大堤安全監(jiān)測技術(shù)在穿黃工程建設(shè)中的應(yīng)用

周鳳才，徐 峰，何利華

（1.南水北調(diào)東線穿黃工程北區(qū)建管局，山東 聊城 252000；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概況

穿黃工程是南水北調(diào)東線工程從東平湖至黃河以北輸水干渠的一段輸水工程，是南水北調(diào)東線的關(guān)鍵控制性項(xiàng)目。工程位于山東省東平和東阿兩縣境內(nèi)、黃河下游中段，地處魯中南山區(qū)與華北平原接壤帶中部的剝蝕堆積孤山和殘丘區(qū)。

我國自20世紀(jì)70年代就開始了對穿黃工程的研究。1978年，水利電力部指示按立交埋管或洞挖方案對位山、柏木山、黃莊3條線路進(jìn)行比較，并以位山線路洞挖方案作為設(shè)計重點(diǎn)。1979年10月，水利部規(guī)劃設(shè)計管理局下達(dá)了穿黃探洞的設(shè)計任務(wù)。1986年4月，穿黃探洞正式鉆灌開挖，采用預(yù)注漿止水施工，至1988年1月底探洞主體工程全部完成。探洞由斜井、平洞、水倉水泵房和2條支探洞組成。探洞斷面采用三圓心城門洞型，洞高2.61 m，洞寬2.93 m。通過開挖探洞進(jìn)一步查明河底地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育等地質(zhì)情況，落實(shí)了在巖溶地區(qū)采用超前灌漿堵水開挖水下隧洞的施工方法。

2007年4月，水利部批復(fù)了《南水北調(diào)東線一期工程穿黃河工程初步設(shè)計報告》。同年12月28日，穿黃工程開工。穿黃隧洞為有壓圓形隧洞，內(nèi)徑 7.50 m，洞長 585.38 m，設(shè)計輸水規(guī)模 100 m3/s。

2 安全監(jiān)測目的

在穿黃建設(shè)的不同歷史時期，安全監(jiān)測均發(fā)揮了重要的作用。安全監(jiān)測主要包括監(jiān)控建筑物安全，掌握運(yùn)行規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計，指導(dǎo)施工和運(yùn)行。

通過監(jiān)測，可以了解建筑物各種物理量的變化范圍和規(guī)律，當(dāng)出現(xiàn)觀測值異?；虿焕陌l(fā)展趨勢時能夠及時做出判斷，采取有效措施。此外，通過長期積累的觀測資料可以了解建筑物運(yùn)行性態(tài)，對建筑物發(fā)展趨勢進(jìn)行有效預(yù)報，確保建筑物安全，并使之發(fā)揮更大效益。

通過原型觀測結(jié)果，可以有效驗(yàn)證設(shè)計的正確性，修正設(shè)計理論，明確工程主要影響因素，減少或降低未知因素在工程設(shè)計或計算中的影響作用，從而提高設(shè)計水平，優(yōu)化設(shè)計方案，降低工程造價。

安全監(jiān)測也是改進(jìn)施工技術(shù)、加快施工進(jìn)度的有效手段。施工單位制定的施工組織設(shè)計和技術(shù)措施，都是基于前期設(shè)計資料制定的，就工程實(shí)際建設(shè)而言并不一定是既安全又經(jīng)濟(jì)的。通過施工期的觀測結(jié)果，可以修改不合理的工程設(shè)計，有效完善施工措施，不斷地指導(dǎo)和改進(jìn)施工方法。此外，隨著安全監(jiān)測自動化技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視其在工程運(yùn)行管理中的作用，在確保工程安全的同時也可以取得一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3 安全監(jiān)測工作回顧

穿黃隧洞所經(jīng)過的地層為寒武系崮山組灰?guī)r、頁巖和中寒武系張夏組灰?guī)r兩組巖系層。崮山組巖層風(fēng)化比較嚴(yán)重，分布在斜井上中段；張夏組巖層分布在斜井下段和平洞段，該段圍巖屬I類、Ⅱ類。穿黃工程所在地區(qū)巖溶發(fā)育，黃河水、巖層潛水、巖溶水三水相通。隧洞斜井段穿越的黃河位山大堤是黃河下游中段重要險工，大堤臨水坡水下部分為人工拋石、水上部分為漿砌塊石護(hù)坡，坡度較陡，是防洪安全的重要部位。

由于穿黃工程復(fù)雜的地質(zhì)條件和所處位置的重要性，針對工程建設(shè)開展安全監(jiān)測工作是非常重要的。通過監(jiān)測，可以預(yù)測判斷工程的安全性、穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險預(yù)兆，采取加固措施，指導(dǎo)施工，避免發(fā)生重大安全事故。海河水利委員會作為業(yè)主單位在穿黃建設(shè)過程中有著重要的認(rèn)識，亦開展了大量的安全監(jiān)測建設(shè)管理工作，不論是在探洞開挖、維護(hù)、應(yīng)急加固、隧洞擴(kuò)挖或是將來的運(yùn)行管理都將安全監(jiān)測工作作為重點(diǎn)工作來抓，使安全監(jiān)測在穿黃建設(shè)多個階段均發(fā)揮了重要作用。

