靳玮涛,赵刚毅
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)
南水北调中线全线通水穿黄隧洞安全监测成果分析
靳玮涛,赵刚毅
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)
摘要:穿黄隧洞作为南水北调中线最重要的控制性工程,一直备受瞩目,其中安全监测是穿黄隧洞的重要工作之一,也是观测工程结构安全的具体手段。文章通过对穿黄隧洞安全监测系统的建立以及对自正式通水后半年内的观测数据进行初步分析,揭示了穿黄隧洞渗漏量、渗透水压力、混凝土应力应变和接缝开和度的变化范围和规律,为同类型输水隧洞的安全监测设计和实施提供一定的借鉴。从安全监测数据分析,自南水北调中线通水运行以来穿黄隧洞目前处于正常稳定工作状态。
关键词:南水北调;穿黄隧洞;安全监测;成果分析
1工程概况
穿黄工程是南水北调中线的关键性控制性建筑物,该工程线路总长19.3 km,设计流量265 m3/s,加大流量320 m3/s。穿黄隧洞共长4.25 km,包括邙山隧洞段0.8 km和过河隧洞段3.45 km。穿黄隧洞工程采用双洞平行布置,中心线距离28 m。隧洞掘进采用泥水平衡盾构法施工,开挖直径9.03 m。隧洞采用内外双层衬砌结构,外衬采用C50钢筋混凝土预制管片拼装而成,外径8.7 m,内径7.9 m,管片厚度40 cm,管片环宽1.6 m,每环由7片管片拼装而成。内衬为后张法有粘结预应力混凝土结构,混凝土设计等级为C40W12F200,衬砌厚度45 cm,标准分段长度9.6 m,分段接缝采用紫铜片止水,底板设3.1 m宽平台。预应力锚索间距为45 cm,每束由12根预应力钢绞线集束而成。穿黄上游隧洞内衬共分为459段,穿黄下游隧洞共分为458段。内外衬之间设2布1格栅排水垫层,每间隔4.8 m设排水花管,将渗水引排到底板预埋的3条排水管道,并通过北岸竖井设置的渗漏排水泵抽排到北岸出口建筑物[1-2]。 安全监测目的主要是在满足现行规范及相关法律法规要求的基础上,监控建筑物安全,掌握其运行规律,指导施工和运行[3,18],针对输水建筑物结构特点以及工程穿过地层的地质条件,需要选择实用、可靠和经济的监测项目[6-7],本工程安全监测的主要项目包括变形监测、应力应变监测、温度监测、接缝开和度监测、渗水压力监测和土压力监测等[3-4]。
2监测仪器布置
上游隧洞共计163个监测断面,有内观仪器917支,仪器清单见表1。主要监测项目:隧洞渗水压力监测(渗压计)、隧洞接缝变形监测(测缝计) 、混凝土应力应变监测(钢筋计、应变计)、裂缝监测(测缝计)[1,8-9]、渗漏监测等。
表1 上游隧洞内观仪器清单表 支
下游隧洞共计82个监测断面,有内观仪器534支,仪器清单见表2。主要监测项目:隧洞渗水压力监测(渗压计)、隧洞接缝变形监测(测缝计) 、混凝土应力应变监测(钢筋计、应变计)、裂缝监测(测缝计)[1,8-9]、渗漏监测等。
3监测仪器运行情况及观测频次
穿黄上游隧洞内观仪器917支,其中707支运行正常,31支测值不稳定,179支无测值;下游隧洞内观仪器534支,其中389支运行正常,9支测值不稳定,136支无测值。
通水运行初期:渗压计2次/d、隧洞渗漏量2次/d、测缝计1次/2 d、钢筋计应变计锚索测力计1次/d
目前:渗压计1次/d、隧洞渗漏量1次/d、其余仪器1次/7 d。
4穿黄隧洞警戒值
根据长江勘测规划设计研究有限责任公司提供的警戒值。
(1) 渗压计警戒值
当过河隧洞段渗压计水位达到90 m高程时,应报警。
(2) 渗漏量警戒值
当渗漏量超出最大排水能力或北岸竖井集水井水位超过设计值时应报警。具体标准如下:
1) 在3台渗漏排水泵同时启用且竖井内水位上升并达到60.2 m或流量计读数之和大于324 m3/h时,施工单位应立即启动备用排水泵,即4台永久渗漏排水泵全部启动。
2) 任何情况下,当流量计读数之和大于432 m3/h时。
(3) 测缝计警戒值
当新增测缝计读数明显增大,相应每增加1 m水头,测缝计读数增量超过上一级水位每米水头增量的1.5倍。
5监测成果分析
监测成果常用的初步分析方法包括绘制时间过程线、绘制测值分布图、绘制成果相关图和对测值比较对照,影响测值变化的原因主要包括观测误差、外界荷载和结构因素等[5-20]。
5.1上游隧洞观测成果
5.1.1渗漏量和渗压计观测成果
上游隧洞水位-渗漏量(电磁流量计观测)过程曲线见图1:
