山西省中部引黃工程總干4號(hào)輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

崔 磊

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

山西省中部引黃工程總干4號(hào)輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

崔 磊1，2

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

山西省中部引黃工程總干4號(hào)輸水隧洞沿線高低起伏，穿越山川河流，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，為確保4號(hào)隧洞安全施工順利運(yùn)行，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范及以往的工程實(shí)例，選取最不利的監(jiān)測(cè)斷面，布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器。通過自動(dòng)化采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嗝娴母鞣N應(yīng)力變形，分析數(shù)據(jù)成果及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果。

輸水隧洞；監(jiān)測(cè)斷面；監(jiān)測(cè)儀器；安全監(jiān)測(cè)；中部引黃工程

1 概述

山西省中部引黃工程總干4號(hào)輸水隧洞樁號(hào)為總166+319.88—總200+217.14，隧洞始于離柳地下分水閘，洞線自離石區(qū)和中陽縣東部繞過煤礦井田范圍，在離石區(qū)田家會(huì)鎮(zhèn)地下42m穿過東川河，止于中陽縣東部邢家?guī)X東西干進(jìn)水閘處，全長(zhǎng)31.99km。4號(hào)隧洞洞線地面高低起伏很大，沿線穿越高山峽谷河流，地面高程1016～1415m，洞底埋深55～452m。洞線地質(zhì)情況極為復(fù)雜，局部巖溶地下水位位于洞底以上，洞段巖溶較發(fā)育，可能遇到溶洞，樁號(hào)197+300附近隧洞穿過Fc1逆斷層，處于斷層破碎帶及影響帶，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，圍巖工程地質(zhì)主要為Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類，局部有土洞段。

鑒于總干4號(hào)輸水隧洞沿線特殊的地質(zhì)條件，洞線設(shè)計(jì)縱坡1/2500～1/3000，其中總166+319.88—總168+475.3段縱坡為1/2500，總168+475.3—總200+ 217.14段縱坡為1/3000，進(jìn)口洞底高程964.88m，出口洞底高程954.07m，設(shè)計(jì)流量15.52m3/s。穿越東川河段采用馬蹄形斷面，頂拱內(nèi)緣為半徑2.0m的半圓弧，側(cè)墻及底板內(nèi)緣為半徑4.0m的半圓弧，洞身凈寬與凈高相等，均為4.0m，設(shè)計(jì)水深2.88m。巖洞段中地下水位較高的地段采用圓形斷面，洞徑4.1m，設(shè)計(jì)水深3.0m，其余均采用城門洞形斷面，巖洞段凈寬3.6m，凈高4.6m，直墻段高2.8m，設(shè)計(jì)水深2.83～3.04m，頂拱中心角180°，半徑1.80m。

總干4號(hào)輸水隧洞全部采用鉆爆法施工，為保證施工階段的順利實(shí)施以及建成后的安全運(yùn)行，對(duì)總干4號(hào)隧洞的安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過監(jiān)測(cè)各個(gè)最不利斷面，采用現(xiàn)代化的通信設(shè)備，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，以確保整個(gè)工程安全順暢，同時(shí)達(dá)到校核驗(yàn)證設(shè)計(jì)的目的。

2 隧洞安全監(jiān)測(cè)布置

總干4號(hào)輸水隧洞全長(zhǎng)31.99km，沿線共設(shè)置41號(hào)，42號(hào)，43號(hào)，44號(hào)，45號(hào)，46號(hào)，47號(hào)，48號(hào)，49號(hào)，50號(hào)和末端交通洞共計(jì)11條施工支洞。

