水工隧洞衬砌裂缝监测技术应用

相 楠，张心怡

（1.辽宁省水利厅，沈阳110003；2.太原理工大学，山西太原030024）



水工隧洞衬砌裂缝监测技术应用

相 楠1，张心怡2

（1.辽宁省水利厅，沈阳110003；2.太原理工大学，山西太原030024）

摘要：以辽宁省某重点输供水工程某隧洞为研究试点，针对水工隧洞工程中衬砌发生裂缝的现状，通过安装监测仪器和数据分析，对水工隧洞衬砌产生的裂缝进行监测、分析及数据整编，提出指导意见。确定研究目标，对监测过程及结果进行归纳总结。研究表明：裂缝监测技术可以实现对水工隧洞工程衬砌混凝土凝固的全过程安全监测。

关键词：水工隧洞；衬砌裂缝；安全监测

衬砌是隧洞工程施工中的重要一环，建设质量密切联系着整体工程的质量。随着科学技术的进步，工程建设管理的理论和衬砌施工的技术虽已比较先进完备，但仍不能在绝对意义上完全规避衬砌问题的产生。本文针对辽宁省某重点输供水工程隧洞衬砌出现裂缝的问题，通过布置监测仪器，整编分析监测数据，结合施工提出意见等工作，为建设管理单位提供决策支持，进而提高建设管理单位的管理能力，保证工程建设质量。

1　施工概况

该隧洞为高7m全长16km的马蹄形隧洞，在隧洞进口衬砌过程中，发现多处裂缝。为了探究裂缝出现原因，在该隧洞选取了编号为L1、L2的两个监测断面，并在两个监测断面上布置34支检测仪器，仪器全部采用光线光栅式传感器，于2015 年5月开始安装埋设，持续监测3个月。

2　仪器布置

仪器采用光纤光栅式传感器，其中钢筋计16支，应变计8支，表面裂缝计4支，埋入式裂缝计4支，埋入式测缝计2支。钢筋计、应变计用于监测衬砌混凝土应力应变；表面裂缝计用于监测衬砌混凝土表面裂缝开合程度；埋入式裂缝计用于监测衬砌混凝土与围岩结合的变化程度；埋入式测缝计用于监测衬砌混凝土施工分缝的变化情况。

3　安装埋设

3.1 钢筋计安装埋设

（1）将钢筋计安装在设计图纸布置的位置。钢筋计与衬砌混凝土内的钢筋采用平头焊接方式，在焊接过程，确保仪器部位温度不超过50℃，不得在焊缝处浇水以免影响焊接质量。焊接作业时对光缆进行保护，避免损伤。

