盾構(gòu)輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計(jì)方案探討

李敏華

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

廣東屬于熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量較充沛,雨熱同期,但水資源逐年減少,且存在水資源分布不均、開發(fā)利用不平衡、應(yīng)急備用水源不足等問題,部分地區(qū)缺水嚴(yán)重。根據(jù)2021 年廣東省水資源公報(bào),全省水資源比2020 年減少24.9%,比常年偏少33.7%,水資源日益短缺,通過引調(diào)水工程配置水資源,提高水資源的利用率尤為迫切。隨著引調(diào)水工程的興起,盾構(gòu)輸水隧洞的安全監(jiān)測是工程安全運(yùn)行的重要部分,本文主要探討了環(huán)北部灣水資源配置工程某盾構(gòu)隧洞段的永久監(jiān)測方案,為同類工程監(jiān)測設(shè)計(jì)提供參考。

1 盾構(gòu)隧洞的特點(diǎn)及監(jiān)測設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)

1.1 盾構(gòu)隧洞的特點(diǎn)

盾構(gòu)隧洞是采用盾構(gòu)法掘進(jìn)并拼裝預(yù)制管片襯砌的隧洞。盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法[1],在鋼殼體保護(hù)下完成隧道掘進(jìn)、出渣、管片拼裝等作業(yè),采用機(jī)械為由主機(jī)和后配套設(shè)備組成的全斷面推進(jìn)式隧道施工機(jī)械設(shè)備。

盾構(gòu)法施工具有施工效率高、對圍巖擾動小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),適合長距離隧道建設(shè),主要缺點(diǎn)是遇復(fù)雜地質(zhì)需做超前處理或輔以鉆爆法開挖,二次襯砌與掘進(jìn)無法同時施工,施工周期較長。

1.2 安全監(jiān)測的技術(shù)難點(diǎn)

安全監(jiān)測的主要目的是：通過儀器監(jiān)測和巡視檢查等手段來了解和掌握建筑物的工作狀態(tài),以便綜合分析建筑物的安全狀況；根據(jù)監(jiān)測資料對建筑物的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析,用以檢驗(yàn)施工質(zhì)量和驗(yàn)證設(shè)計(jì),為提高設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行水平提供科學(xué)依據(jù)。

由于盾構(gòu)輸水隧洞采用全機(jī)械化掘進(jìn)的施工方式,在掘進(jìn)的同時拼接安裝襯砌管片塊,隧洞結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鉆爆法隧洞迥然不同,盾構(gòu)隧洞監(jiān)測儀器安裝的工作空間、時間及埋設(shè)條件等十分有限,如何根據(jù)盾構(gòu)隧洞的結(jié)構(gòu)、施工方法及地形地質(zhì)等條件確定安全監(jiān)測項(xiàng)目、布置及監(jiān)測儀器的安裝方法是盾構(gòu)輸水隧洞安全監(jiān)測的主要技術(shù)難點(diǎn)。

2 盾構(gòu)輸水隧洞監(jiān)測設(shè)計(jì)方案

2.1 工程概況

環(huán)北部灣水資源配置工程某盾構(gòu)隧洞段的盾構(gòu)隧洞級別為2 級。盾構(gòu)隧洞長約10 km,起于庫區(qū)取水口,經(jīng)長約7.7 km的盾構(gòu)隧洞,后銜接約3.7 km 的PCCP 管道,管道后接約2.4 km的盾構(gòu)隧洞,輸水至泵站進(jìn)水前池。盾構(gòu)輸水隧洞外襯采用預(yù)制鋼筋混凝土管片,外徑為5.8 m,內(nèi)徑5.2 m,襯砌管片厚0.3 m,襯砌環(huán)寬1.5 m,襯砌管片通過螺栓連接；內(nèi)襯采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚0.4 m；輸水隧洞內(nèi)徑為4.6 m,隧洞最大埋深約280 m。該段引水線路盾構(gòu)隧洞所經(jīng)不良地質(zhì)情況主要有斷層、節(jié)理、溶洞段、富水段等。

