安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在有壓隧洞工程中的實(shí)施方案

劉銳

摘 要：為了確保輸水隧洞工程安全、及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，除了對(duì)隧洞進(jìn)行加固、維護(hù)之外，對(duì)輸水隧洞工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估顯得十分重要。建立起隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧洞工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)以趨利避害，已經(jīng)成為現(xiàn)代隧洞工程發(fā)展的迫切要求。此外，隨著人們對(duì)工程施工過程和現(xiàn)役工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的重要認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及國家相關(guān)工程安全法規(guī)的實(shí)施，輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)得到了迅速發(fā)展，成為隧洞工程的一個(gè)重要研究課題。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)建模 有壓隧洞 信息光學(xué) 通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0035-02

1 隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建模

水利工程中的長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞不同于其他工程中的隧洞或隧道，有著自身的特點(diǎn)：即距離較長(zhǎng)，通常要達(dá)到在數(shù)十公里以上，輸水隧洞在投運(yùn)使用時(shí)，隧洞內(nèi)充盈通過的是有壓液態(tài)水。這些特點(diǎn)決定了隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧洞施工及運(yùn)營(yíng)期間實(shí)施難度較大。該文在介紹隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞施工及運(yùn)行其間的設(shè)計(jì)及實(shí)施。

1.1 建立隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義

隧洞結(jié)構(gòu)安全關(guān)系著施工人員的生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。多數(shù)隧洞所要經(jīng)過的路徑存在著地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不確定因素多的特點(diǎn)，容易發(fā)生由于地質(zhì)條件惡化、結(jié)構(gòu)損傷等原因造成的事故。嚴(yán)重威脅著隧洞的安全施工和正常運(yùn)營(yíng)。1999年2月27日紹興市小舜江輸水工程出水隧洞在開挖過程中出現(xiàn)洞頂塌方，28日塌方加劇，直至“冒頂”。影響工程整體施工進(jìn)度，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。2004年8月12日印度特里水電站的輸水隧洞在施工期間突然坍塌，造成至少28名施工人員死亡。2012年2月7日，日本岡山縣一家煉油廠為鋪設(shè)輸油管而挖掘的隧洞當(dāng)天發(fā)生塌方事故，造成正在施工的5名工人失蹤。諸多隧洞事故，以血的教訓(xùn)告訴世人，隧洞的穩(wěn)定直接關(guān)系到國家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全。

如何避免輸水隧洞施工及正常使用中時(shí)安全事故的發(fā)生，隧洞的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)無疑已經(jīng)成為輸水隧洞施工過程中以及后期安全運(yùn)行故障的重要手段。

1.2 傳統(tǒng)技術(shù)在工程中的應(yīng)用

隧洞工程中選擇的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：圍巖變形、收斂變形、頂拱下沉、圍巖應(yīng)力、隧洞內(nèi)外水壓力、水位、鋼筋應(yīng)力、砼應(yīng)力應(yīng)變、裂縫及滲漏情況等。所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備有高精度全站儀、收斂計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、壓力盒、頻率計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)、頻率計(jì)等。

1.3 新技術(shù)在輸水洞隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

光纖傳感器具有防水、抗腐蝕、抗電磁干擾性強(qiáng)、耐久性長(zhǎng)、輕便等特點(diǎn)，光纖傳感器體積小、重量輕，易于野外工程安裝，將其植入監(jiān)測(cè)對(duì)象中不存在匹配的問題，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的性能和力學(xué)參數(shù)等影響較小。光纖傳感技術(shù)具有分布式，長(zhǎng)距離、抗干擾性強(qiáng)和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸成為隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的重要手段和隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究新方向。

1.4 隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建模組成

隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括4個(gè)系統(tǒng)，即：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作。其典型構(gòu)成如圖1所示。

傳感器系統(tǒng)是與隧道直接接觸，掌握隧道動(dòng)態(tài)信息最關(guān)鍵的部分之一。通過監(jiān)控測(cè)量，可以了解和掌握隧道的大部分信息，如隧道的圍巖收力和變形狀態(tài)等，由于各種隧道的情況不同，所以傳感器系統(tǒng)內(nèi)部組成也不同。

