南水北調(diào)東干渠輸水隧洞監(jiān)測技術(shù)

齊紅軍(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南　714000)

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南水北調(diào)東干渠輸水隧洞監(jiān)測技術(shù)

齊紅軍
(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000)

摘要:以南水北調(diào)東干渠輸水隧洞盾構(gòu)法施工監(jiān)控測量為例，系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)測點位的監(jiān)測內(nèi)容、布設(shè)方式、監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理等檢測環(huán)節(jié)，嚴(yán)格把控隧洞墻體位移及變形、支撐軸力、水位監(jiān)測等監(jiān)控測量各項指標(biāo)，保證了輸水隧洞的順利完工。通過介紹隧道監(jiān)控測量的方法，闡述了監(jiān)控測量對指導(dǎo)施工的意義。

關(guān)鍵詞:南水北調(diào);輸水隧洞;監(jiān)控測量

1工程概況

南水北調(diào)東干渠工程線路較長，周邊復(fù)雜，輸水隧洞共需穿越4條鐵路、9條軌道交通、25條公路、77座單體橋、18條河流溝渠及600多條地下管線，其中特級和一級風(fēng)險源達37處。南水北調(diào)東干渠輸水隧洞工程采用單洞重力流輸水方式，主體采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，一襯采用盾構(gòu)法施工，二襯采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。隧洞沿線布置有連通節(jié)點、若干分水口以及若干排氣閥井、排空井、調(diào)壓井等結(jié)構(gòu)。工程起始于市區(qū)盾構(gòu)始發(fā)井，穿越城市道路，穿越河流后到達盾構(gòu)接收井。中心導(dǎo)線全長3 248．83 m。根據(jù)巖土工程初勘報告，該線路段場區(qū)地面以下40 m深度范圍內(nèi)的土層劃分為8大層、共14個亞層;東干渠隧洞設(shè)計洞頂?shù)陀诜€(wěn)定水位約3 m，二襯豎井、盾構(gòu)始發(fā)井、接收井主體結(jié)構(gòu)基坑為三級風(fēng)險工程。在盾構(gòu)法隧道施工中，經(jīng)常遇到側(cè)穿、下穿運營中的地鐵既有線工程，在控制盾構(gòu)施工參數(shù)的前提下如何確保監(jiān)控測量各項指標(biāo)安全可控的監(jiān)控測量的技術(shù)設(shè)計至關(guān)重要［1］。

2監(jiān)測內(nèi)容及控制標(biāo)準(zhǔn)

2．1監(jiān)測項目

二襯豎井、盾構(gòu)始發(fā)井、盾構(gòu)接收井主體結(jié)構(gòu)基坑及周邊環(huán)境監(jiān)測點位數(shù)目見表1。

表1監(jiān)測項目統(tǒng)計表

2．2監(jiān)測頻率

基坑開挖期間，基坑深度H≤5 m時，主體基坑及周邊環(huán)境監(jiān)測頻率為1次/3 d; 5 m＜H≤10 m時，為1次/2 d; 10 m＜H≤15 m時，為1次/d［1］; H＞15 m時，為2次/d。基坑開挖完成以后，第1—7天的監(jiān)測頻率為1次/d，第7—15天為1次/2 d，第16—30天為1次/3 d，第30天以后為1次/周，數(shù)據(jù)分析后確認達到基本穩(wěn)定后為1次/月［2］。

2．3監(jiān)測過程

1)測定初始值。施工前布置好監(jiān)測點后，對所有的監(jiān)測項目進行連續(xù)3次獨立的觀測，經(jīng)判定數(shù)據(jù)合格后取其平均值作為監(jiān)測項目的初始值。

2)停測標(biāo)準(zhǔn)。在結(jié)構(gòu)施工完成后，現(xiàn)場監(jiān)測工作即可進入工后監(jiān)測，變形穩(wěn)定判斷的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)規(guī)范相關(guān)內(nèi)容確定，即“當(dāng)最后100 d的沉降速率＜0．01 mm/d時可認為已經(jīng)進入穩(wěn)定階段”［3］。變形穩(wěn)定后，即可向業(yè)主發(fā)出停止監(jiān)測申請，業(yè)主批準(zhǔn)后停止監(jiān)測。