2014年10月3日,穿黄隧洞开始参与全线充水试验工作。上游隧洞在2014年11月渗漏量突然增大至34.5 L/s,且渗压计测值随渗漏量加大缓慢上涨,有8仓渗压计测值接近或达到设计警戒值90 m(370~365仓渗压计读数接近90 m)。11月30日上游隧洞开始退水,2014年12月30日上游隧洞退水完成进入检修期,2015年5月上游隧洞检修完毕,6月1日重新通水。截止2015年6月21日上游隧洞水位保持在116.3 m,隧洞渗漏量保持在3 L/s左右。
上游隧洞共安装埋设渗压计135支,量程范围0.7 MPa。选取其中测值稳定的渗压计进行观测成果统计分析。
(1) 2014年10月3日到2014年10月31日(116.9 m水位),测值为0的渗压计有64支,水头在0~1 m之间的渗压计16支,水头在1~4 m的渗压计7支,水头在4~12 m的渗压计4支,有1支渗压计水头在21.32 m。部分渗压计测值与9月份隧洞充水试验期测值相比有明显变化。
图1 上游隧洞水位-渗漏量过程曲线图
(2) 在117 m水位维持期间,水头在4 m以下的渗压计测值处于小幅波动状态,部分水头在4 m以上的渗压计测值表现为缓慢上升趋势,其中133仓渗压计水头最高为21.32 m。
(3) 退水中渗压计水头随水位下降而下降,隧洞排空后多数渗压计水头基本回到充水前状态。
(4) 退水后362~370仓区域的渗压计仍然保持有3 m以上的水头,其中370仓的渗压计水头超过5 m, 为查明渗压计测值偏高原因,1月31日15:00在370仓隧洞右侧130°渗压计上方钻孔至排水垫层,有水从钻孔内流出,16:00测量钻孔出水量约1.14 L/min,2月1日9:00测量钻孔出水量0.38 L/min,此后基本维持在0.4 L/min的水平,推断垫层内积水可能有稳定补给,与地下水经南岸竖井与外管片接头部位渗入有关。370仓右侧开孔后,370~362仓渗压计测值均不同程度下降,渗压计测值变化见表3,说明370仓附近排水垫层与底板纵向排水管连通性较差。
(5) 2014年通水期间133仓渗压计测值较高,退水完成后该渗压计测值下降缓慢,降至13.5 m水头后即不再下降,为查明情况,在该渗压计位置(距离30 cm内)钻孔至排水垫层,未发现垫层内有水,因此判断该渗压计测值不能真实反映垫层内水压情况。这类仪器在以后充水中只能做参考对比分析用。
(6) 2015年6月1日上游隧洞开始重新通水,水位到达116.4 m后有10支仪器水头在1~3.66 m之间,其余均小于1 m;水头相对于5月30日测值增幅超过0.5 m的仪器有6支,其中最大增幅为2.52 m(171仓的P57SSD),其余均小于0.5 m,水头增幅最大的渗压计见表4。
表3 370仓右侧开孔后渗压计测值变化表
表4 水头增幅最大的渗压计表 (增幅超过0.5 m)
从M7仓渗压计P01MSS测值过程线可以看出2015年6月继续通水过程渗压计测值变化很小,渗压计观测数据历时过程线见图2。
从上述情况可看出,本次充水期间渗压计测值变化远小于2014年通水期间,说明本次防渗缺陷处理和为应对渗压计测值偏高采用的连通、搭桥措施起到了较好的效果。
5.1.2用于欠厚处理的钢板计和混凝土应变计观测成果
在本次充水过程中,用于欠厚处理的钢板计应变变化量在23~123 με之间,平均变化量为71 με,均向受拉方向变化;测值变化量与去年通水期基本相当,与对应的混凝土应变计变化趋势相同,且有一定对应性。
图2 M7仓渗压计P01MSS观测数据历时过程线图
用于欠厚处理的混凝土应变计目前测值基本稳定,每日变幅较小。本次充水过程混凝土应变计变化量在33~217 με之间,平均变化量为81 με,均为拉应变;本次变化量与2014年充水过程、通水过程中的变幅基本相当,一致性较好。
5.1.3新增碳纤维表面应变计和对应混凝土应变计观测成果
充水完成后粘碳应变计测值较为稳定,每日变化较小。在本次充水过程中,隧洞内温度随充水过程逐渐升高,隧洞水位较低时应变计测值先随温度升高而降低,当隧洞水位到达一定高度后,测值随水位升高而增加,除306仓320°设置的粘碳应变计外,其余变化量在26.81~160 με之间,平均变化量为72 με;截止2015年6月20日通水期间应变变化量与2014年充水期、通水期测值增量见表5、6。
表5 粘碳应变计测值变化情况表
表6 与粘碳应变计对应的混凝土应变计测值变化情况表
