城市深埋隧洞安全監(jiān)測設(shè)計

黃永濤 鄭棟 李少林 杜澤快 張存慧

摘要：為保障城市深埋輸水隧洞施工期和運行期安全，對可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)報，對城市深埋輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計展開研究。針對羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程輸水距離長、隧洞埋深大、內(nèi)外水頭高的工程特點，并考慮到安全監(jiān)測儀器的先進(jìn)性和穩(wěn)定性，對城市深埋輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。結(jié)果表明：采用FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法，并結(jié)合光電復(fù)核傳感技術(shù)，可保證安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L期穩(wěn)定性、精確性和有效性。研究結(jié)果可為同類工程安全監(jiān)測設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； 安全監(jiān)測； 輸水工程； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.030

0引 言

為了解決水資源供需矛盾，保障城市用水安全，越來越多的城市輸水隧洞工程開始建設(shè)。輸水隧洞埋深較大、輸水線路長、內(nèi)外水壓力較大，一旦隧洞失事將對人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。為了保證輸水工程的安全，實現(xiàn)對施工期和運行期可能出現(xiàn)的安全隱患的及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)報，眾多學(xué)者對輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計展開了研究。張晏明［1］根據(jù)引灤工程的工程狀況，對比了鋼弦式、光纖式、電感式等多種監(jiān)測傳感器，確定了監(jiān)測斷面、監(jiān)測項目、內(nèi)容、儀器選型以及實現(xiàn)監(jiān)測自動化所采取的手段；杜澤快等［2］在充分考慮監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與監(jiān)測系統(tǒng)自動化的前提下，將適合信號長距離傳輸?shù)墓饫w儀器應(yīng)用于引大濟(jì)湟引水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計中；李峰等［3］以南水北調(diào)中線吳莊隧洞為例，對輸水隧洞的安全監(jiān)測設(shè)計原則、監(jiān)測項目以及布置進(jìn)行了總結(jié)；楊雙龍等［4］采用光纖光柵傳感新技術(shù)與電測儀器結(jié)合的監(jiān)測儀器布置方式，確保數(shù)據(jù)采集有效性，為長距離、有壓輸水隧洞的安全監(jiān)測設(shè)計提供了新思路。

城市深埋隧洞作為穿越城市建成區(qū)的一類特殊長距離輸水工程，一旦失事將造成嚴(yán)重的后果，因此保證工程的安全性特別重要。本文以深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅鐵工程”）為例，綜合考慮了該工程埋深大（城區(qū)段埋深大于50 m）、內(nèi)外水壓力較高、隧洞沿線地層巖性多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜以及采用TBM為主、鉆爆法為輔的施工手段的工程特點，結(jié)合光電復(fù)合傳感技術(shù)，將FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法應(yīng)用到羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計中，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定、有效、可靠，為城市深埋隧洞安全監(jiān)測設(shè)計提供了一種新的設(shè)計思路。

1羅鐵工程安全監(jiān)測設(shè)計項目

羅鐵工程安全監(jiān)測分為永久安全監(jiān)測和施工期第三方安全監(jiān)測兩方面內(nèi)容。其中永久安全監(jiān)測一般由專業(yè)監(jiān)測單位負(fù)責(zé)施工和運行管理，主要為保障工程長期運行安全服務(wù)，并盡量兼顧施工期的臨時監(jiān)測需要；施工期第三方安全監(jiān)測服務(wù)于施工安全及施工過程控制，僅在施工期間臨時開展［5］。根據(jù)該工程的各建筑物布置、水文地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)及運行特點以及毗臨重要建筑物分布，確定該工程干線隧洞的主要監(jiān)測項目有變形監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、沉降監(jiān)測以及收斂變形監(jiān)測。

2羅鐵工程安全監(jiān)測布置設(shè)計

2.1干線TBM施工段安全監(jiān)測設(shè)計

干線輸水隧洞采用圓形斷面，分為4段進(jìn)行TBM施工開挖。如圖1所示，干線輸水隧洞第1段、第2段采用雙模式TBM施工，第3段采用雙護(hù)盾TBM施工，第4段采用敞開式TBM施工。