3.1 探洞開挖階段

在穿黃探洞開挖階段，水利水電科學(xué)研究院于1986年7月—1987年6月開展了探洞開挖爆破對黃河大堤安全影響的試驗(yàn)研究工作。研究項(xiàng)目包括爆破振動觀測、爆破作用下的液化問題、爆破振動對黃河大堤水平位移影響并對輸水隧洞擴(kuò)挖爆破施工中可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行了探討。爆破測點(diǎn)共設(shè)置7組，沿洞軸線布設(shè)5組，觀測室和迎水面基礎(chǔ)各布設(shè)1組。基于當(dāng)時的監(jiān)測水平，爆破振動觀測選擇了SHJ-4.5、SDJ-78B 拾振器、CZ-F 放大器、SC-18 型光線示波器，并配用FC6-1200振子；位移監(jiān)測采用CX-01型伺服加速度計測斜儀；孔隙水壓力采用改裝的FTS型傳感器，并配合了動態(tài)應(yīng)變儀和示波器。整個測試系統(tǒng)相對于現(xiàn)在市場應(yīng)用的監(jiān)測設(shè)備來說可以認(rèn)為是相當(dāng)龐大的。這為日后的隧洞擴(kuò)挖提供了豐富詳實(shí)的參考依據(jù)。

第一，對施工單位報告進(jìn)行審查，核查。保證各項(xiàng)測量工具、操作設(shè)備、技術(shù)方案等符合設(shè)計要求、符合施工要求、滿足安全性能要求，當(dāng)各項(xiàng)準(zhǔn)備要素達(dá)標(biāo)后便可使用。施工設(shè)備的質(zhì)量問題是影響施工質(zhì)量的重要因素，因此必須要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)檢，否則后患無窮。

3.2 探洞維護(hù)階段

探洞作為臨建工程，1994年洞內(nèi)出現(xiàn)滴水并逐漸發(fā)展，所以同年對該工程進(jìn)行了加固處理。1995年，布置了安全監(jiān)測儀器，監(jiān)測項(xiàng)目主要包括探洞滲水壓力、滲水量、圍巖的變形和沉陷、閘室與巖壁的接觸縫變化以及地下水位和黃河水位、滲水水質(zhì)和析出物等。

在斜井段采用差動電阻式測縫計改裝的巖石變形計觀測頂拱及兩側(cè)圍巖變形；在閘室上面和頂部設(shè)測縫計監(jiān)測閘室與巖壁接縫開合度的變化情況；在平洞和斜井不同部位的4個典型斷層帶采用差阻式孔隙壓力計監(jiān)測外水壓力情況；洞口地面設(shè)置3排沉降測點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀觀測；在洞口、斜井及平洞的不同部位布置3個滲水量觀測點(diǎn)，洞口周圍附近布設(shè)5個地下水位觀測點(diǎn)和1個黃河水位觀測點(diǎn)；此外，對探洞重點(diǎn)析出部位進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

3.3 探洞應(yīng)急加固階段

穿黃探洞2000年1月進(jìn)行了應(yīng)急加固工程。同期，對黃河大堤進(jìn)行了安全監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目包括滲壓、地下水位、垂直位移、水平位移、黃河水位及河床沖淤等，以此了解探洞灌漿期間大堤運(yùn)行狀態(tài)，確保位山大堤的安全。

位山穿黃大堤滲壓觀測共布置3個監(jiān)測斷面，其中探洞軸線正上方有1個監(jiān)測斷面、軸線上下游31 m處各有1個監(jiān)測斷面。每一監(jiān)測斷面迎水坡設(shè)3個測壓管，背水坡設(shè)2個測壓管；地下水位測點(diǎn)共布置4個測壓管，均布在探洞洞口上下游兩側(cè)；垂直位移監(jiān)測布置3個斷面，共7套測點(diǎn)，每套位移設(shè)計3個錨固點(diǎn)，鉆孔深度45～50 m；水平位移監(jiān)測斷面及測點(diǎn)布置形式與垂直位移監(jiān)測相同，鉆孔深度45～50 m；黃河水位采用探洞上游位山引黃閘西閘的閘前水位。河床沖淤觀測設(shè)在探洞軸線上下游50 m，距河岸50 m范圍內(nèi)。測點(diǎn)平行探洞軸線布置11排，每排設(shè)6個水下測點(diǎn)，堤基上設(shè)2根定位樁。

4 安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著巖土工程安全監(jiān)測硬件和軟件迅速發(fā)展，監(jiān)測儀器設(shè)備、自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和資料分析系統(tǒng)、安全預(yù)報系統(tǒng)也在不斷地完善。在穿黃建設(shè)的今天，引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)測儀器和監(jiān)測手段的同時也引進(jìn)了先進(jìn)的安全生產(chǎn)管理理念，使安全監(jiān)測成為工程風(fēng)險防范與控制的有效手段。

