引漢濟(jì)渭輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)分析與研究

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

1 前 言

隨著南水北調(diào)工程的順利結(jié)束及其良好的示范效應(yīng)，各省區(qū)也相繼開始了新一輪調(diào)水工程的熱潮。但隨著地下工程施工技術(shù)的迅猛發(fā)展，引水隧洞也朝著長距離、大斷面方向發(fā)展。2009年建成的遼寧大伙房輸水隧洞全長達(dá)85km[1]，錦屏二級水電站1號、2號引水隧洞開挖直徑達(dá)12.4～13m[2]。

陜西省引漢濟(jì)渭工程是從陜南漢江流域調(diào)水至渭河流域的關(guān)中地區(qū)，緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾，促進(jìn)陜西省內(nèi)水資源優(yōu)化配置，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的大型跨流域調(diào)水工程。工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞等三大部分組成。

秦嶺輸水隧洞作為引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，全長約98km，分為了黃三段和越嶺段兩部分，特別是越嶺段從嶺南穿越到嶺北，全長81.58km，由于隧洞的距離長，施工過程中會面臨各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，包括高地應(yīng)力、高地溫、高外水、巖爆、有毒氣體等難題[3]，需在施工過程中及通水前后密切關(guān)注各類水工建筑物及圍巖的穩(wěn)定性，保證工程施工及運行期的安全。通過安全監(jiān)測可對地下工程的施工作出安全預(yù)報，既可對工程的安全運行作出評價，防患于未然，還可驗證地下工程設(shè)計的合理性，促進(jìn)地下工程勘測設(shè)計水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步[4]。因此，做好超長輸水隧洞的安全監(jiān)測尤為重要。

2 輸水隧洞安全監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 輸水隧洞安全監(jiān)測斷面布設(shè)原則

輸水隧洞安全監(jiān)測斷面主要布置在圍巖穩(wěn)定性較差、洞室埋深較大的洞段處，這些洞段通常為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，也就是斷層帶或斷層影響帶處。

引漢濟(jì)渭工程輸水隧洞共布設(shè)安全監(jiān)測斷面33個，其中，黃三段由于傳輸距離較短，布設(shè)了10個振弦式監(jiān)測儀器斷面。越嶺段由于距離長，傳統(tǒng)巖土工程安全監(jiān)測儀器的傳輸距離受到了限制，因此，部分監(jiān)測斷面采用了光纖傳感器。振弦式儀器和光纖儀器的類型選擇根據(jù)監(jiān)測斷面與洞口的距離確定，距離超3km的監(jiān)測斷面選用光纖儀器，小于3km的監(jiān)測斷面選用振弦式儀器。目前，越嶺段共有23個監(jiān)測斷面，其中12個振弦式監(jiān)測儀器斷面和11個光纖儀器監(jiān)測斷面。

2.2 安全監(jiān)測項目

根據(jù)隧洞的地質(zhì)情況和現(xiàn)有的監(jiān)測手段，引漢濟(jì)渭工程輸水隧洞的安全監(jiān)測進(jìn)行了以下幾類監(jiān)測項目：

a.圍巖深部變形監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的左右拱角、左右拱腰以及拱頂部位安裝多點位移計，用于監(jiān)測輸水隧洞圍巖的變形范圍，多點位移計最深點深入圍巖深度大于一倍的拱徑。由于TBM施工對周圍巖石擾動較小，因此，TBM的最深錨固點要小于鉆爆段的最深錨固點。

b.底板變形(隆起)監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的仰拱圍巖內(nèi)安裝1套單點位移計，以監(jiān)測在各種工況下底板的變形情況。

c.隧洞襯砌與圍巖接觸縫的監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的左右拱角、左右拱腰以及拱頂部位安裝測縫計，用于監(jiān)測洞室襯砌后各工況條件下，隧洞襯砌與圍巖間接縫開合度變化情況。

d.外水壓力監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的拱角兩側(cè)和仰拱上各布置1支滲壓計，用于監(jiān)測各工況條件下，隧洞外水壓力的變化情況。

e.圍巖支護(hù)錨桿應(yīng)力監(jiān)測。為監(jiān)測隧洞的支護(hù)效果，在所選隧洞監(jiān)測斷面的拱頂、兩拱角及兩側(cè)拱墻部位選擇錨桿對其應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

f.襯砌混凝土的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的拱頂、拱角、拱墻及仰拱等6個部位布設(shè)鋼筋計、混凝土應(yīng)變計和無應(yīng)力計，用于監(jiān)測襯砌結(jié)構(gòu)混凝土穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變化情況，進(jìn)而推斷混凝土襯砌的效果，在圍巖發(fā)生應(yīng)力變化時，也可通過鋼筋計和應(yīng)變計進(jìn)行監(jiān)測。

g.圍巖壓力監(jiān)測。在隧洞監(jiān)測斷面的拱頂、拱角及拱墻各布置1支土壓力計，當(dāng)圍巖發(fā)生應(yīng)力變化時，用于監(jiān)測圍巖對襯砌混凝土的壓力。

h.環(huán)境量監(jiān)測。環(huán)境量監(jiān)測主要包括輸水隧洞的水位監(jiān)測以及溫度監(jiān)測，通過在監(jiān)測斷面的水位線上下各布設(shè)1支水位計進(jìn)行水位監(jiān)測，可以矯正大氣壓強(qiáng)變化對水位計測值的影響，不同樁號的水位計測值，可以反映輸水過程中水位沿程變化情況，同時可以換算出輸水流量的變化。溫度監(jiān)測通過各類監(jiān)測儀器自帶的測溫功能實現(xiàn)。

