨引黄工程北干线隧洞于1993年开始进行选线,1995年我院与煤炭部门合作对部分矿井进行了地质调查以及煤矿采空区的井下测量工作,根据调查成果对隧洞线路做了局部调整,并划定了禁采线。但由于历史的原因和经济利益的驱动,有些资料难以调查准确。2001年我院再次对采空区进行了井下巷道测量,2003年对崔家岭煤矿进行了物探,2004年对物探所圈定的范围进行钻孔验证,核实了存在采空区。2004年5月,1#隧洞下游地面出现裂缝,经调查分析,确认系崔家岭煤矿采空区塌陷造成的。万家寨引黄工程北干线隧洞线比选和优化工作经过了多次反复。2004年6月的1#隧洞下段煤矿采空区专题咨询意见、水利部水利水电规划设计总院审查意见以及2005年中咨公司的咨询意见均提出对1#隧洞下段煤矿采空区进行变形监测。对采空区的稳定性作出评价,查明采空区沉降变形的范围、沉降变形的特征,预测采空区的地面沉降变形发展趋势。为施工前、施工中和运行初期安全提供可靠的基础数据。1垂直监测点网根据观测点的分布特点和测区的复杂情况,按基准网和监测网2级布设。基准点以ⅡCJ1和ⅡCJ2为起算点,共布设15个垂直基准点,做一条闭合水准线路,线路长度20.1km。垂直监测点以靠近矿区的垂直基准点作为起点,共布设125个监测点,在二铺二矿(16个)、二铺一矿(16个)、安太堡联营矿(15个)、崔家岭矿(78个)范围内沿洞线方向每80～100m纵向布设一个,垂直洞线方向横向30～50m布设一个。布网形式为“丰”字形。基准点和监测点标石均采用钢筋混凝土标石,埋深2.5m,底部有300mm×300mm×300mm的基座,再浇注600mm×600mm×1000mm的钢筋混凝土露出地面,并陷入标志,为了保证测量精度,基准点和监测点均为不锈钢标志。2测量等级和观测周期2.1测量等级垂直位移监测依据《工程测量规范》中的要求,按专三等级施测,采用二等几何水准网,垂直位移高程中误差确定为±2mm。2.2矿岩变形监测从2005年8月20日开始埋标,变形观测周期是在监测点埋石稳定后,于2005年10月开始观测,垂直位移首先连续观测三次。根据工程的特点和有关专家、业主要求,确定以后煤矿变形监测周期为垂直监测每2个月为一个周期。观测过程中,根据变形量的变化情况、变形速率、观测精度以及遇到特殊因素,可适当增加或减少观测次数的调整。截止目前为止,垂直位移已观测8次。发现有17个监测点有变动,主要沉陷点集中在崔家岭矿,二铺一矿只有2个点存在变动。监测资料以第一次观测为基准,以后每次观测值与第一次比较,确定本次观测的位移量。3垂直位移观察3.1仪器、实验检测作业使用的为TrimbleDidil2电子水准仪(编号:702285A),标尺为条码式铟瓦水准尺,仪器、标尺,均按要求在国家光电测距仪检测中心进行了鉴定。各项指标满足规范要求,检定结论合格。该设备具有精度高、速度快、效率高的特点。3.2往来观测算法基准网水准路线以ⅡCJ1为起点,以ⅡCJ2为校核点。按二等水准测量精度要求沿平朔公路对基准点ⅡCJ1、ⅡCJ2、…、ⅡCJ14、ⅡCJ15进行往返观测,组成闭合路线。各监测区以最近的基准点为起点,进行往返测组成独立的闭合环。各周期观测沿相同的路线,固定的监测人员、固定的设备进行。观测时间和气象条件、设置测站、测站观测顺序、测站观测限差以及观测中遵守的注意事项均按规范及设计书规定执行。3.3概略高程表的编制基准网和监测网外业观测的数据,严格按设计要求进行数据传输,对原始外业高差编算概略高程表,并按规范要求加入水准标尺长度误差的改正、正常水准面不平行的改正、温度改正及闭合差改正等各项改正值。对经过各项改正后的高差采用太原理工大学葛永慧教授的控制网平差计算软件进行严密平差计算。3.4基准点检测情况为检核高程基准点的稳定性,各周期观测时,均对基准点进行检测。经检测,高程差值小于5.6mm,确认基准点稳定可靠,可以作为垂直位移基准点使用。3.5设备、人员固定监测点和基准点高程均同周期进行观测,作业方法、使用的设备、人员固定不变。首次观测和各周期观测水准测量中,主要精度指标满足设计规定。各项监测的指标均小于限差,其中90%小于1/3限差,全在限差的1/2以内。4y3-8点的垂直位移量变化二铺二矿、安太堡联营矿经过监测,变形量在限差允许范围内。二铺一矿2个,崔家岭矿15个点,在最近几个周期的观测中,超出限差±5.6mm的要求,存在一定的下沉现象。经过对全部观测数据的处理分析,将垂直监测点位移量变化较大的进行分析,见表1。从表1中可以看出,ⅡY3-8点从周期一开始就出现下沉现象,主要是该点位于二铺一矿的巷道上。其他点是从周期六出现明显的下沉。经分析本次观测时间为2006年8月,造成下沉的原因可能与前段时间正是雨季,而且雨量也较大有关。但也不排除其他方面的原因,有待进一步监测证明。两煤矿的垂直位移量曲线图分别见图1、图2。从垂直位移量曲线图的趋势上看,二铺一矿巷道存在均匀的下沉,崔家岭矿存在突变现象。有待后续监测、观察,做出进一步的分析结论。5体化检测平台的应用垂直位移监测采用的电子水准仪,是以自动安平水准仪为基础,在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测一体化的高科技产品。减少人为因素对观测数据的影响,极大地提高了测量精度和作业效率,确保了成果质量,为万家寨引黄工程北干线隧洞施工前、施工中和运行管理期的变形监测提供了宝贵经验。通过对1年多观测数