干線隧洞TBM施工段安全監(jiān)測，主要是對干線羅田下游閥室-鐵崗工作井之間單線TBM隧洞進(jìn)行永久監(jiān)測。根據(jù)干線隧洞工程布置及沿線地形地質(zhì)條件，擬在隧洞地質(zhì)條件較差、不同地質(zhì)交互部位、埋深較大、隧洞下穿重要建筑物等部位，共設(shè)置15個綜合監(jiān)測斷面，其中干線護(hù)盾式TBM施工段涵蓋的監(jiān)測斷面為斷面1-1至斷面13-13，干線敞開式TBM施工段涵蓋的監(jiān)測斷面為斷面14-14至斷面15-15。按照監(jiān)測斷面距離附近監(jiān)測站的距離，考慮監(jiān)測設(shè)施布置的先進(jìn)性、可靠性和全面性，其中11個監(jiān)測斷面布置振弦式儀器，4個監(jiān)測斷面布置FBG儀器，各綜合監(jiān)測斷面分布情況見圖2。

2.1.1變形監(jiān)測

對于干線護(hù)盾式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在隧洞環(huán)向管片接縫處布置6支測縫計，監(jiān)測輸水隧洞管片之間環(huán)向接縫變形狀態(tài)；在管片與自密實混凝土接縫處、自密實混凝土與內(nèi)側(cè)鋼襯接縫處各布置4支測縫計，監(jiān)測輸水隧洞管片、自密實混凝土、內(nèi)鋼襯三者之間的接縫變形狀態(tài)；在襯砌管片內(nèi)弧面的頂部及腰部沿全線縱向布設(shè)2條定點式應(yīng)變感測光纜，監(jiān)測隧洞沿線的管片外荷載擠壓變形情況。

對于干線敞開式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在隧洞圍巖與混凝土接縫、混凝土與鋼襯接縫處各布置4支測縫計；在隧洞襯砌外圍巖體中徑向鉆孔安裝3套多點位移計，監(jiān)測隧洞圍巖的巖體變形情況。

在隧洞中心線兩側(cè)40～60 m范圍以外基礎(chǔ)穩(wěn)固可靠位置布置的基準(zhǔn)點作為工作基點，結(jié)合水準(zhǔn)點和多點位移計，監(jiān)測隧洞以上地層的分層沉降。

2.1.2滲流監(jiān)測

對于干線護(hù)盾式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在隧洞管片外弧面頂部及腰部各布置1支滲壓計，監(jiān)測輸水隧洞襯砌管片承受的外水壓力分布情況；在隧洞自密實混凝土頂部和腰部共布置3支滲壓計，監(jiān)測襯砌管片內(nèi)側(cè)滲壓。

對于干線敞開式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)的頂部及腰部各布置1支滲壓計，監(jiān)測輸水隧洞襯砌承受的外水壓力分布情況。

選擇重要觀測點布置地下水位孔，在每個地下水位孔中布置1支滲壓計，監(jiān)測隧洞以上地層地下水位。在羅田閥室、公明檢修排水井、五指耙水廠分水井、長流陂閥室、5號工作井各布置1支壓力傳感器，監(jiān)測隧洞鋼管承受的沿程內(nèi)水壓力。

2.1.3土壓力監(jiān)測

在每個監(jiān)測斷面襯砌外弧面頂部及腰部位置各布置1支土壓力計，監(jiān)測輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)承受的外側(cè)土壓力分布情況。

2.1.4應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

對于干線護(hù)盾式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在輸水隧洞頂部、腰部和底部的標(biāo)準(zhǔn)塊襯砌管片的內(nèi)、外環(huán)鋼筋上布置8支鋼筋計，監(jiān)測輸水隧洞襯砌管片的鋼筋受力情況；在連接相鄰管片的螺栓中選取2根各布置1個測點，每個監(jiān)測斷面襯砌管片的環(huán)向螺栓布置12支螺栓應(yīng)力計，監(jiān)測襯砌管片螺栓的應(yīng)力狀態(tài)。