从表5和表6可看出,在2015年6月份重新充水过程中,多数粘碳应变计测值增量略大于前两次,对应的混凝土应变计测值增量略小于前两次。安装于306仓320°位置的GS19SS测值从2015年6月份重新充水开始一直在下降,推测可能是该部位的碳纤维布出现松脱或者是该仪器与碳纤维粘合不牢固。
5.1.4新增测缝计观测成果
新增测缝计测值稳定,与初值相比变幅在0.1 mm以下。在本次充水过程中,隧洞内温度由16 ℃逐渐升高到25 ℃,从观测过程线可看出测缝计开度先随温度升高而减小,当隧洞水位到达一定高度时,测缝计开度开始增加,当隧洞水位稳定在117.00 m高程时,测缝计开度也随之稳定,新增测缝计观测数据历时过程线见图3。
新增测缝计开合度变化范围为-0.07~1.57 mm,与通水前增量在-0.12~0.04 mm。
5.1.5钢筋计、混凝土应变计观测成果
在混凝土内衬埋设的钢筋计和混凝土应变计,充水完成后测值稳定。当前测值表明隧洞结构处于受压状态,测值与2014年10月份通水达到117.00 m高程并静停数日后的测值基本相当。钢筋计观测数据历时过程线见图4。
综上所述,上游隧洞钢筋计和应变计随水位上升而出现拉应力增量,水位稳定后钢筋计和应变计测值稳定,这符合隧洞的实际工况。
5.1.6结构缝测缝计、内外衬层间测缝计观测成果
对布置在结构缝的测缝计进行分析:与通水前2015年5月26日测值相比,增量在-0.65~0.25 mm,平均增量-0.24 mm,变化较小,结构缝测缝计观测数据历时过程线见图5。
图3 311仓新增测缝计J14SS观测数据历时过程线图
图4 217仓钢筋计R22SSD观测数据历时过程线图
图5 J521SSD观测数据历时过程线图
对布置在内外衬层间的测缝计进行分析:与通水前2015年5月26日测值相比,增量在-0.87~0.02 mm之间,平均增量-0.28 mm,变化较小。
5.2下游隧洞观测成果
5.2.1渗漏量和渗压计观测成果
2014年12月12日至2015年6月20日下游隧洞水位-渗漏量(电磁流量计观测)过程曲线见图6。
2014年10月3日穿黄进入全线通水试验阶段,2014年12月12日开始全线正式通水时下游隧洞水位已保持在116.4 m。全线通水初期下游隧洞渗漏量维持在5.5~7.5 L/s左右。2015年2月10日后隧洞渗漏量逐步减小,目前隧洞渗漏量保持在1.3 L/s。
下游隧洞共安装埋设渗压计76支,量程范围0.7 MPa。2014年12月12日至2015年6月20日渗压计测值过程曲线见图7。
(1) 2014年12月12日全线通水至2015年6月30日,渗压计所测水头均未超出90 m警戒值。
(2) 全线通水至今水位基本保持在116.5 m,从监测数据可以看出渗压计测值处于基本稳定状态。
5.2.2钢筋计、混凝土应变计观测成果
对钢筋计进行统计分析,所有钢筋计在通水期间均处于受压状态。应力变化过程:到2015年6月20日时,与通水前初值(2014年10月1日)相比,钢筋应力变化量在10.89~30.44 MPa之间,平均应力变化量为21.33 MPa。通水期隧洞基本保持在116.5 m水位运行,钢筋计均处于受压状态,其中132仓0°位置钢筋计(R22XSD)和300仓90°位置钢筋计(R10XSD)压应力较小,应力水平为-4.9~-6.25 MPa。
图6 下游隧洞运行水位-渗漏量过程曲线图
图7 370仓渗压计P13XSD过程曲线图
对应变计进行统计分析,所有应变计在通水期间均处于受压状态。应变变化过程:到2015年6月20日时,与通水前初值(2014年10月1日)相比,应变变化量在33.02~109.63 με之间,平均应变变化量为68.41 με。
5.2.3结构缝测缝计、内外衬层间测缝计观测成果
选取测值稳定的结构缝测缝计进行分析,通水期开合度变化过程:到2015年6月21日,与2014年12月13日测值相比,开合度变化范围为-2.00~0.11 mm,平均变幅为-0.87 mm。
选取测值稳定的内外衬层间测缝计进行分析,通水期开合度变化过程:到2015年6月21日时,与2014年12月13日测值相比,开合度变化量在-1.12~-0.02 mm之间,平均变化量为-0.27 mm。
6结语
(1) 从隧洞本次通水期原有钢筋计和应变计、新增钢板计和粘碳应变计、新增混凝土应变计等实测应力应变状态及变化量来看,隧洞结构均处于受压状态;监测仪器应力应变测值变化普遍规律为随水位上升出现不同程度的拉应力(拉应变)增量。