2．4控制指標(biāo)

監(jiān)控測量過程的關(guān)鍵在于檢測指標(biāo)控制在標(biāo)準(zhǔn)限制內(nèi)。具體控制項目和控制指標(biāo)如表2所示。

表2控制指標(biāo)

3監(jiān)測點的布置設(shè)計

監(jiān)測點按照圖紙進行布設(shè)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況可進行局部調(diào)整。

3．1基坑監(jiān)測點

1)地表

測點要真實反映基坑周邊道路及地表沉降變形。設(shè)置主測斷面，主測斷面上測點采取緊密遠疏布置。對于基坑長邊，測點從長邊中點向兩端分布，最后一點距基坑短邊的距離＜20 m，測點盡可能沿基坑長邊兩側(cè)對稱布置，以形成監(jiān)測斷面。對于基坑短邊，當(dāng)短邊長度＜40 m時，在短邊中點設(shè)置一個測點，在基坑四周距坑邊10 m的范圍內(nèi)沿坑邊設(shè)2排沉降觀測點，排距3～8 m，點距5～10 m?；又苓叺乇沓两当O(jiān)測測點應(yīng)盡可能與樁體水平位移監(jiān)測測點、支撐軸力監(jiān)測測點和樁體變形監(jiān)測測點重合，以便于監(jiān)測數(shù)據(jù)相互校核、印證，從而提高監(jiān)測的可靠性。在施工方法變化的部位、車站與區(qū)間的結(jié)合部位、車站與風(fēng)道結(jié)合部位以及馬頭門等處均應(yīng)布設(shè)測點。道路和地表沉降點應(yīng)結(jié)合地下管線沉降測點布設(shè);主測橫斷面布點應(yīng)遵循近密遠疏原則布設(shè)［4］。

2)樁頂

測點在基坑四周圍護結(jié)構(gòu)樁(墻)頂上設(shè)置，盡量布設(shè)在基坑圈梁、圍護樁或地下連續(xù)墻的頂部等較為固定的地方，同時不易損壞，且能真實反映基坑圍護結(jié)構(gòu)樁(墻)頂部的側(cè)向變形。沿基坑長邊設(shè)置3～4個主測斷面，斷面在基坑兩側(cè)的圍護樁(墻)頂布設(shè)測點?；又車L邊圍護樁(墻)頂每20 m布置1點，基坑短邊的中點、基坑陽角處都是重要測點;測點設(shè)置強制對中標(biāo)志。樁頂水平位移監(jiān)測點應(yīng)與樁頂垂直位移監(jiān)測點同位置或同點。在基坑周邊荷載較大部位、管線滲漏部位布設(shè)測點。對于水平位移變化劇烈的區(qū)域，宜適當(dāng)加密測點。基坑每邊測點數(shù)量不宜少于3個［5］。

3)樁體

樁體的水平位移監(jiān)測點布設(shè)于主體基坑四周圍護體內(nèi)，沿主體基坑長邊圍護結(jié)構(gòu)每40 m布設(shè)1個，在主體基坑短邊中點布置1個監(jiān)測孔?；拥年柦遣课灰矐?yīng)布設(shè)監(jiān)測孔。測點與樁頂水平位移宜處在同一斷面。測斜管底部與鋼筋籠底部持平或略低于鋼筋籠底部，頂部達到地面(或?qū)? ;測斜管與支護結(jié)構(gòu)的鋼筋籠綁扎埋設(shè)，綁扎間距不宜＞1．0 m;測斜管的上下管間應(yīng)對接良好，無縫隙，接頭處牢固固定、密封;綁扎時應(yīng)調(diào)正方向，使測斜管內(nèi)的一對測槽垂直于測量面(即平行于位移方向) ;清理底部和頂部，保持測斜管干凈、通暢和平直;埋設(shè)明顯的標(biāo)志和可靠的保護措施。