2.2 監(jiān)測項(xiàng)目的選擇

環(huán)北部灣水資源配置工程某盾構(gòu)隧洞為管片+鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu),隧洞整體主要承受豎向及側(cè)向土壓力、豎向及側(cè)向水壓力、地層水平抗力、豎向地層反力、上覆荷載、內(nèi)水壓力、自重等荷載,盾構(gòu)隧洞運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)安全主要通過混凝土的承載力安全系數(shù)、抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)、裂縫寬度、接縫張開量、螺栓抗拉允許應(yīng)力、收斂變形量等指標(biāo)判別（見表1）,相應(yīng)需掌握隧洞實(shí)際土壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、外水壓力、接縫開合度、螺栓應(yīng)力、隧洞收斂等情況,通過儀器監(jiān)測及巡視檢查實(shí)現(xiàn)監(jiān)測[2]。

表1 盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)值

綜合考慮以上因素,并根據(jù)規(guī)范要求,確定儀器監(jiān)測項(xiàng)目為：圍巖收斂變形、襯砌管片接縫開合度、隧洞外水壓力、隧洞襯砌的滲透壓力、隧洞承受的土壓力（界面壓力）、盾構(gòu)隧洞及內(nèi)層襯砌的鋼筋應(yīng)力及混凝土應(yīng)力應(yīng)變等項(xiàng)目。

2.3 監(jiān)測儀器型式的選擇

巖土工程監(jiān)測儀器主要有傳統(tǒng)的電測類傳感器（振弦式/差阻式等）及新型的光纖傳感器（光纖光柵傳感器/分布式光纖等）。電測傳感器的主要特點(diǎn)是：應(yīng)用廣泛,技術(shù)成熟,監(jiān)測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)性好,但信號傳輸距離較短,僅實(shí)現(xiàn)局部定點(diǎn)測量,存在零點(diǎn)漂移的問題,對電纜絕緣有較高的要求。光纖傳感器的主要特點(diǎn)是：測量范圍廣,可實(shí)現(xiàn)隧洞的全程監(jiān)測,無絕緣要求,信號傳輸距離長,不受電磁干擾,全程光纖鋪設(shè)對施工進(jìn)度影響較大,維護(hù)工作量較大,施工和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要求較高[3],易損壞,光纖解調(diào)時間較長,精度受溫度、解調(diào)儀、安裝工藝等因素影響,存在零點(diǎn)漂移等問題[4]。

由于隧洞監(jiān)測斷面與測站（設(shè)于盾構(gòu)井）的距離為1000 m左右,傳統(tǒng)電測傳感器信號傳輸距離能滿足要求。鑒于盾構(gòu)隧洞設(shè)計(jì)使用年限為100年,考慮監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性、可靠性、施工與運(yùn)維難度以及經(jīng)濟(jì)性原則,監(jiān)測儀器采用傳統(tǒng)電測傳感器。

2.4 監(jiān)測布置方案

為掌握盾構(gòu)輸水隧洞在運(yùn)行期的安全性態(tài),為輸水隧洞的安全運(yùn)行提供依據(jù),根據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)及布置、地形地質(zhì)條件,選取不良地質(zhì)洞段、深埋段、淺埋段及過鐵路、公路段等重點(diǎn)或關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測斷面進(jìn)行儀器監(jiān)測,共設(shè)置10 個監(jiān)測斷面,并對隧洞進(jìn)行巡視檢查。

2.4.1 圍巖變形監(jiān)測

在每個監(jiān)測斷面各布置3 個收斂測點(diǎn),采用收斂計(jì)或全站儀進(jìn)行監(jiān)測,用于監(jiān)測圍巖收斂情況。監(jiān)測精度不低于±2 mm。

2.4.2 接縫開合度監(jiān)測

在每個監(jiān)測斷面環(huán)向管片接縫處布置6 支測縫計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞盾構(gòu)管片之間環(huán)向接縫的開合狀態(tài)。測縫計(jì)監(jiān)測精度不低于±0.2 mm。

2.4.3 滲流監(jiān)測

（1）外水壓力監(jiān)測

在每個監(jiān)測斷面盾構(gòu)管片外弧面頂部及腰部一側(cè)各布置1 支滲壓計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞承受的外水壓力情況。滲壓計(jì)精度不低于±0.5%F.S。