（2）传感器光缆沿着钢筋走线，每隔0.5m用尼龙扎线绑扎好，重点部位可采用胶粘型式固定。

（3）仪器光缆采用PE套管保护，引至断面保护盒。

3.2 应变计安装埋设

（1）将应变计安装在设计要求的位置。应变计用钢筋上绑扎定位。

（2）应变计埋设时严格控制方向，安装其间须当心避免对两端块施加过大的力，以防止传感器在安装时由于超出其量程而损坏。仪器光缆的走线与保护与钢筋计相同。

3.3 埋入式测缝计安装埋设

（1）采用电锤在围岩上钻孔，将测缝计套筒安装在钻孔内，采用界面胶或水泥粘连紧密。

（2）测缝计一端固定在套筒里，套筒填充棉花，避免混凝土浆液进入。

（3）仪器光缆的走线与保护与钢筋计相同。

3.4 埋入式裂缝计安装埋设

（1）在已浇筑混凝土的仓面上钻孔安装裂缝计套筒，然后在套筒内安装裂缝计。

（2）仪器光缆的走线与保护与钢筋计相同。

3.5 表面裂缝计安装埋设

（1）衬砌混凝土出现裂缝后，在混凝土表面裂缝两侧钻孔，固定锚栓，安装仪器支架。

（2）裂缝计方向与混凝土裂缝方向垂直，将裂缝计安装在仪器的支架上。

（3）仪器光缆沿衬砌混凝土边墙走线，仪器光缆直接接入主光缆。

3.6 数据采集

在监测仪器安装埋设前，将2根主光缆引入光纤光栅解调仪。仪器安装埋设后，仪器尾缆引至断面保护盒，直接接入主光缆。仪器埋设后即刻开始采集监测数据。

4　数据分析

通过对监测数据进行分析，得出分析成果。

（1）从温度监测成果来看，隧洞环境温度在14℃左右，混凝土入仓温度在25℃左右，混凝土浇筑后24h以内达到最高温度，L1断面最高温度35℃，L2断面最高温度40℃。混凝土降温主要发生在最高温升后7天内，降温幅度达20℃，当前混凝土温度16℃左右，已趋于稳定。

（2）混凝土钢筋应力受力拉压不一，以受拉为主，总体钢筋应力较小。混凝土浇筑初期，随着混凝土温度的逐渐下降，钢筋应力增长较快；随着混凝土温度的相对稳定（16℃左右），钢筋应力趋于稳定。钢筋应力最大的部位在L2断面左边墙的位置，值为58.64MPa，沿断面环向方向，与混凝土最大应变在同一位置，且方向一致，这可能与周围的地质条件有关。

（3）围岩与衬砌混凝土结合缝呈张开状态，主要发生在混凝土浇筑后一个月内。当前最大开合度为0.68mm，发生L1断面（桩号：D191 +424.000）顶拱的位置，目前总体趋势相对稳定。

（4）混凝土表面裂缝开合度总体趋势变小，裂缝出现后无明显扩展，目前处于稳定状态；裂缝出现时间与混凝土应变计最大拉应变出现时间基本一致。当前测值在-0.14～-0.02mm之间。

5　指导意见

（1）从温度监测成果来看，衬砌混凝土在浇筑后24h内达到最高温度，温升速度较快；且隧洞环境温度较低，混凝土从最高温升40℃降至20℃仅用7天时间或者更短，混凝土温度坡降较大。

（2）从混凝土应力应变和结合缝、施工缝监测成果来看，混凝土呈收缩状态，周边缝开合度发展较快，说明衬砌混凝土在降温过程中收缩发展较快。早期混凝土弹模较低，收缩产生的应变较大，随着混凝土龄期的增加，混凝土弹模变大，混凝土内部积攒的拉应力快速发展，加之围岩表面凹凸不平，局部的突起造成混凝土应力集中，并最终导致了混凝土拉应力过大，造成裂缝的出现，裂缝出现的时间与混凝土最大拉应变出现时间基本一致。

（3）裂缝出现后，从监测成果来看，裂缝开合度基本无明显发展，说明衬砌混凝土的开裂使得混凝土内部应力重新分布，应力集中的现象得到释放后，混凝土拉应变有减小的趋势。目前衬砌混凝土裂缝无继续发展趋势。

（4）混凝土拆模时间较早，且缺乏养护，混凝土表面直接与较低的环境温度接触，容易造成衬砌表面干缩、强度不够，进而造成耐久性损失。

（5）建议延长拆模时间，并进行必要的养护。

6　结语

水工隧洞衬砌裂缝监测技术可以通过布置监测仪器，整编分析监测数据等手段实现对水工隧洞工程衬砌混凝土进行全周期在线监测，监测结果准确可靠，为建设管理单位提供科学有效的决策支持服务，提高工程管理水平和管理能力。

参考文献

［1］吴世勇，陈建康，邓建辉水电工程安全监测与管理［Z］.中国水利水电出版社，2009.

［2］王文，马俊.若干水文预报方法总数［J］.水利水电科技进展，2005，25（01）：56-60.

［3］邵乃辰.水电工程安全监测技术文集［C］.水利水电出版社，2009.

［4］于会泉.水利工程施工与管理［M］.中国水利水电出版社，2005.

作者简介：相 楠（1986年—），男，助理工程师。

收稿日期：2015-12-14

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.038

中图分类号：TV512

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0108-02