4)支撐軸力監(jiān)測點

支撐軸力測點布置于基坑內(nèi)鋼支撐端部，沿主體基坑長邊每40 m布置1斷面，在同一豎直面內(nèi)每道支撐均應(yīng)布設(shè)測點，另外基坑的角撐部位也應(yīng)布設(shè)監(jiān)測點。測點與樁頂水平位移宜處在同一斷面。受力較大的斜撐和基坑深度變化處宜增設(shè)測點。對監(jiān)測軸力的重要支撐，宜同時監(jiān)測其兩端和中部的沉降和位移。當(dāng)采取應(yīng)變計監(jiān)測時，應(yīng)靠近支撐端部但距離端頭3 d以外布點( d為支撐直徑或矩形長邊長度)。每截面不宜少于4點，對稱布置。

3．2周邊環(huán)境監(jiān)測點的布設(shè)

3．2．1周邊建筑物

1)沉降監(jiān)測點

建筑物沉降監(jiān)測點可用采用暴露式墻釘、暴露式地釘。對于一般建(構(gòu))筑物采用直埋暴露式墻釘。對于不便于埋設(shè)的建筑物，可以采用粘貼監(jiān)測點的方式。具體埋設(shè)要求為:采用直徑適合的沖擊鉆在被監(jiān)測建(構(gòu))筑物的外表面開孔，開孔高度離地面20～50 cm，開孔深度根據(jù)不同型制的監(jiān)測點而不同，開孔時要使孔與水平方向向上成5°左右夾角。在孔內(nèi)填充少許鋼絲或鋼片等墊料，將帶有標(biāo)識牌的釘點放入孔中，使孔與監(jiān)測釘無空隙，密實接觸，再用手錘將監(jiān)測釘打入孔內(nèi)。監(jiān)測點周圍噴漆或設(shè)置明顯標(biāo)志，以方便監(jiān)測和保護。

2)傾斜監(jiān)測點

安設(shè)固定觀測釘點，采用小角法對建筑物進行整體傾斜監(jiān)測，觀測釘設(shè)計與樁頂水平位移監(jiān)測點相同，安設(shè)方法亦與其類似，應(yīng)注意以下幾點: 1)測站點要埋設(shè)在被監(jiān)測建筑邊墻延長線方向并在施工影響范圍之外，測站點與被監(jiān)測建筑的水平距離為1．5～2．0倍建筑高度; 2)建筑物傾斜監(jiān)測點布置在被監(jiān)測建(構(gòu))筑物的外表面，能夠反映建筑物真實變形的位置，每組監(jiān)測點為2個，布置在被監(jiān)測建(構(gòu))筑物同一斷面的頂部和底部，注意其與測站的通視情況。

3．2．2地下管線

地下管線沉降采用水準(zhǔn)測量方法，對風(fēng)險較大的重要管線應(yīng)直接觀測管頂沉降，對有管溝的應(yīng)觀測管溝結(jié)構(gòu)頂沉降，有檢查井的可直接在管頂或溝頂制作沉降標(biāo)識。沒有檢查井的，采用鉆孔或挖孔方式埋設(shè)。埋深較大的，用金屬桿引至地面，監(jiān)測標(biāo)志外加保護管，保護管延伸至地面，在地面制作觀測井，加井蓋進行保護。其他的可用地表沉降測點替代。

地下管線監(jiān)測是南水北調(diào)工程監(jiān)測的重點和難點，根據(jù)以往地下管線監(jiān)測經(jīng)驗，直埋管進行地下管線監(jiān)測時，用鋼釬桿將地下管線位移引至地表采用DS32－D型電子水準(zhǔn)儀實行觀測，但銦鋼尺在重力作用下會使鋼釬桿變形，從而嚴(yán)重影響測量精度。