根據(jù)隧洞沿線的工程地質(zhì)情況以及沿線所保留的永久施工支洞，經(jīng)綜合分析，最終在總干174+900，179+480，197+300以及交通洞0+050布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)站分別布設(shè)在43號(hào)，45號(hào)，50號(hào)施工支洞及交通洞洞口處。各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的監(jiān)測(cè)儀器通過四芯屏蔽雙絞電纜和八芯屏蔽雙絞電纜，經(jīng)由施工支洞與洞口處監(jiān)測(cè)站內(nèi)的自動(dòng)化測(cè)量單元MCU相連接。各監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)信息通過光纜匯集到各個(gè)監(jiān)測(cè)分站，最后并網(wǎng)到監(jiān)測(cè)總站，通過自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)輸水工程的安全運(yùn)行。為保證監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)暢通，并盡可能采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)站采用兩套供電系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)站周圍有可用的交流電源時(shí)，采用220V交流電供電；監(jiān)測(cè)站附近沒有可用交流電源或架設(shè)新的供電線路費(fèi)用太高時(shí)，采用48V太陽能供電。

3 隧洞監(jiān)測(cè)斷面布置

總干4號(hào)輸水隧洞監(jiān)測(cè)斷面主要選擇在局部地應(yīng)力較大，圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時(shí)間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞均可能發(fā)生的Ⅳ，Ⅴ類圍巖處；洞段巖溶較發(fā)育，隧洞外地下水位較高處；土洞、砂卵石混合土洞處；穿河且洞頂以上覆土較少處；穿斷層及斷層破碎帶處。

總干4號(hào)輸水隧洞共選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別設(shè)在總干174+900處，斷面形式為圓形，圍巖類別為Ⅴ類，且地下水位較高，位于洞頂以上約100m；總干179+480處，斷面形式為馬蹄型，洞底埋深較淺，隧洞周圍為卵石混合土，地下水位位于洞底以上，圍巖類別為Ⅴ類；總干197+300處，斷面形式為城門洞型，樁號(hào)197+300附近隧洞穿過Fc1逆斷層，處于斷層破碎帶及影響帶，圍巖類別為Ⅴ類。以上所選的監(jiān)測(cè)斷面可根據(jù)隧洞開挖后的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器布設(shè)

4.1 隧洞圍巖變形監(jiān)測(cè)

隧洞圍巖變形監(jiān)測(cè)包括圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)和圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)是指在隧洞施工期采用收斂計(jì)測(cè)量圍巖表面兩點(diǎn)在連線方向上的相對(duì)位移對(duì)隧洞內(nèi)部?jī)艨帐諗窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)。圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)是施工期圍巖穩(wěn)定的主要監(jiān)測(cè)方法?？偢?號(hào)輸水隧洞共有城門洞型、圓形、馬蹄型三種斷面形式，收斂測(cè)點(diǎn)和基線的布置原則上采用“5點(diǎn)6線式”，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧洞開挖實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)是指通過鉆孔在一定深度的圍巖內(nèi)部埋設(shè)觀測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)鉆孔軸向位移變化，常采用的監(jiān)測(cè)儀器為多點(diǎn)位移計(jì)。本次設(shè)計(jì)中，在每個(gè)永久監(jiān)測(cè)斷面的起拱線、頂拱處布設(shè)3支量程為6m的振弦式多點(diǎn)位移計(jì)，每支有3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4.2 隧洞圍巖壓力監(jiān)測(cè)

隧洞圍巖壓力監(jiān)測(cè)是在圍巖和襯砌之間埋設(shè)土壓力計(jì)測(cè)量作用在隧洞上的圍巖壓力和圍巖中的壓力分布。本次設(shè)計(jì)中分別在三種永久監(jiān)測(cè)斷面的起拱點(diǎn)、拱頂和底板中部布設(shè)3支振弦式土壓力計(jì)。

4.3 隧洞外水壓力監(jiān)測(cè)

隧洞外水壓力監(jiān)測(cè)是在隧洞圍巖內(nèi)鉆孔埋入滲壓計(jì)，測(cè)量外水壓力的大小。由于4號(hào)輸水隧洞為無壓隧洞，洞內(nèi)水頭不高，水壓力不大，故本次監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)主要考慮隧洞外水壓力，分別在地下水位位于洞頂以上以及埋深較淺的穿河處監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、起拱點(diǎn)和底板中部布設(shè)3支振弦式滲壓計(jì)。

4.4 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的接縫監(jiān)測(cè)