對于干線敞開式TBM施工段的監(jiān)測斷面，在每個監(jiān)測斷面頂部和腰部共選擇3根監(jiān)測錨桿，每根錨桿上安裝2支錨桿應(yīng)力計，監(jiān)測隧洞支護(hù)錨桿的受力變化情況。

在每個監(jiān)測斷面的頂部、腰部和底部沿縱向、環(huán)向各布置4支鋼板應(yīng)變計，監(jiān)測內(nèi)側(cè)鋼襯應(yīng)力應(yīng)變變化情況；在輸水隧洞每個斷面頂部、腰部的標(biāo)準(zhǔn)塊襯砌管片混凝土中各布置1支溫度計，監(jiān)測輸水隧洞襯砌管片的溫度情況；在干線和各分水支線交叉處各布置1個監(jiān)測斷面，每個斷面呈環(huán)向和流向各布設(shè)4支鋼板應(yīng)變計，監(jiān)測應(yīng)力復(fù)雜的岔管處鋼板應(yīng)力應(yīng)變。

2.2干線隧洞第三方安全監(jiān)測

干線隧洞內(nèi)永久監(jiān)測設(shè)施大部分同時具備施工期監(jiān)測功能，這些監(jiān)測設(shè)施應(yīng)在施工期盡早埋設(shè)安裝，盡可能為施工控制提供所需的施工期監(jiān)測資料。除此以外，在施工期還應(yīng)由第三方開展隧洞收斂變形和隧洞沿線沉降監(jiān)測。

（1） 隧洞收斂變形。

為了監(jiān)測施工期隧洞管片受圍巖擠壓的變形特性，在隧洞沿線根據(jù)圍巖類別設(shè)置收斂變形監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距：Ⅲ類圍巖為50 m，Ⅳ類圍巖為40 m，Ⅴ類圍巖為30 m，斷層破碎帶為10 m，并在斷層破碎帶增加收斂變形監(jiān)測斷面。每個收斂監(jiān)測斷面布置5個收斂測點，分別位于頂拱、肩部和腰部，采用反射片配合全站儀進(jìn)行觀測。

（2） 隧洞沿線沉降監(jiān)測。

為了監(jiān)測施工期隧洞沿線的沉降變形狀態(tài)，在每個隧洞收斂變形監(jiān)測斷面的隧洞底部布置1個沉降監(jiān)測點，采用精密水準(zhǔn)法進(jìn)行隧洞底板沉降觀測。在羅田閥室、公明檢修排水井、五指耙水廠分水井、長流陂閥室、鐵崗工作井底部各布置1套鋼管標(biāo)（起測基點），作為附近測點沉降觀測的工作基點。

3關(guān)鍵技術(shù)

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞全長21.68 km，共設(shè)置15個綜合監(jiān)測斷面。由于隧洞輸水管線較長，監(jiān)測斷面距離觀測站的距離較遠(yuǎn)，在15個綜合監(jiān)測斷面所布置的監(jiān)測儀器需要布設(shè)較長的線纜連接到觀測站，從而實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與收集。為避免監(jiān)測儀器信號傳輸過程的信號損失，需要通過合理的監(jiān)測設(shè)計和技術(shù)手段，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。

3.1振弦式儀器和FBG儀器綜合布置

振弦式儀器是一種以拉緊的金屬弦作為敏感元件的傳感器，傳感器內(nèi)部含有一根特質(zhì)材質(zhì)和特定尺寸的鋼弦，在鋼弦四周布置磁感線圈，當(dāng)傳感器所監(jiān)測的項目發(fā)生變化時，鋼弦兩端的一個拉力也會產(chǎn)生變化，鋼弦在受力變化情況下產(chǎn)生形變變化，從而引起鋼弦的固有頻率變化，通過電磁激勵，使鋼弦在磁感線圈內(nèi)部產(chǎn)生振動，通過頻率計來測量鋼弦的固有頻率，就可以根據(jù)鋼弦的應(yīng)力-頻率關(guān)系，通過換算得到位移、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫等監(jiān)測項目測值［6］。振弦式儀器由于其結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及長期穩(wěn)定性較好等特點，在水利工程安全監(jiān)測項目中得到了廣泛應(yīng)用［7］。但同樣受限于其工作原理，振弦式儀器在長距離監(jiān)測項目測量中其電纜長短也會對傳感器的測量精度產(chǎn)生影響［8］，其信號傳輸?shù)挠行Ь嚯x一般要求不超過2 km，在實際工程中為了滿足長期觀測的穩(wěn)定性，一般要求振弦式儀器的電纜引線的距離長度小于1 km［9-10］。