1)普通排水混凝土圓管

普通排水混凝土圓管監(jiān)測的測點直接布置在管頂，從路面用Ф108水鉆鉆孔至管頂，成孔后在孔底澆注混凝土并植入鋼筋，鋼筋外套PVC管，并在PVC管與孔壁之間填充細沙，在孔頂設(shè)置小型觀測井至地面，并在觀測井頂部安裝金屬蓋以避免測點破壞。排水混凝土圓管沉降監(jiān)測測點布置如圖1所示。

2)電信、電力混凝土方溝

排水、電信、電力、熱力混凝土監(jiān)測點布置在方溝頂部，從路面用Ф108水鉆鉆孔至方溝頂板上方，成孔后在孔底澆注混凝土并植入鋼筋，鋼筋外套PVC管，并在PVC管與孔壁之間填充細沙，在孔頂設(shè)置小型觀測井至地面，并在觀測井頂部安裝金屬蓋以避免測點破壞。電信、電力混凝土方溝沉降監(jiān)測測點布置圖如圖2所示。

3)燃氣、給水等帶壓管線

燃氣、給水、直埋熱力等帶壓管線監(jiān)測點在管線旁邊布置，測點與管線橫向間距不超過0．5 m，測點埋置深度到管底高程。從路面用Ф108水鉆鉆孔至管底標(biāo)高，成孔后在孔底澆注混凝土并植入鋼筋，鋼筋外套PVC管，并在PVC管與孔壁之間填充細沙，在孔頂設(shè)置小型觀測井至地面，并在觀測井頂部安裝金屬蓋以避免測點破壞。燃氣、給水直埋熱力等帶壓管線沉降監(jiān)測點布置圖如圖3所示。

此類管線設(shè)置沉降監(jiān)測點是為確保測點能夠準(zhǔn)確反映管線變形，埋設(shè)前一定要準(zhǔn)確調(diào)查核實管線位置;若采用鉆孔埋設(shè)方式，測點埋設(shè)前用管線探測儀探明有無其它管線的影響，確保埋設(shè)安全。

3．2．3橋梁監(jiān)測點

按設(shè)計圖紙布點位置在受施工影響的橋梁墩柱上設(shè)置橋梁監(jiān)測點，確保監(jiān)測點布設(shè)在受施工影響的橋梁墩柱(臺)并且能夠反映變形體上變形特征的位置。布置的原則為:在影響范圍內(nèi)每個墩柱上設(shè)置1點;變形監(jiān)測點宜沿橋墩的縱橫軸線布置在外邊緣，也可布置在墩面上。監(jiān)測點的埋設(shè)位置應(yīng)避開有礙布設(shè)與觀測的障礙物，確保觀測通視條件。

圖1排水混凝土圓管沉降監(jiān)測點布置圖

圖2燃氣、給水直埋熱力等帶壓管線沉降監(jiān)測點原理圖

橋梁墩柱(臺)沉降監(jiān)測點采用暴露式墻釘型制，具體埋設(shè)要求為:取直徑10～12 mm、長10 cm的光圓鋼筋，彎折成直角，與8 cm×8 cm×4 mm的鋼板點焊焊實;將加工好的構(gòu)件采用二合一粘膠粘貼在建筑物上，高度離地面20～40 cm;監(jiān)測點周圍貼標(biāo)識牌并噴漆，以方便監(jiān)測和保護。監(jiān)測點的埋設(shè)位置應(yīng)避開有礙布設(shè)與觀測的障礙物。

圖3燃氣、給水直埋熱力等帶壓管線沉降監(jiān)測點布置圖

4現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)方法

4．1明挖基坑監(jiān)測

1)地表沉降、樁頂垂直位移(沉降)

