如何选择合适的浆液水灰比？

常规法高压固结灌浆时，常遵循由稀到浓逐级变换的原则。常用的浆液水灰比分别为10∶1、8∶1、5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1（重量比）9 个比级。一般开灌先用10∶1，而后根据浆液注入量而变换浆液浓度。这个浆液水灰比采用的指导思想是：水灰比越大，好像水泥颗粒更易进入到裂隙中。实际则不然，浆液能否进入到裂隙内，主要决定于裂隙宽度是否大于水泥颗粒，或者是否大于浆液的流动厚度。即使岩体能注入10∶1的水灰比浆液，那么注入裂隙内的水泥颗粒也是分散的，形不成防渗体，它只不过给人以安慰罢了，好像总算把浆液灌入到岩体中去了。

著者建议，用本书介绍的稳定浆液（开灌水灰比可用似稳定浆液2∶1）与常规水灰比进行对比试验，从中可以了解不同水灰比浆液对防渗的作用。

第七节　地下洞室原位模型试验及围岩监测纲要

如何把地下洞室围岩开挖成拱、岩壁吊车梁方案的可行性、支护参数优化及围岩稳定性评价等问题仅靠理论计算是难以准确反映实际情况的。因此在主体工程开工之前，在选定的地下洞室位置顶拱部位开展原位模型试验是非常必要的。

原位模型试验的主要项目有模型洞围岩监测、岩壁吊车梁试验、锚索试验、锚杆试验和地质勘察。

国内外利用模型试验洞来研究分析地下洞室的支护参数已有大量的工程实例。它们大都是通过对围岩的收敛变形、内部位移、内部应力、松动范围，锚杆的支护效果等项目的监测，以确定围岩位移大小及变化规律，位移稳定时间和位移最终值，围岩松弛范围和塑性区范围，锚杆应力分布及变化规律等，同时，为三维位移反分析提供计算所需的参数。根据反分析计算结果，推算确定地下洞室区初始地应力，并以此为基础，经过对地下洞室围岩稳定性分析，以期解决对围岩稳定性进行评估和预报，论证顶拱围岩稳定性及开挖方案的可行性，评价锚杆支护效果及边墙的稳定性，通过对监测数据资料的分析，推荐最优的施工开挖程序、合理的支护参数和支护时机等问题。

（一）模型试验洞设计

模型试验洞应布置在地下厂房顶拱开挖线以内，或直接在拟开挖洞子的地方先开挖模型试验洞；洞形应尽量模拟地下洞室；进入模型试验洞的导洞和辅助洞室应尽量结合永久洞室开挖，其尺寸应满足开挖、出渣和钻孔的要求。

导洞是进入模型试验洞的通道，应本着永久洞室开挖相结合的原则，确定导洞沿通风兼安全洞洞线开挖。导洞中心线、底板高程与通风兼安全洞中心线相同，洞口尽可能布置在已有公路的旁边。

模型试验洞由主模型洞、次模型洞、岩壁吊车梁试验洞、辅助洞室和竖井组成。

1.主、次模型试验洞

为进行三维位移反分析，原位围岩监测布置在两个互相垂直的主、次模型洞内。主模型洞布置在主厂房永久开挖断面以内，轴线与主厂房重合处，模型洞拱顶高程应低于主厂房顶拱开挖线高程；次模型洞洞轴线与主模型洞垂直，开挖断面同主模型洞，主要进行围岩变形监测。

2.岩壁吊车梁试验洞

岩壁吊车梁试验洞主要进行岩壁吊车梁试验和锚索试验，兼顾进行锚杆抗拔和围岩变形监测。为了减少工程量，岩壁吊车梁试验洞紧靠主模型洞布置，通过辅助洞室与通风兼安全洞导洞连接，这样原位监测试验与岩壁吊车梁试验及锚索试验平行进行，互不干扰。岩壁吊车梁试验洞室顶拱开挖为厂房半跨开挖形状，半径与厂房实际开挖半径相同。

3.辅助洞室

在以下地方可布置洞室进行连接，完成主洞室所无法完成的任务。

在厂房的通风机室和厂房内，用辅助洞连接导洞和主模型洞；用辅助洞室连接主、次模型洞，并可利用它进行主模型洞预埋多点位移计；用辅助洞室连接竖井；在主模型洞上方开挖辅助洞，用于预埋主模型洞顶拱的多点位移计，以捕捉主模型洞顶拱的竖向最大变位，并作为对穿锚索和悬吊锚索张拉的辅助洞室。