2.3 監(jiān)測資料分析

對監(jiān)測資料的及時整理與分析，可以反映建筑物的總體狀態(tài)及其基本規(guī)律，并對建筑物的安全穩(wěn)定性給予總體評價，也是充分發(fā)揮安全監(jiān)測作用、體現(xiàn)安全監(jiān)測根本目的和意義的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。

引漢濟(jì)渭輸水隧洞的安全監(jiān)測系統(tǒng)運行至今，已積累了較多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在施工中也發(fā)揮了一定的作用。

輸水隧洞的9+890監(jiān)測斷面位于Ⅴ類圍巖洞段IF11-2斷層帶處,巖體極不穩(wěn)定。2018年2月初，在初次支護(hù)之后鉆孔安裝了3套多點位移計BX01、BX02和BX03，其中，BX01位于左邊墻；BX03位于右邊墻。這2套多點位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該監(jiān)測斷面的圍巖一直處于緩慢變形的狀態(tài)，至2018年4月20日前后，變形速率和變形量均開始增大。施工方立即進(jìn)行了加固處理，并加緊進(jìn)行了二襯，之后多點位移計的變形量趨于平緩。目前，監(jiān)測斷面處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。具體的位移計變化量過程線見圖1、圖2。

圖1 三點位移計BX03變化量過程線

圖2 三點位移計BX01變化量過程線

由于大部分監(jiān)測儀器都是二襯之后安裝，因此，輸水隧洞各個監(jiān)測斷面的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，變形量較小，且總體上與溫度成負(fù)相關(guān)。鋼筋計和應(yīng)變計變化量過程線見圖3、圖4。

圖3 鋼筋計變化量過程線

圖4 應(yīng)變計變化量過程線

引漢濟(jì)渭輸水隧洞的黃三段埋深較淺，基本沒有外水壓力，越嶺段由于距離長、埋深大，沿線水系比較發(fā)育，各監(jiān)測斷面的滲壓計能監(jiān)測到不同程度的水頭，與隧洞內(nèi)的積水情況相符合。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，輸水隧洞越嶺段的最大水頭曾達(dá)到31m左右，隨著加固灌漿的處理，外水水頭隨之下降，見圖5。

圖5 滲壓計變化量過程線

輸水隧洞的監(jiān)測數(shù)據(jù)可基本反映現(xiàn)場建筑物的工況，并能及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測到異常變化量的發(fā)生，充分發(fā)揮了安全監(jiān)測的功效。

3 輸水隧洞安全監(jiān)測的不足

輸水隧洞由于環(huán)境特殊，空間狹小，能夠采用的監(jiān)測手段比較有限，因此，現(xiàn)有的隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)在某種程度上存在不足之處。

a.缺乏隧洞收斂變形監(jiān)測。例如輸水隧洞監(jiān)測斷面的圍巖內(nèi)部發(fā)生較大變形時，沒有相應(yīng)的圍巖表面收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，無法確定隧洞的變形程度。

b.缺乏施工期的自動化應(yīng)急監(jiān)測手段。大多數(shù)工程是在工程施工的尾期或者運行期實行安全監(jiān)測自動化，但當(dāng)工程施工期發(fā)生監(jiān)測異常，需要加密觀測、及時分析時，隧洞的特殊環(huán)境約束了監(jiān)測的頻次密度和及時性。因此，對于輸水隧洞的安全監(jiān)測，需要增加在施工期的自動化應(yīng)急監(jiān)測手段。

c.增強(qiáng)安全監(jiān)測新技術(shù)、新方法的研究與應(yīng)用。目前，隧洞安全監(jiān)測所使用的監(jiān)測手段均是常規(guī)的，監(jiān)測設(shè)備也是常規(guī)的，但隧洞施工總會碰到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，給工程帶來各種安全隱患。因此，增強(qiáng)安全監(jiān)測新技術(shù)、新方法的研究與應(yīng)用是必不可少的。

4 結(jié)論與建議

本文所介紹的引漢濟(jì)渭輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)從2016年開始施工，目前仍處于施工階段，施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)能及時有效地反映隧洞工程的施工現(xiàn)狀，并能對隧洞施工的異常情況進(jìn)行有效的監(jiān)測和預(yù)警，充分體現(xiàn)了輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

目前，引漢濟(jì)渭二期工程已陸續(xù)展開，二期工程中包含了倒虹吸、渡槽、箱涵等各類輸水建筑物以及輸水隧洞，為了能讓輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)在二期工程中更好地發(fā)揮作用，根據(jù)引漢濟(jì)渭輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的施工和運行狀況，建議在二期工程的設(shè)計中，積極跟蹤現(xiàn)有的隧洞安全監(jiān)測新技術(shù)、新方法，提高隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的及時性，監(jiān)測資料的完整性、連續(xù)性，充分發(fā)揮安全監(jiān)測系統(tǒng)在隧洞施工工程中的作用。