（2）滲透壓力監(jiān)測

在每個監(jiān)測斷面的盾構(gòu)管片內(nèi)表面底部和腰部一側(cè)各布置1 支滲壓計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞內(nèi)層襯砌的滲透水壓力變化情況。滲壓計(jì)精度不低于±0.5%F.S。

2.4.4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

（1）應(yīng)力監(jiān)測。在每個監(jiān)測斷面盾構(gòu)管片外弧面頂部及腰部兩側(cè)位置各布置1 支土壓力計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞承受的壓應(yīng)力情況。土壓力計(jì)監(jiān)測分辨力不低于±0.05%F.S。

（2）鋼筋應(yīng)力監(jiān)測。在每個監(jiān)測斷面輸水隧洞的管片及混凝土內(nèi)襯頂部及腰部一側(cè)的環(huán)向鋼筋上各布置1 支鋼筋計(jì),在管片及混凝土內(nèi)襯頂部的縱向鋼筋各布置1 支鋼筋計(jì),每個斷面6 支鋼筋計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞管片及混凝土內(nèi)襯的鋼筋受力情況。鋼筋計(jì)監(jiān)測分辨力不低于±0.05%F.S。

（3）混凝土應(yīng)變監(jiān)測。在每個監(jiān)測斷面輸水隧洞混凝土內(nèi)襯的頂部、腰部一側(cè)的環(huán)向各布置1 支應(yīng)變計(jì),在內(nèi)襯的頂部縱向布設(shè)1 支應(yīng)變計(jì),每個監(jiān)測斷面3 支應(yīng)變計(jì),同時,在每個監(jiān)測斷面輸水隧洞混凝土內(nèi)襯底部布置1 支無應(yīng)力計(jì),用于監(jiān)測輸水隧洞混凝土內(nèi)襯的應(yīng)變情況。應(yīng)變計(jì)監(jiān)測分辨力不低于±0.15%F.S；無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測分辨力不低于±0.05%F.S。

（4）螺栓應(yīng)力監(jiān)測。在每個監(jiān)測斷面6 支環(huán)向螺栓的外弧面的中間部位刻槽各布置1 支螺栓應(yīng)力計(jì),用于監(jiān)測盾構(gòu)襯砌管片螺栓的應(yīng)力狀態(tài)。

2.4.5 巡視檢查

巡視檢查主要檢查隧洞、進(jìn)出口建筑物等主要結(jié)構(gòu)有無混凝土碳化、鋼筋銹蝕、裂縫的開合/傾斜/錯動、結(jié)構(gòu)損傷、排水管堵塞、止水失效等情況；檢查邊坡有無塌陷、裂縫、滲漏、破損等情況；檢查監(jiān)測設(shè)施、電氣設(shè)備等設(shè)施的工作情況。

2.4.6 儀器安裝埋設(shè)技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)盾構(gòu)隧洞的施工特點(diǎn)及施工要求,鋼筋混凝土管片對防水及裂縫有較為嚴(yán)格的要求（管片抗?jié)B等級不小于P10,裂縫寬度不得大于0.2 mm[5]）,監(jiān)測儀器傳統(tǒng)鉆孔法安裝對管片結(jié)構(gòu)破壞性大[6],不能滿足工程要求,考慮采用預(yù)埋或預(yù)制安裝套件的方式實(shí)現(xiàn)儀器的安裝,盾構(gòu)輸水隧洞監(jiān)測斷面見圖1。

圖1 盾構(gòu)輸水隧洞監(jiān)測斷面圖

（1）管片外側(cè)的土壓力計(jì)：在預(yù)制襯砌管片時預(yù)留凹槽安裝土壓力計(jì),土壓力計(jì)應(yīng)低于管片外弧面0.5 cm,儀器線纜應(yīng)沿鋼筋用尼龍?jiān)€綁扎好引至尾纜保護(hù)筒內(nèi)保護(hù),避免管片混凝土振搗時損壞儀器尾纜。