FBG儀器利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法在光纖纖芯內(nèi)部形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)是在纖芯形成一個窄帶的反射濾波器或反射鏡，使光的傳播行為在光柵中發(fā)生改變［11］。當(dāng)光柵受到外部應(yīng)力應(yīng)變、溫度等荷載作用發(fā)生改變時，會引起光柵的周期和光纖纖芯的有效折射率等基本參數(shù)的變化，通過光譜分析儀檢測環(huán)境變化前后反射光波長的變化，就可以獲得FBG儀器所檢測物理量的變化情況［12］。FBG儀器利用光纖傳輸光波信號，其信號傳輸相較于振弦式儀器損耗極小，能夠滿足監(jiān)測信號長距離傳輸要求，并且FBG儀器是基于光敏特性，信號安全性高，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，不會受到電磁干擾，在水利工程安全監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而光纖儀器由于原理相對復(fù)雜，從目前的國內(nèi)外光纖傳感儀器的研發(fā)產(chǎn)品來看，也存在以下不足［13］：① 光纖儀器存在對監(jiān)測變量之外的變量同時敏感的問題，其中較為突出的是將監(jiān)測變量與溫度分離；② 由于光纖儀器的材料特性，光纖儀器的施工埋入方式以及維護(hù)都較為復(fù)雜；③ 光纖儀器與其工程巖土體之間的變形耦合、協(xié)調(diào)問題會對監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性造成較大影響。因此，從目前監(jiān)測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀來看，光纖類儀器存在監(jiān)測可靠性低于振弦式儀器的弊端，在實際的工程應(yīng)用中，需要根據(jù)實際工程狀況，因地制宜、綜合考量、揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮振弦式儀器和FBG儀器各自的技術(shù)優(yōu)勢。

針對羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞的15個監(jiān)測斷面，對振弦監(jiān)測儀器和FBG儀器的測量精度、穩(wěn)定性、信號傳輸距離等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考量，并考慮到FBG儀器的安裝復(fù)雜、儀器和光纜的保護(hù)難度大以及施工費用較高等問題，根據(jù)監(jiān)測斷面距離附近監(jiān)測站的距離，將15個綜合監(jiān)測斷面中11個距離觀測站較近監(jiān)測斷面布置振弦式儀器，4個距離觀測站較遠(yuǎn)監(jiān)測斷面布置FBG儀器。

3.2光電復(fù)合傳感技術(shù)

傳統(tǒng)監(jiān)測儀器受限于其工作原理和現(xiàn)階段儀器研發(fā)限制，在大量的工程實踐中被證實其有效可靠傳輸距離一般在1 km以內(nèi)，雖然光纖儀器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測儀器在傳輸距離上的缺陷，但光纖儀器的可靠性存在一定不足之處。因此針對傳統(tǒng)的傳輸儀器無法完全滿足長距離輸水隧洞單洞長、距離遠(yuǎn)、隱蔽強(qiáng)等特點的監(jiān)測需求，本文應(yīng)用的光電復(fù)合智能傳感技術(shù)集監(jiān)測設(shè)施的通訊和供電于一體，實現(xiàn)監(jiān)測信息的長距離穩(wěn)定可靠的“感知”和“傳輸”。光電復(fù)合智能傳感技術(shù)通過融合信息采集與信號傳輸設(shè)備，將隧洞中監(jiān)測信息的有效傳輸距離由傳統(tǒng)的1 km提升至20 km以上。