4.竖井

为便于试验期模型洞的通风和模型洞与辅助洞室交通，在辅助洞室上游侧开挖竖井连接辅助洞室。竖井开挖直径一般为2.5m，其运行期可作为厂房的通风通道。

（二）模型试验洞围岩监测

主模型洞内布置系统观测断面和收敛观测断面。在系统观测断面上布置收敛测桩、多点位移计、声波测试和锚杆应力观测等，断面间距3～5m；在收敛观测断面上仅布置收敛桩。

1.收敛测桩

用收敛测桩量测围岩洞壁的收敛。每个断面布置5 个测点，顶拱1 个，上、下游边墙各2个，边墙测点距底板高度分别为2～4m 和4～7m。为保护收敛测桩，将收敛测桩埋设在20cm×20cm×20cm 保护坑内，埋好收敛测桩后用厚钢板盖上保护坑，以防爆破飞石击中。

2.多点位移计

用多点位移计量测围岩的内部变位。每个断面布置5 个测孔，顶拱1 孔，上、下游边墙各2 孔，每孔4 个测点，孔位置与收敛测桩相同。由于开挖爆破影响，埋设仪器时与开挖掌子面应有一定距离（多按0.7～1m 控制），因此在洞内埋设的收敛测桩和多点位移计不可避免地会丢失部分初始变位。为尽可能捕捉初始变位，观测断面顶拱和上游边墙侧分别通过辅助洞室事先预埋多点位移计，它应尽量靠近洞壁预埋多点位移计端部距主模型洞洞壁的距离为0.4m。外侧扩孔部分因埋设仪器要求，需钻两段孔径170mm 和150mm，长度分别为25cm 和30cm 的扩孔段，其他部位孔径90mm。除预埋多点位移计外，其他孔深均为12m（如果洞径大，也可深及21m），测点距孔壁距离分别为1m、3m、7m、12m。多点位移计端部均设保护坑和钢板进行保护。

3.声波仪和锚杆应力计

用声波仪和锚杆应力计，分别量测围岩松动范围和锚杆受力状况。每个断面布置5 根锚杆进行锚杆应力观测。顶拱1 根，上、下游边墙各2 根。孔的布置位置与收敛测桩相同。每根锚杆长5～6m，设3 个测点，测点距孔的距离分别为0.5m、1.5m、4m。观测断面上的声波测试孔兼作锚杆钻孔，在观测断面上游侧布置两孔12m 的深孔作垂直对穿声波测试，另设一12m 的深孔与观测断面的深孔作水平对穿声波测试。

在次模型试验洞内布置系统观测断面和收敛观测断面。观测断面间距均为3～5m。在观测断面上布置收敛测桩和多点位移计，另一观测断面布置收敛测桩、多点位移计和声波测试，其他两个观测断面仅布置收敛测桩。收敛测桩、多点位移计、声波测试的布置与主模型洞相同。(www.xing528.com)

（三）岩壁吊车梁试验设计

目前岩壁吊车梁的计算理论还不成熟，主要是通过工程类比拟定体型尺寸，采用刚体平衡法进行计算验证。岩壁吊车梁成功与否，地质条件的好坏是关键，而计算模型往往不能较好的反映地质条件。在地质条件较为复杂的地区需通过岩壁吊车梁的模型试验及吊车梁岩壁的地质调查来论证吊车梁的承载能力，壁座的开挖方法，爆破参数，锚杆的仰向仰角、数量、受力状况以及岩壁吊车梁方案实施的可行性。

选两个试验段的锚固方案进行试验。吊车梁混凝土与岩壁的粘结采用两种模拟方法：一断面在开挖面上直接浇筑吊车梁；另一断面是假定吊车梁混凝土与岩体间无粘结，通过在岩壁吊车梁与岩体间粘接塑料薄膜来模拟。

每一岩壁吊车梁试验段分别设两个监测断面，每个监测断面进行如下项目的监测。

（1）岩壁吊车梁上部两根悬吊锚杆的应力是主要观测项目，采用钢筋应力计进行观测。上部悬吊锚杆在岩体内设3 个测点，混凝土内设1 个测点，下部受压锚杆在岩体内2个测点，混凝土内设1 个测点。

（2）梁体混凝土与围岩接触缝开合度采用测缝计进行观测，直壁设2 个，斜壁1 个。

（3）每个监测断面设一根混凝土观测柱，观测柱断面300mm×300mm，观测柱与吊车梁表面净距100mm。通过观测柱与吊车梁间的千分表观测吊车梁表面的变位。

（4）吊车梁内钢筋应力每断面设4 个测点，其中箍筋3 个、水平位筋1 个，采用钢筋应力计监测。

（5）梁内混凝土应变每断面的上表面和外立面各设1 个测点，采用2 个无应力计、4个应变计监测。

（6）围岩内部位移多采用多点位移计监测，每断面设6 个测孔（顶拱3 孔，下游边墙2 孔，上游边墙1 孔），孔深均为12～14m。每孔4 个测点，测点距孔壁距离分别为1m、3m、8m、14 m。