道路、地表沉降觀測采用幾何水準(zhǔn)測量方法，監(jiān)測點觀測按工程測量規(guī)范的一、二等垂直位移監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求觀測。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)由基準(zhǔn)點、工作基點、監(jiān)測點組成，根據(jù)監(jiān)測精度要求，布設(shè)成網(wǎng)形最合理，測站數(shù)量最少的監(jiān)測環(huán)路，也可布設(shè)成附合水準(zhǔn)路線，或布設(shè)成閉合水準(zhǔn)路線［6］。在整個監(jiān)測網(wǎng)中，必須有3個足夠穩(wěn)定的基準(zhǔn)點或工作基點，施測時，可選擇一些穩(wěn)定性好的監(jiān)測點作為水準(zhǔn)路線基點與水準(zhǔn)網(wǎng)統(tǒng)一監(jiān)測和平差。大部分的監(jiān)測點采用中視法測定。由于水準(zhǔn)轉(zhuǎn)點會影響成果精度，所以選擇一些穩(wěn)定的監(jiān)測點作為水準(zhǔn)轉(zhuǎn)點極為重要［7］。

2)樁頂水平位移

在待測基坑的附近埋設(shè)3個導(dǎo)線點(均要求埋設(shè)在基坑變形影響范圍之外且相互通視條件較好)，使用2″級精度的全站儀安置于其中一個導(dǎo)線點上(該導(dǎo)線點應(yīng)能看到全部基坑的樁頂水平位移監(jiān)測點)，再后視另外一個導(dǎo)線點(剩余一個導(dǎo)線點用作校核)測定監(jiān)測點的坐標(biāo)，根據(jù)每次的觀測坐標(biāo)求出監(jiān)測點的水平位移。

3)樁體水平位移

使用模擬測頭測測量斜管導(dǎo)槽;保持測斜儀測讀器正常工作，緩慢地把測頭導(dǎo)輪放入測斜管導(dǎo)槽內(nèi)直至管底，然后自管底由下而上沿導(dǎo)槽全長每隔0．5 m測量1次，記錄測點深度及讀數(shù)。測讀結(jié)束后，將測頭旋轉(zhuǎn)180°放入同一對導(dǎo)槽內(nèi)，同方法再測1次。檢查每一深度的正反兩讀數(shù)的絕對值是否相同，當(dāng)讀數(shù)有異常時應(yīng)立即補測至合格。

4)支撐軸力監(jiān)測

軸力計加力引起彈性鋼弦的張力變化，調(diào)整鋼弦振動頻率，使得頻率儀測得鋼弦的頻率發(fā)生變化，便可測出所受作用力的大小。

4．2周邊環(huán)境監(jiān)測

1)周邊建筑物

沉降監(jiān)測作業(yè)方法參見明挖法地表沉降監(jiān)測作業(yè)方法。傾斜監(jiān)測作業(yè)方法采取投影法:根據(jù)建筑物的設(shè)計，A點(頂部，激光貼片或棱鏡)和B點(底部，激光貼片或棱鏡)位于同一豎直線上，建筑物的高度( A與B的距離)為h，當(dāng)建筑物傾斜時，利用2″級全站儀將建筑物頂部的測點A點投影到B點的水平面上，計算A點的水平位移a，然后即可求得該建筑物的傾斜角α［8］。

2)其他項目

地下管線沉降監(jiān)測參見明挖法地表沉降監(jiān)測作業(yè)方法。橋梁沉降、差異沉降監(jiān)測作業(yè)方法參見明挖法地表沉降監(jiān)測作業(yè)方法，傾斜監(jiān)測作業(yè)方法參見周邊建筑物傾斜觀測作業(yè)方法。

5監(jiān)控測量數(shù)據(jù)處理與分析

5．1數(shù)據(jù)處理

觀測記錄采用DS32－D型電子水準(zhǔn)儀或其他自帶記錄程序的儀器進行，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C處理軟件中，檢查合格后利用專業(yè)平差軟件嚴(yán)密平差，得出各測點變化值。為了確保起算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須使用已知的大地水準(zhǔn)點為起算，并校核獨立閉合差及與2個以上的水準(zhǔn)點聯(lián)測附合差是否滿足精度要求。校核觀測數(shù)據(jù)，校核合格后按嚴(yán)密平差法進行平差計算，平差后的數(shù)據(jù)精確到0．1 mm。通過變形觀測點不同時期變化值計算不同時期的階段變形量、階段變形速率、累計變化量等。每日采集監(jiān)測數(shù)據(jù)后，及時繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)曲線(位移－時間曲線和速率－時間曲線)，橫、縱斷面位移曲線［9］。