3.2.1光電復(fù)合纜

在通信線纜中，光纜利用光的反射原理進(jìn)行信號傳輸，具有帶寬大、損耗低、傳輸距離長等優(yōu)點，但光纜僅能作為通信線纜無法提供電力；銅纜作為金屬介質(zhì)，不僅可以利用電磁波原理進(jìn)行信號傳輸，還可以進(jìn)行電力供應(yīng)，但是在傳輸過程中會存在熱效應(yīng)，因此損耗較大，不適合于長距離的數(shù)據(jù)傳輸。光電復(fù)合纜將光纖和銅導(dǎo)線集成在一根線纜中，利用光纖傳遞數(shù)據(jù)信號，利用銅纜輸送電力，使其具備通訊和供電的雙重作用，能夠完成長距離數(shù)據(jù)傳輸和電力供應(yīng)。如圖3所示，光電復(fù)合纜橫向上從外層到內(nèi)層，分別是聚乙烯外護(hù)層、繞包層、鋼絲鎧裝、聚乙烯內(nèi)護(hù)層、填充芯、動力單元和光纖單元，通過其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅使其做到光纖信號傳輸和電纜電力供應(yīng)的兩個過程互不干擾，而且還具有良好的抗拉和防水功能。與分別鋪設(shè)光纜和電纜相比，光電復(fù)合纜成本更低，并且施工更加方便。

3.2.2基于通訊轉(zhuǎn)換和電源管理技術(shù)的接駁盒

接駁盒是基于通訊轉(zhuǎn)換和電源管理技術(shù)研制而成的集光電分離、電壓變換和通訊轉(zhuǎn)接的多功能設(shè)備，圖4為接駁盒內(nèi)部功能艙示意圖。光電復(fù)合傳感技術(shù)應(yīng)用光電復(fù)合纜進(jìn)行信號傳輸和電力供應(yīng)，而接駁盒負(fù)責(zé)接入光電復(fù)合纜然后向智能數(shù)據(jù)采集單元MCU提供低壓直流電源和RS485通信；圖5為接駁盒與光電復(fù)合纜、智能MCU直接的一個連接示意圖。電源接入接駁盒后，并聯(lián)分支一路進(jìn)入接駁盒電壓變換電路，將電壓變換為低壓（24 V）直流電，供電給接駁盒內(nèi)各模塊和外部采集設(shè)備。電能變換電路具備故障停機(jī)功能；當(dāng)輸出短路或過流時，電能變換電路停止輸出，同時輸入端不會影響主干網(wǎng)絡(luò)正常供電和傳輸；故障移除后，自動恢復(fù)輸出。接主干纜接入接駁盒后，其中有2芯光纖被剝離出來，熔接成SC接口尾纖，插入光電轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)電信號，串口服務(wù)器再將以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)成兩路RS485串口信號，其余光纖和出口處的特制光電纜進(jìn)行續(xù)接，繼續(xù)往下一個節(jié)點傳輸。電單元在進(jìn)入接駁盒后，并聯(lián)分支出一組接線，接入電壓轉(zhuǎn)換器輸入端，進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，輸出24V低壓直流電供內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換器、串口服務(wù)器和外部的斷面MCU使用，主干電單元繼續(xù)往下一節(jié)點傳輸。

斷面6-6和斷面7-7距離附近監(jiān)測站超過1 km，從傳輸距離的角度考慮宜布置FBG儀器。考慮到FBG儀器可靠性低于振弦式儀器，斷面6-6和斷面7-7布置振弦式儀器，在該兩個斷面和監(jiān)測站之間通過光電復(fù)合纜進(jìn)行通信和供電，將MCU前移至監(jiān)測斷面附近布設(shè)，以減少電纜數(shù)量和提高信號傳輸質(zhì)量。

4結(jié) 語

本文以深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計為例，根據(jù)工程特點對工程永久安全監(jiān)測和施工期第三方安全監(jiān)測項目進(jìn)行了設(shè)計；針對城市深埋隧洞安全監(jiān)測中信號傳輸技術(shù)難題，采用FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法，并結(jié)合光電復(fù)核傳感技術(shù)，可保證安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L期穩(wěn)定性、精確性和有效性。相關(guān)經(jīng)驗可為類似城市深埋隧洞安全監(jiān)測設(shè)計提供參考。

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（編輯：黎剛）