（7）洞周收敛变形采用收敛测桩监测，每个监测断面设5 个测点，顶拱1 个，两侧边墙各2 个。

（8）围岩松动范围采用声波仪或γ-γ测井等方法监测，每个断面设5个声波孔，孔深8m。

（9）每个监测断面设两个压应力计，监测混凝土吊车梁壁座应力分布。

（四）锚索试验设计

位于地质条件复杂区内的地下洞室，为保证围岩的稳定性，常采用柔性支护，即锚索+锚杆喷混凝土联合受力的支护方案。若洞周围岩的抗压强度和变形模量较低，洞室开挖应力释放会引起较大的岩体变位，可用锚索进行现场试验，以监测锚索附近围岩变形、锚索变形及应力损失等，确定单根锚索设计和锁定吨位、加载的程序及施工工艺等。

预应力锚索试验有对穿锚索、悬吊锚索和内锚锚索3 种形式。对穿锚索张拉端在辅助洞内；悬吊锚索张位端也应在辅助洞内，锚固端靠近厂房开挖边界；内锚锚索张拉端在厂房内部，锚固端在厂房围岩内部。在试验中锚索逐级加载，通过监测获取围岩变形值及变化规律、锚索应力值及变化规律、锚索应力损失值，为设计及施工提供依据。通过试验，研究开挖爆破对内悬锚索的影响、对比内悬锚索与对穿锚索的施工方法和效果，同时验证水平锚索的支护效果。

一般锚索共试验6～10 根。对穿锚索和悬吊锚索各2 根，钻孔长度视具体情况而定，多数10m长，预应力2000kN，均在顶拱布置。内锚锚索4 根，预应力1600kN，其中顶拱2根，钻孔长度25m，上游或下游边墙2 根（倾角20°）亦可按最优倾角（10°～50°）中选择设置，钻孔长度均为20m。试验荷载与厂房锚索设计吨位相同，长度也基本相同。

监测项目包括，锚索试验加载前和加载过程中附近岩体中的变形情况；锚索自身的应力变化情况、锚索应力随时间的变化规律及其损失值。锚索仅进行设计张拉力试验。

（1）所有锚索均在张拉端设锚索测力计，观测锚索在张拉过程中的应力变化情况。对穿锚索在另一端也设锚索测力计，以观测锚索的预应力损失。

（2）悬吊锚索、顶拱内锚锚索和边墙内锚锚索各一根，在锚固段的6m范围内设5个断面（由内到外间距分别为0.5m、1m、1.75m、2.75m），每个断面3个测点（120°环向间隔均匀布置），采用应变计监测锚固段混凝土的应力应变状态，以观测锚索在内锚固段的应力变化。

（3）在对穿锚索和悬吊锚索旁分别设一个位移观测孔，采用预埋多点位移计监测在锚索张拉过程中内部围岩的变位。

为准确观测沿孔深揭露的断层、裂隙、破碎带和其他结构面等，在辅助洞内两个孔径为φ170mm的孔至岩壁吊车梁试验洞，观测试验洞围岩在开挖前后的裂隙张开情况，并根据观测成果绘制钻孔岩体柱状图。最好用塞尺，对吊车梁试验洞在开挖前后沿结构面的开度进行定量分析。此外，还可采用声波仪监测钻孔围岩波速在吊车梁试验洞开挖前后的变化情况。

（五）锚杆试验设计

一般来说，几乎所有岩体工程都采用锚杆支护，而对杆件穿过何种岩体，与地质软弱结构面的关系却很少进行调查研究，特别锚固岩体的工程地质条件，迄今尚未见过任何报道。因此，对锚杆的支护效果有必要进行一些试验。

为测试岩壁吊车梁悬吊锚杆与边墙不同交角的抗拔力，拟在模型洞下游侧岩壁对吊车梁悬吊锚杆作4组不同倾角的抗拔试验，每组3根，锚杆直径、长度与厂房上部吊车梁悬吊锚杆相同，倾角分别为10°、20°、25°、30°、35°。

模型洞上、下游侧各作3组不同倾角的系统锚杆抗拔试验，锚杆直径φ32、锚入岩石长度3m。若岩层倾向上游，上游侧倾角分别为-20°、-10°、0°，下游侧倾角分别为20°、10°、0°。顶拱作一组3 根系统锚杆抗拔试验。锚杆的砂浆密实度采用“瞬态动测法”检测。