5．2數(shù)據(jù)分析

1)變形數(shù)據(jù)分析

觀測點的穩(wěn)定性分析基于穩(wěn)定的水準(zhǔn)點作為基準(zhǔn)點而進行的平差計算成果。相鄰兩期觀測點的變動分析通過比較相鄰兩期的最大變形量與最大測量誤差(取兩倍中誤差)來進行，當(dāng)變形量小于最大誤差時，可認為該觀測點在這兩個周期內(nèi)沒有變動或變動不顯著。對比不同時期變形觀測結(jié)果，若相鄰周期變形量較小，但多期又呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢時，確定有變動［10］。

2)變形分析與建模

根據(jù)各期變形數(shù)據(jù)，結(jié)合施工情況，建立反映變形量與變形因子關(guān)系的數(shù)學(xué)模型進行變形的建模與預(yù)報。

選用位移－時間曲線的散點圖，在圖中注明測量時工作面施工工序和開挖工作面與測量斷面的距離，據(jù)此分析施工工序、時間、空間效應(yīng)與測量數(shù)據(jù)間的關(guān)系。采用回歸分析法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，找出一條能代表時間－位移或距離－位移的離散點分布擬合曲線，回歸分析應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)情況，選取對數(shù)函數(shù)、支數(shù)函數(shù)或雙曲函數(shù)。根據(jù)擬合曲線的變化趨勢，判斷測點狀態(tài)是否正常，以及外推曲線，預(yù)測測點位移最大值。時間－位移曲線和距離位移曲線正常與反常趨勢圖如圖4所示［11－14］。

圖4時間－位移曲線和距離－位移曲線正常與反常趨勢圖

數(shù)據(jù)處理后，還需參考風(fēng)險巡視情況進行綜合分析，從不同的角度分析同一個工程現(xiàn)象，從而更加準(zhǔn)確、有效地指導(dǎo)設(shè)計和施工，并確保周邊環(huán)境的安全，同時監(jiān)測項目的監(jiān)測值可以相互校驗，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

6　結(jié)語

監(jiān)控測量是隧道施工的重要內(nèi)容，南水北調(diào)東干渠輸水隧洞的施工說明，監(jiān)控測量完全可以對圍巖和支護系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)做出判斷，并可為初期支護和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。確保各項指標(biāo)安全可控和輸水隧洞的順利完工。通過施工和環(huán)境監(jiān)測進行信息反饋及預(yù)測預(yù)報，優(yōu)化施工組織設(shè)計，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項目的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

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(責(zé)任編輯:郎偉鋒)

Monitoring Technology of East Main Canal Water Conveyance Tunnel of South-to-North Water Transfer

QI Hongjun
( Shaanxi Vocational College of Railway Engineering，Weinan 714000，China )

Abstract:Taking the monitoring measurement of shield construction of east main canal water conveyance tunnel

of the South-to-North water transfer as an example，this paper systematically designs the detecting units such as the monitoring content，layout mode，method and data processing，and completely controls all the indexes of monitoring measurements such as the wall displacement and deformation，supporting axial force and water level monitoring to ensure the completion of the water conveyance tunnel．Through the introduction of the tunnel monitoring measurement methods，the paper explains the significance of construction guidance of the monitoring measurement．

Key words:South-to-North water transfer project; water conveyance tunnel; monitoring measurement

作者簡介:齊紅軍( 1975—)，男，陜西寶雞人，副教授，主要研究方向為土建工程施工技術(shù)與教學(xué)．

收稿日期:2015－04－08

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．009

文章編號:1672－0032( 2015) 02－0047－06

文獻標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TU698．1