4.1 黃河大堤監(jiān)測

由于隧洞開挖是在原探洞基礎(chǔ)上采用鉆爆法施工的，考慮到該工程所處位置的重要性和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，開挖爆破必須根據(jù)觀測資料隨時調(diào)整爆破參數(shù)，確保隧洞工程實(shí)施時黃河大堤的安全，因此該階段以施工期監(jiān)測為主。黃河大堤安全監(jiān)測包括靜態(tài)和動態(tài)2種監(jiān)測項(xiàng)目。

靜態(tài)監(jiān)測承襲了探洞應(yīng)急加固工程的監(jiān)測項(xiàng)目，除對原有監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行檢修外，又有針對性地新增了2套位移計和2套測斜管來配合隧洞爆破施工期觀測。

動態(tài)監(jiān)測包括大堤質(zhì)點(diǎn)振動、孔隙水壓力2個主要監(jiān)測項(xiàng)目。大堤質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測點(diǎn)主要沿洞軸線布置，沿洞軸線布置6個監(jiān)測點(diǎn)，其中大堤頂上3個測點(diǎn)、堤后3個測點(diǎn)；在迎水坡洞軸線兩側(cè)各布置2個測點(diǎn)；共計10個質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測點(diǎn)，采用振動傳感器進(jìn)行垂直和水平兩向觀測。孔隙水壓力測點(diǎn)共布置4個，其中3個在迎水坡前段、1個在迎水坡中段，采用應(yīng)變式孔隙水壓力計隨爆破振動觀測同時進(jìn)行。

4.2 隧洞施工與運(yùn)行監(jiān)測

穿黃隧洞安全監(jiān)測項(xiàng)目包括位移、外水壓力、應(yīng)力及應(yīng)變、錨桿應(yīng)力、圍巖壓力、接縫開合度、收斂變形等項(xiàng)目。本著實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，兼顧了施工期和運(yùn)行期的安全。

隧洞共布設(shè)了7個監(jiān)測斷面。其中，在豎井進(jìn)口段崮山組巖體完整性較差的1.05 m高程處布置了1個監(jiān)測斷面；平洞段所穿過的F17、F14斷層破碎帶處各布置1個斷面；斜井段穿越黃河大堤，該部位寒武系崮山組巖層巖石比較破碎，地質(zhì)條件較差，在F12、Fl1、F3斷層破碎帶和隧洞出口附近的V類圍巖洞段分別設(shè)1個監(jiān)測斷面作為重點(diǎn)監(jiān)測對象。

隧洞所選擇的監(jiān)測儀器均為國產(chǎn)差阻式儀器，包括位移計、孔隙壓力計、應(yīng)變計、鋼筋計、錨桿應(yīng)力計、土壓力計、測縫計和收斂計等，監(jiān)測儀器種類和數(shù)量比以往更加全面和豐富。此外，隧洞出口設(shè)立監(jiān)測站，將隧洞內(nèi)儀器引入測站進(jìn)行自動化觀測，并可與穿黃工程其他建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。

4.3 監(jiān)測信息化

不論是隧洞爆破、黃河大堤運(yùn)行維護(hù)或是穿黃工程運(yùn)行期監(jiān)測，都要求實(shí)現(xiàn)信息化。建立順暢、快捷的信息反饋渠道，及時、準(zhǔn)確地測定各監(jiān)測項(xiàng)目的變化量及變化速率，反饋的監(jiān)測信息可以供設(shè)計、施工及工程管理技術(shù)人員決策使用。

在黃河大堤安全監(jiān)測項(xiàng)目中，為實(shí)現(xiàn)對隧洞爆破工程的有效監(jiān)控、維護(hù)大堤運(yùn)行安全和保證監(jiān)測評價系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)和監(jiān)測信息的暢通，建管、設(shè)計、施工和監(jiān)理單位共同制定了監(jiān)測信息反饋方案，由參建單位主要技術(shù)負(fù)責(zé)人直接擔(dān)任監(jiān)測評價工作，使得監(jiān)測評價在業(yè)主項(xiàng)目的風(fēng)險管理中更有成效。

5 結(jié)語

南水北調(diào)工程是繼三峽工程后對我國未來經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的舉世矚目的宏偉工程。在東線穿黃建設(shè)歷史過程中，安全監(jiān)測雖然作為工程建設(shè)的重要組成部分，卻在工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。在工程管理中，保證建筑物能安全運(yùn)行和正常輸水，是關(guān)系到人民正常生產(chǎn)生活的大事。因此，掌握好穿黃建筑物安全性態(tài)，對工程實(shí)施安全監(jiān)測和評價，對于未來南水北調(diào)東線輸水工程具有重要意義。