南水北調中線穿黃隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

靳瑋濤

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院，西安 710043)

文章編號：1006—2610(2015)01—0096—03

南水北調中線穿黃隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

靳瑋濤

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院，西安 710043)

以隧洞充水試驗為案例，分析了隧洞在充水期間的安全監(jiān)測情況。針對監(jiān)測儀器引線較多的實際情況提出了水下集線器的解決辦法；針對環(huán)形錨索結構特點，設計出了新型薄壁式矩形錨索測力計，適用于隧洞及其他環(huán)形結構物的預應力錨索荷載的測量。

南水北調;穿黃隧洞;安全監(jiān)測;下水集線器

穿黃工程——大型水工隧洞是南水北調中線工程的關鍵性、控制性項目，采用盾構法在黃河底軟土地層中穿越，此雙層復合式襯砌形式為中國首例，結構新穎，工藝復雜，備受專家們關注。鑒于穿黃隧洞在施工期和運行期的安全狀況引人注目，為保障工程安全，使隧洞設計、施工更合理，提升創(chuàng)新結構的技術和理論水平，確保工程安全順利實施及安全運行，并隨時了解隧洞的安全狀況，需設置一套合理、可行、先進、高效、適用的工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，而工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立，又必須有一套科學的設計方案，因此需對穿黃工程安全監(jiān)測系統(tǒng)作深入系統(tǒng)的研究。

1 工程概況

穿黃工程包括南岸明渠、穿黃隧洞和北岸明渠等單位工程，線路總長19.3 km，設計流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。穿黃隧洞總長4.25 km，包括邙山隧洞段0.8 km和過河隧洞段3.45 km。穿黃隧洞工程采用雙洞平行布置，雙洞中心線距離28 m。隧洞掘進采用泥水平衡盾構法施工，開挖直徑9.03 m。隧洞采用內外雙層襯砌結構，外襯采用C50鋼筋混凝土預制管片拼裝而成，管片外徑8.7 m，內徑7.9 m，管片厚度40 cm，管片環(huán)寬1.60 m，采用7等分管片分塊形式。內襯為后張法有粘結預應力混凝土結構，C40W12F200預應力混凝土，襯砌厚度45 cm，標準分段長度9.6 m，分段接縫采用紫銅片止水，底板設3.1 m寬平臺。預應力錨索間距為45 cm，每束由12根預應力鋼絞線集束而成。隧洞共分為460段。內外襯之間設有1層兩布一格柵排水墊層，每間隔4.8 m設排水花管，將滲水引排到底板預埋的3根集中排水管道，并通過北岸豎井抽排到北岸出口建筑物。

2 安全監(jiān)測難點

隧洞內監(jiān)測項目較多，配套較齊全，累計各種安全監(jiān)測儀器總數(shù)1 275支，主要布置于隧洞的進出口段、地層變化洞段、主河槽洞段和北漫灘洞段，所有儀器的電纜都需分別牽引到隧洞進出口的地面監(jiān)測站內，這樣將在洞口段出現(xiàn)電纜較集中，電纜總截面面積較大，不僅導致引線施工麻煩等施工問題，而且單根電纜引線較長(最長引線從測點至觀測站處長約2.6 km，而且電纜將長期浸泡在水中)，要將如此眾多的電纜在有限的空間內分別牽引到隧洞的進口，并確保安全、準確地傳輸監(jiān)測信息，關系到能否實現(xiàn)有效的安全監(jiān)控?，F(xiàn)將穿黃隧洞安全監(jiān)測技術重點和難點歸納如下：① 各測點實現(xiàn)自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理與分析；② 工程安全輔助決策支持系統(tǒng)的建立；③ 運行期各儀器、電纜接頭在水中運行的可靠性；④ 施工期各電纜接頭牽引強度及防水技術；⑤ 由于在薄壁預應力襯砌內布置及引出儀器與電纜，需考慮如何減少對襯砌結構的削弱；⑥ 儀器現(xiàn)場埋設與保護，需保證提高儀器的完好率。

3 主要監(jiān)測儀器

上游過河段隧洞139個監(jiān)測斷面，邙山段4個監(jiān)測斷面，共計143個監(jiān)測斷面；下游過河段隧洞80個監(jiān)測斷面，邙山段2個監(jiān)測斷面，共計82個監(jiān)測斷面。

上游隧洞有內觀儀器800支、外觀測點405個，下游隧洞有內觀儀器475支、外觀測點391個，詳見表1。其中有580支儀器電纜已引入隧洞進口建筑物觀測房；有695支儀器電纜已引入隧洞出口建筑物觀測房。