（2）管片外側(cè)的滲壓計(jì)：考慮管片安裝后的壁后注漿會損壞滲壓計(jì),在管片預(yù)制前根據(jù)滲壓計(jì)尺寸制作好滲壓計(jì)安裝不銹鋼套筒部件,在預(yù)制襯砌管片時預(yù)埋滲壓計(jì)不銹鋼套筒,用于襯砌管片拼接完成后安裝襯砌管片外側(cè)的滲壓計(jì)。滲壓計(jì)在管片壁后注漿完成后進(jìn)行安裝,滲壓計(jì)透水端應(yīng)穿過管片外弧面20 cm。滲壓計(jì)不銹鋼套筒和滲壓計(jì)安裝完成后應(yīng)做好封堵止水措施,確保封堵體能抵抗不低于0.5 MPa的水壓,管片外側(cè)滲壓計(jì)套筒見圖2。

圖2 管片外側(cè)滲壓計(jì)套筒示意圖

（3）鋼筋混凝土襯砌內(nèi)的鋼筋計(jì)需在鋼筋籠綁扎時對鋼筋計(jì)進(jìn)行焊接安裝,應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)宜在混凝土振搗后及時埋設(shè)。

（4）管片內(nèi)側(cè)的測縫計(jì)：測縫計(jì)應(yīng)垂直于管片接縫面安裝。在預(yù)制管片時,根據(jù)儀器安裝位置在兩塊相鄰管片之間預(yù)留凹槽,并預(yù)埋固定測縫計(jì)所需的錨桿,儀器安裝完成后不應(yīng)外凸。在管片拼裝完成后,對溝槽內(nèi)外露鋼筋進(jìn)行除銹及涂抹防腐層后再安裝測縫計(jì),并考慮采用保護(hù)盒對測縫計(jì)和尾纜進(jìn)行密封保護(hù),管片測縫計(jì)安裝示意圖見圖3。

圖3 管片測縫計(jì)安裝示意圖

（5）螺栓應(yīng)力計(jì)：確定擬安裝螺栓應(yīng)力計(jì)的螺栓,利用直螺栓進(jìn)行刻槽?？滩鄣牟蹆?nèi)保證光滑,嚴(yán)禁有楞刺等不規(guī)整槽型。在螺栓彎曲定型時保證刻槽位置處在彎曲的正上方,防止偏斜。在螺栓安裝前,在螺栓槽內(nèi)安裝螺栓應(yīng)力計(jì)和尾纜,螺栓應(yīng)力計(jì)安裝在螺紋端頭100 mm 處開始,不能超出牙型角底部,防止螺母擰緊時破壞引線。

（6）需對管片上預(yù)留的溝槽、開孔和鉚釘孔的混凝土結(jié)構(gòu)表面以及對安裝完成后的鉚釘表面進(jìn)行防腐防護(hù),并做好防水措施。

（7）在儀器安裝埋設(shè)時應(yīng)做好儀器和電纜的保護(hù),確保電纜絕緣。監(jiān)測儀器的檢驗(yàn)率定、安裝埋設(shè)、監(jiān)測資料采集分析和樞紐建筑物的巡視檢查應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2.5 監(jiān)測自動化及防雷接地

某工程監(jiān)測中心位于泵站處,在隧洞監(jiān)測斷面就近的盾構(gòu)井處設(shè)監(jiān)測站,監(jiān)測站采用太陽能電源供電,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過工程的通信光纜及無線傳輸模塊的方式傳輸至監(jiān)測中心,實(shí)現(xiàn)自動化采集。

隧洞監(jiān)測系統(tǒng)的防雷接地需注意做好數(shù)據(jù)采集裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)輸出以及電源等方面的防雷措施,對暴露在外需長距離信號傳輸?shù)碾娎|采用鋼管保護(hù),電纜保護(hù)鋼管及測站等應(yīng)接入地網(wǎng),接地電阻不大于10Ω。

3 結(jié)語

通過探討盾構(gòu)輸水隧洞永久安全監(jiān)測的項(xiàng)目選擇、方案布置及儀器安裝要點(diǎn)等內(nèi)容,提出一種盾構(gòu)隧洞安全監(jiān)測設(shè)計(jì)方案,為類似工程的監(jiān)測設(shè)計(jì)提供一些參考。