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)可采用無線通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)的代表為GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)在線，系統(tǒng)無延時(shí)的特點(diǎn)，很好地滿足了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求；GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可應(yīng)用在輸水隧洞施工期間。此時(shí)隧洞還未通水，GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將隧洞安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。可以很好的完成輸水隧洞施工期間的隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型的方案實(shí)施

2.1 隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定

開鑿長(zhǎng)距離輸水隧洞時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定影響較大的斷層或是破碎帶。為保證隧洞工程的正常施工以及運(yùn)營(yíng)的安全，需根據(jù)斷層、破碎帶的影響帶的寬幅，集中設(shè)置安全檢測(cè)傳感器，采集該段隧洞巖層數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。該段隧洞的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可作為整個(gè)隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。目前，一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)涵蓋范圍最大可達(dá)幾公里。圖2為1個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置圖。

采用掘進(jìn)機(jī)施工法時(shí)，首先需要在選定地點(diǎn)開鑿支洞，當(dāng)支洞深度達(dá)到主隧洞高程后，縱向拓寬空間，形成掘進(jìn)機(jī)安裝洞室，為掘進(jìn)機(jī)安裝與調(diào)試拓展空間（見圖3）。由于支洞和掘進(jìn)機(jī)安裝洞室的開挖只能采用傳統(tǒng)的爆鉆法，易造成周圍巖系的松動(dòng)和變形，所以支洞及掘進(jìn)機(jī)安裝洞室應(yīng)作為隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)系統(tǒng)的1個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

支洞附近具有電源可靠且選取方便，可利用的空間較大的特點(diǎn)，可將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需配電的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及通信傳輸設(shè)備布置在支洞里。

2.2 隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)系統(tǒng)的管線敷設(shè)

2.2.1 管線沿輸水隧洞的縱向敷設(shè)

根據(jù)輸水隧洞的橫剖結(jié)構(gòu)圖。隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸線纜及現(xiàn)地監(jiān)測(cè)單元工作電源線纜宜預(yù)先埋設(shè)在輸水隧洞內(nèi)側(cè)，即隧洞管片和隧洞巖石壁之間的注漿及鋼筋防護(hù)層。

2.2.2 特殊節(jié)點(diǎn)管線敷設(shè)

當(dāng)隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定在兩支洞之間時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)就地監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電電源難以解決的問題。以某工程輸水隧洞為例，當(dāng)隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)在以鉆爆法施工的隧洞中間段時(shí)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)距離兩邊支洞口均有10 km左右。如采用有源監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備時(shí)電源可取自某支洞口，由于距離較遠(yuǎn)（10 km左右）則需要選配變電設(shè)備。受輸水隧洞結(jié)構(gòu)及功能所限，對(duì)所選設(shè)備的體積及安全使用壽命要求極其嚴(yán)格，還需在隧洞一側(cè)開鑿耳室放置上述設(shè)備。輸水隧洞投入使用后，該耳室還需要進(jìn)行密封防水處理。另一種方案是采用布里淵散射系統(tǒng)光纖傳感器，傳感測(cè)試距離可以達(dá)到幾十公里，但受其工作原理所限，該傳感器功能相對(duì)單一，并不能滿足隧洞結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)系統(tǒng)所需的全部數(shù)據(jù)的采集。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)有越來越多的新產(chǎn)品和新技術(shù)應(yīng)用到輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全系統(tǒng)中來，為水利工程中的輸水隧洞順利安全施工及運(yùn)營(yíng)提供更加準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)測(cè)和分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 張青青，胡明，王雅莉.城門洞斷面有壓隧洞流速分布的數(shù)值模擬[J].水利水電科技進(jìn)展，2014（2）：16-21.

[2] 李紅英，羅永欽.工模型多條有壓隧洞聯(lián)合泄流糙率校正方法[J].水利水電科技進(jìn)展，2011（6）：14-15，34.

[3] 張有天.論有壓水工隧洞最小覆蓋厚度[J].水利學(xué)報(bào)，2002（9）：1-5，13.endprint