表1 穿黃隧洞內外觀測點清單表

主要監(jiān)測項目:隧洞滲水壓力監(jiān)測(滲壓計)、隧洞接縫變形監(jiān)測(測縫計) 、隧洞沉降監(jiān)測(垂直位移測點) 、隧洞收斂變形監(jiān)測(收斂測點) 、混凝土應力應變監(jiān)測(鋼筋計、應變計) 、隧洞外土壓力監(jiān)測(土壓力計) 、隧洞環(huán)錨錨固力監(jiān)測(錨索測力計) 。

4 隧洞數(shù)據(jù)采集電纜牽引方式優(yōu)化

4.1 水下集線器的提出

原設計階段對安裝在隧洞內的各監(jiān)測儀器均將其電纜從洞內埋設位置直接引出南岸或北岸洞口，這樣將在洞口段出現(xiàn)電纜較集中，電纜總截面面積較大，導致引線施工麻煩等施工問題。其后，為解決此類問題，采取水下集線器的接線方式，即以洞內12支儀器為1組，每支儀器為4芯電纜，將其電纜接入洞內水下集線器輸入端，集線器輸出端為18芯總線電纜，集線器內電纜均是芯對芯連接，其輸入端和輸出端電纜芯線數(shù)一樣，并一一對應，總線電纜通過襯砌底部排水管引出洞口。

4.2 水下集線器優(yōu)化目標

(1) 耐高壓，防水密封效果好，結構簡單牢固，連接安裝方便，可直接安設在水下工作，可增強監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和抗拉強度。

(2) 減少電纜的根數(shù)和總截面積，在減少工程造價的同時還應保證監(jiān)測儀器的正常施工和運行。

(3) 體積小，占用空間少，便于現(xiàn)場安裝和長期運行，應特別適用于在水利工程范圍使用。

4.3 水下集線器結構優(yōu)化

圖1 水下集線器圖

優(yōu)化后的水下集線器結構詳見圖1，包括圓筒形的PVC集線器外殼，在集線器外殼的一端安設有輸入端蓋，集線器外殼與輸入端蓋配接處及4芯電纜穿芯卡套與輸入端蓋之間均用密封粘合劑進行密封粘合，輸入端蓋上設置有4芯電纜穿芯卡套，4芯電纜穿芯卡套的數(shù)量是12個，沿輸入端蓋端面周向布設；在集線器外殼的另一端安設有輸出端蓋，集線器外殼與輸出端蓋配接處及18芯電纜穿芯卡套與輸出端蓋之間均用密封粘合劑進行密封粘合，輸出端蓋上設置有多芯電纜穿芯卡套，l8芯電纜穿芯卡套設置1個，安設在輸出端蓋的端面，電纜芯數(shù)為18。集線器外殼上與輸入端蓋、輸出端蓋配合處在圓周方向上分別均勻分布的設置有4個沉頭螺釘。輸入(出)端蓋與4芯和18芯電纜穿芯卡套均是絲口連接并用環(huán)氧貼合。集線器外殼輸入端蓋輸出端蓋4芯電纜穿芯卡套、18芯電纜穿芯卡套均是用PVC材料制成。

4.4 接線方式優(yōu)化

集線器電纜接線時，其中8支傳感器接入2芯(不測溫)，另4支傳感器接入4芯(測溫)，輸出電纜為18芯。所有電纜芯線的連接均采用對接，使用熱縮管絕緣。 接線如圖2所示。

圖2 18芯電纜接線圖

4.5 優(yōu)化后電纜牽引方案

穿黃隧洞監(jiān)測儀器電纜的牽引以隧洞中間為分界線，將隧洞分為2個區(qū)，以北的稱為北洞段，以南的稱為南洞段。北洞段所有儀器電纜均向出口方向牽引，南洞段所有儀器電纜均向進口方向牽引。在各洞段，當各監(jiān)測斷面儀器隨混凝土襯砌埋設安裝完后，將其電纜順襯砌環(huán)向鋼筋引至隧洞底部，并從底部混凝土中就近引至監(jiān)測孔內。當隧洞內襯施工全線基本貫通時，再將各監(jiān)測孔內的電纜通過專用水下集線器接上18芯電纜，在隧洞底部排水管內穿引電纜，直至引出隧洞出口或進口。

5 薄壁式矩形環(huán)錨測力計專利

隨著中國經濟社會的快速發(fā)展，用于各土建工程的環(huán)形預應力結構日益增多，這些環(huán)形結構在工程中采用預應力錨索加固時，為了觀測預應力錨固效果和預應力荷載的形成與變化，需采用錨索測力計進行監(jiān)測。一般常用的錨索測力計為圓筒形錨索測力計。