(2) 新增混凝土应变计应变变化量与相近位置钢板计、粘碳应变计应变变化量具有一定的对应性。
(3) 通水期隧洞布设在内外衬之间的测缝计、布设在横向结构缝的测缝计、以及新增测缝计的测值变幅均较小。
(4) 通水期隧洞渗压计水位均未超出90 m水位警戒线,隧洞渗漏量稳定。
(5) 穿黄隧洞安全监测按相关规范及技术要求及时进行了监测,采集到较为全面的监测资料。对指导隧洞施工、校核设计参数和积累隧洞设计经验取得了可靠的数据保证。从安全监测数据反映的情况看,自南水北调中线通水运行以来穿黄隧洞目前处于正常稳定工作状态。
(6) 通水至今穿黄隧洞安全监测,按相关规范及技术要求及时进行监测,采集到较为全面的监测资料,对指导隧洞安全运行和验证设计提供依据。同时,也为管理单位分析、评价工程安全和运行管理决策提供可靠依据。
(7) 本文通过对穿黄隧洞自正式通水后半年内的观测数据进行初步分析,主要阐述了穿黄隧洞渗漏量、渗透水压力、混凝土应力应变和接缝开和度的变化范围和规律,为同类型输水隧洞的安全监测设计和实施提供了借鉴。
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Analysis on Safety Monitoring Results of In-operation Tunnel under Yellow River of Middle Line,South-to-North Water Diversion Project
JIN Weitao, ZHAO Gangyi
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)
Abstract:The tunnel under the Yellow River is the most important control works in the middle line of the south-to-north water diversion project. It attracts attention all the time. The safety monitoring is one of the important activities of the tunnel under the Yellow River and it is also the concrete means of monitoring the safety of the engineering structure. Through establishment of the safety monitoring system and analysis on the monitoring data of the tunnel in last 6-month operation, in the paper, it reveals the change range and law of the seepage volume, seepage pressure, concrete stress/strain and joint opening of the tunnel under the Yellow River. It provides the safety monitoring design and implementation of the similar transmission tunnel with reference. From the analysis on the safety monitoring data, the tunnel is in normal and stable operation.
Key words:south-to-north water diversion; tunnel under the Yellow River; safety monitoring; result analysis
中图分类号:TV698.1
文献标识码:A
DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.020
作者简介:靳玮涛(1983- ),男,陕西省西安市人,工程师,注册一级建造师,主要从事工程测量、监测、监理工作.
收稿日期:2016-01-20
文章编号:1006—2610(2016)02—0073—07