南水北調(diào)穿黃河隧洞工程混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控指標(biāo)淺析

劉曉娜，肖俊和，任澤儉

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

南水北調(diào)東線一期山東段工程是國(guó)家性的戰(zhàn)略基礎(chǔ)工程，主要建筑物是穿黃河隧洞。工程運(yùn)行6 a來(lái)，在安全監(jiān)測(cè)方面積累了豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)建筑物工程特點(diǎn)、運(yùn)行性態(tài)，分析實(shí)測(cè)資料的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，結(jié)合特征值及時(shí)空規(guī)律分析，研究確定監(jiān)控指標(biāo)，以達(dá)到實(shí)際運(yùn)用時(shí)能及時(shí)發(fā)揮預(yù)警預(yù)報(bào)的目的[1]。本文選取穿黃河隧洞洞身為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析混凝土應(yīng)力應(yīng)變時(shí)空變化規(guī)律和特點(diǎn)，確定監(jiān)控指標(biāo)[2-4]，為類(lèi)似工程安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)擬定提供借鑒。

1 工程概況

穿黃河工程是南水北調(diào)東線的關(guān)鍵性、控制性項(xiàng)目，位于山東省東平和東阿兩縣境內(nèi)、黃河下游中段，工程等別Ⅰ等。工程從東平湖引水，經(jīng)南岸輸水干渠、穿黃河隧洞、北岸穿引黃渠埋涵，至魯北輸水干渠，總長(zhǎng)16.89 km[5]。

穿黃河隧洞工程于2008年3月1日正式開(kāi)工建設(shè)，2012 年8 月底前完成全部主體工程建設(shè)任務(wù)，2013 年 6 月 10 日試通水，2013 年 11 月 15 日正式通水，至今已安全運(yùn)行近6 a。

2 安全監(jiān)測(cè)資料分析

穿黃河隧洞在河底寒武系灰?guī)r中開(kāi)挖，洞身包括南岸豎井、過(guò)河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管，總長(zhǎng)585.38 m。隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為圓形斷面，內(nèi)徑7.50 m，全洞固結(jié)灌漿。洞身共布設(shè)4個(gè)永久監(jiān)測(cè)斷面，A-A 斷面用于施工期監(jiān)測(cè)，位于隧洞垂直豎井段；在隧洞斜井段布置B-B、C-C、D-D 3個(gè)斷面，分別設(shè)在地質(zhì)條件較差的F12、F11、F3斷層破碎帶處。同時(shí)，分別在隧洞頂部、底部及兩側(cè)位置布置4支環(huán)向應(yīng)變計(jì)，在隧洞底拱45°位置設(shè)1支無(wú)應(yīng)力計(jì)。兩者測(cè)值相減即得到混凝土的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變值，本文以B-B 監(jiān)測(cè)斷面為例分析穿黃河隧洞洞身混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控指標(biāo)的確定。

2.1 應(yīng)變特征值分析

B-B 斷面無(wú)應(yīng)力計(jì)T-N201 的數(shù)據(jù)在2018 年3月15日出現(xiàn)180 με的驟減，后期也未有恢復(fù)。通常來(lái)說(shuō)，2～3 a以后混凝土的無(wú)應(yīng)力應(yīng)變基本穩(wěn)定，該段突跳數(shù)據(jù)視為異常。受無(wú)應(yīng)力計(jì)影響，B-B 斷面應(yīng)變計(jì)自2018 年3 月15 日之后的數(shù)據(jù)均不參與統(tǒng)計(jì)。穿黃河隧洞洞身B-B 斷面混凝土應(yīng)變特征值，詳見(jiàn)表1。由表1可知，B-B斷面右側(cè)混凝土以受壓為主，壓應(yīng)變?cè)?50 με 以?xún)?nèi)；左側(cè)混凝土最大拉應(yīng)變 106.24 με（2017 年 7 月 14 日）；底部 T-S203 處應(yīng)變值最小至991.91 με，最大達(dá)2 664.02 με，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)儀器量程，測(cè)值不可信。

2.2 應(yīng)變時(shí)空規(guī)律分析

與鋼筋應(yīng)力變化規(guī)律類(lèi)似，隧洞襯砌混凝土應(yīng)變?cè)谡{(diào)水年度內(nèi)的變幅明顯大于未調(diào)水年度。局部混凝土在2018年3月15日出現(xiàn)明顯受拉現(xiàn)象，應(yīng)變測(cè)值遠(yuǎn)高于歷史同期水平，這一點(diǎn)與鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果一致。B-B斷面總應(yīng)變?cè)谠摃r(shí)段明顯受拉，出現(xiàn)臺(tái)階式突增，且與前期整體水平存在明顯差異。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2018年3月1—15日，在本年度調(diào)水之前，洞內(nèi)各支應(yīng)變計(jì)的溫度測(cè)值均出現(xiàn)了2℃以上的升高。溫度普遍升高、應(yīng)變突增和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果互相印證，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)隧洞確實(shí)經(jīng)歷了某種荷載，導(dǎo)致襯砌應(yīng)力發(fā)生改變。

表1 穿黃河隧洞洞身B-B斷面混凝土應(yīng)變特征值統(tǒng)計(jì)

3 監(jiān)控指標(biāo)確定

隧洞混凝土應(yīng)力應(yīng)變與環(huán)境量相關(guān)性不大，在2018年3月15日也有多處出現(xiàn)明顯受拉現(xiàn)象，與鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果一致。穿黃河隧洞工程設(shè)計(jì)報(bào)告中，襯砌按限裂設(shè)計(jì)，允許裂縫寬度為0.2 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，未見(jiàn)混凝土應(yīng)力應(yīng)變?cè)试S值要求。但從實(shí)際預(yù)警應(yīng)用角度出發(fā)，參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，C25強(qiáng)度等級(jí)混凝土的彈性模量為2.80×104N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.78 N/mm2，依此計(jì)算出混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變約為64 με。因此，針對(duì)隧洞洞身混凝土應(yīng)力應(yīng)變，其監(jiān)控指標(biāo)統(tǒng)一設(shè)為64 με。

4 結(jié)論

南水北調(diào)東線穿黃河隧洞工程安全性關(guān)系整個(gè)工程供水系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著通水運(yùn)行后混凝土應(yīng)力應(yīng)變工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，確定監(jiān)控指標(biāo)，提高評(píng)估和預(yù)測(cè)抵御可能發(fā)生荷載的能力，發(fā)揮預(yù)警預(yù)報(bào)的作用，對(duì)維護(hù)工程安全穩(wěn)定具有重要意義。