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的接縫監(jiān)測(cè)包括襯砌和圍巖之間的縫隙監(jiān)測(cè)和襯砌之間的伸縮縫監(jiān)測(cè)。襯砌和圍巖之間的縫隙監(jiān)測(cè)是指在隧洞襯砌和圍巖之間埋設(shè)測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)二者之間接觸面開合度。本次設(shè)計(jì)在三種永久監(jiān)測(cè)斷面的起拱點(diǎn)和拱頂分別布設(shè)3支振弦式單向測(cè)縫計(jì)。襯砌與襯砌之間的伸縮縫監(jiān)測(cè)是指在伸縮縫內(nèi)埋設(shè)雙向測(cè)縫計(jì)，測(cè)量伸縮縫的開合度。本次設(shè)計(jì)僅在馬蹄洞型監(jiān)測(cè)斷面前的巖土過渡段連續(xù)取10個(gè)伸縮縫，每縫洞頂設(shè)一組雙向（水平和垂直）測(cè)縫計(jì)。

4.5 隧洞圍巖支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

總干4號(hào)隧洞Ⅴ類圍巖支護(hù)措施主要采用頂拱側(cè)墻內(nèi)掛直徑8mm的鋼筋網(wǎng)，間距150mm×150mm，噴120mm厚的C20混凝土；頂拱范圍內(nèi)設(shè)直徑25mm的系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)2m，間排距1.0m，梅花型布置；頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2MPa；局部圍巖特別破碎或土洞段采用鋼拱架支護(hù)。綜合考慮各方面設(shè)計(jì)因素，本次設(shè)計(jì)中隧洞圍巖支護(hù)監(jiān)測(cè)僅考慮錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備采用振弦式錨桿應(yīng)力計(jì)，在巖洞監(jiān)測(cè)斷面的頂拱及其兩側(cè)選擇3根監(jiān)測(cè)錨桿布設(shè)3支錨桿應(yīng)力計(jì)，土洞監(jiān)測(cè)斷面沒有錨桿，不設(shè)錨桿應(yīng)力計(jì)。

總干4號(hào)隧洞為無壓輸水隧洞，采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，分別在鋼筋混凝土襯砌受拉部位和應(yīng)力集中部位布設(shè)鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)，同時(shí)布設(shè)無應(yīng)力計(jì)與應(yīng)變計(jì)配套使用。應(yīng)變計(jì)和鋼筋計(jì)均采用單向振弦式，在監(jiān)測(cè)斷面襯砌的頂拱、起拱點(diǎn)以及底板與邊墻的交點(diǎn)處，沿切線方向布設(shè)3支應(yīng)變計(jì)；在監(jiān)測(cè)斷面襯砌縱向受力筋的頂拱、起拱點(diǎn)以及邊墻與底板交點(diǎn)處的內(nèi)外側(cè)鋼筋上分別布設(shè)6支鋼筋計(jì)；在監(jiān)測(cè)斷面直墻中下部布設(shè)2支無應(yīng)力計(jì)，與應(yīng)變計(jì)配套使用。

5 隧洞監(jiān)測(cè)站分布及監(jiān)測(cè)儀器

總干4號(hào)隧洞共設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)站，分別位于43號(hào)，45號(hào)，50號(hào)施工支洞和交通洞洞口。監(jiān)測(cè)斷面分別為圓形、馬蹄型和城門洞型。監(jiān)測(cè)儀器總計(jì)為：多點(diǎn)位移計(jì)12支、土壓力計(jì)12支、滲壓計(jì)6支、測(cè)縫計(jì)32支、應(yīng)變計(jì)12支、錨桿應(yīng)力計(jì)9支、鋼筋計(jì)24支、無應(yīng)力計(jì)8支、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單元4臺(tái)。

6 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)除凈空收斂變形監(jiān)測(cè)為施工期臨時(shí)監(jiān)測(cè)，其他均為永久監(jiān)測(cè)，采用現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過分析自動(dòng)化采集系統(tǒng)收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確?？偢?號(hào)輸水隧洞及整個(gè)輸水工程的順利施工，同時(shí)為今后設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

TV698.1

C

1004-7042（2016）01-0042-02

崔磊（1989-），男，2012年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師。

2015-11-14；

2015-12-18