穿黃隧洞內襯采用現(xiàn)澆預應力混凝土結構，其特點為預應力噸位大、錨索密、施工空間小、安全要求高、為隱蔽工程等。由于穿黃工程輸水隧洞的受力情況在施工期和運行期需要長期監(jiān)測，而目前國內外尚無適應本工程高密度、小空間的預應力測量裝置，針對其內襯混凝土環(huán)錨結構的特點，長江水利委員會設計院專門設計了一種適應其監(jiān)測要求的薄壁式矩形環(huán)錨測力計(專利號：L2008 20190687.X),外觀見圖3。該測力計已成功在穿黃隧洞內襯1∶1預應力混凝土環(huán)張拉錨固模型試驗中應用。

圖3 薄壁式矩形錨索測力計圖

該模型縱向長9. 6 m，內襯預應力采用環(huán)錨(HM)預應力系統(tǒng)，單束錨索由12根鋼絞線集束組成，錨索間距45 cm，借助弧形墊座將錨索導出預留槽外，只用1臺千斤頂實現(xiàn)無臺座張拉。其中，薄壁式矩形環(huán)錨測力計安裝在工作錨板與專用工具錨板之間。薄壁式矩形環(huán)錨測力計特別適用于隧洞及其他環(huán)形結構物的預應力錨索荷載的測量。

6 隧洞充水試驗期間的安全監(jiān)測

從隧洞已安裝埋設的滲壓計、測縫計、鋼筋計、應變計等儀器充水期的觀測數(shù)據(jù)成果分析來看，各儀器測值變化量和變化速率均較小。

(1) 隧洞典型斷面鋼筋計測值變化量均小于10 MPa 。

(2) 隧洞典型斷面應變計測值變化量均小于100 με。

(3) 隧洞典型斷面測縫計變化量均小于0.4 mm(外襯管片與內襯之間)。

(4) 隧洞其余部位測縫計變化量均小于2 mm(縱向水流方向內襯之間接縫)。

(5) 上游隧洞滲壓計在85 m高程水位時最大測值51.08 kPa。

(6) 下游隧洞滲壓計在85 m高程水位時最大測值60.99 kPa。

總之，各儀器測值變化量和變化速率均較小，儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實反應出隧洞的實際受力及變形狀態(tài)，符合實際規(guī)律，隧洞結構穩(wěn)定。下一步將繼續(xù)嚴格按照觀測頻次和觀測技術要求完成隧洞二次充水試驗期間的各項安全監(jiān)測工作。

7 結 語

通過對南水北調中線穿貫黃工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的深入研究，針對安全監(jiān)測技術重點和難點，提出了水下集線器和薄壁式矩形環(huán)錨測力計等項新技術和新方法。各儀器經隧洞充水試驗期間的安全監(jiān)測運行正常。本研究成果希望對其它類似工程安全監(jiān)測項目具有指導意義。

[1] 王德厚.水利水電工程安全監(jiān)測理論與實踐[M].武漢：長江出版社,2007.

[2] 二灘水電開發(fā)有限責任公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京：中國水利水電出版社,2008.

[3] 楊曉平.工程監(jiān)測技術及應用[M].北京：中國電力出版社,2007.

[4] 吳世勇,陳建康,鄧建輝.水電工程安全監(jiān)測與管理[M].北京：中國水利水電出版社,2009.

[5] 郝長江.水電工程安全監(jiān)測設計研究與實踐[M].武漢：長江出版社,2009.

[6] 趙志仁.大壩安全監(jiān)測設計[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.

[7] 高煥煥，張雷，何新紅.長引水隧洞安全監(jiān)測設計關鍵技術初探[J].西北水電，2011，(S1):5-7.

Study on Design of Safety Monitoring System for Tunnel Passing Under the Yellow River,Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

JIN Wei-tao

(Engineering Experiment and Inspection Institute, POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710043, China)

With the case of the tunnel to be filled with water, the safety monitoring of the tunnel during the water filling is analyzed. Because there are lots of leads from the monitoring instruments, collector under water is proposed. Aiming at the characteristics of the ring anchor cable, the new thin-wall rectangular dynamometer for the anchor cable is designed, which is suitable for metering the prestressed anchor-cable load in tunnels and other ring structures.

south-to-north water diversion; tunnel passing under the Yellow River; safety inspection; collector under water

2014-05-03

靳瑋濤(1983- )，男，西安市人，工程師，注冊一級建造師，主要從事水利水電安全監(jiān)測工作.

U456.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.025