滇中引水工程输水隧洞安全监测设计原则研究

(长江勘测规划设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

滇中引水工程是我国“十三五”172项重点水利工程之一，也是云南省可持续发展的战略性基础工程，它从云南省西部金沙江向相对缺水的滇中地区长距离引水。整个工程由水源工程和输水工程两部分组成，其中输水工程穿过大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪、红河6个州(市)的35个县(市、区)，全长664.2 km，设计流量20～135 m3/s，全线共布置隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、消能电站等各类建筑物118座，其中隧洞为最主要输水建筑物型式，共布置58条，总长约612 km，占输水干线全长的92.1%。输水工程沿引水路线划分为6段，依次为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段，分别由3家不同单位承担设计任务[1-3]。

2 开展安全监测设计原则研究的必要性

滇中引水工程的输水隧洞具有数量众多、长短不一、洞径各异、地质条件复杂等特点，而对于隧洞工程的安全监测设计，目前国内还没有专门性的监测设计规范，类似工程大多参照SL725-2016《水利水电工程安全监测设计规范》(以下均简称为SL725-2016规范)中的“水工隧洞监测”章节执行[4]。但该规范条文只是隧洞监测设计的最低限度要求和指导性规定，不可能完全切合该工程隧洞的地质条件和结构特点，加之沿线隧洞分别由不同单位和不同人员承担设计任务，各家对规范条文的理解深度不同，执行力度各异，很容易造成各隧洞的监测布置千差万别。因此，为规范各隧洞安全监测的设计标准和保证设计成果质量，有必要以SL725-2016规范为基础，研究和细化安全监测总体设计原则(包括监测项目选取原则、监测断面设置原则和监测设施布置原则)，供沿线各设计单位统一遵照执行。

3 监测项目选取原则

3.1 监测项目取舍

工程安全监测按服务的时段和目的不同，分为永久安全监测和施工期安全监测。永久安全监测从仪器埋设后即开始观测，其目的主要是监控建筑物工作性态和验证设计，部分仪器也兼具施工期监测作用；施工期安全监测仅在施工期开展，其目的主要是保障施工人员和设备的安全。

3.1.1永久监测项目

SL725-2016规范中只列出了可供选择的监测项目，它是这样规定的：“变形监测项目包括隧洞围岩变形、拱顶沉降、地表沉降、接缝及裂缝开度等”“渗流监测项目包括隧洞衬砌外水压力、进出水口基础扬压力等”“应力应变及温度监测项目包括支护结构混凝土应力应变、钢筋应力、围岩压力、锚杆应力、锚固力以及压力钢管钢板应力等”。通过对该工程输水隧洞的地质和结构特点深入分析，发现这些监测项目不够全面，也有部分项目无设置的必要，具体包括：① 部分输水隧洞穿越全新世活动断裂带，断层活动可能导致衬砌产生较大错动变形，因此有必要针对活动断裂开展断层位移和衬砌错动监测；② 该工程所涉隧洞为长距离无压输水隧洞，为掌握隧洞内的沿程水头损失和实际水面线，需要开展隧洞沿程水位监测；③ 输水隧洞采用喷锚+混凝土衬砌的支护形式，通常不会用到预应力锚杆或锚索，因此无需开展预应力锚固力监测；④ 输水隧洞为低流速无压隧洞，衬砌表面未布置压力钢管，也就无需开展钢管应力监测。

3.1.2施工期监测项目

SL725-2016规范对施工期监测项目并没有作出明确规定，滇中引水工程存在围岩不稳隧洞、浅埋隧洞、潜在突涌水隧洞、富含毒害气体隧洞等，所面对的施工安全问题十分突出，因此有必要针对性地开展施工期安全监测。具体包括：① 对围岩不稳隧洞应开展施工期围岩收敛监测、深部变形监测和支护措施(锚杆、钢拱架)受力监测，以掌握围岩变形特性和支护处理效果；② 对浅埋隧洞应开展地表变形监测，以保证上覆或邻近建筑物的施工安全；③ 对潜在突涌水隧洞应开展施工期渗漏量监测，并提前制定人员和设备撤离应急预案；④ 对富含毒害气体隧洞应开展有害气体含量监测，以保证施工人员的人身安全。

3.2 监测项目拟定

3.2.1永久监测项目

根据SL725-2016规范的规定，结合输水隧洞的工程布置、结构特点和地质条件，经过对永久监测项目取舍分析，确定该工程拟开展的永久监测项目主要有： 围岩内部变形监测，衬砌和围岩的接缝开合度监测，活动断裂带地表位移和衬砌位错监测，浅埋洞段的地表沉降监测，衬砌外水压力监测，隧洞沿程水位监测，衬砌结构混凝土应力和钢筋应力监测，支护措施(锚杆、钢拱架等)受力监测等。其中围岩内部变形监测、浅埋洞段的地表沉降监测、支护措施(锚杆、钢拱架等)受力监测兼具施工期监测作用。

需要说明的是，不是每条隧洞都需要按上述项目进行全面监测，而是应根据各条隧洞的规模、结构型式、地质条件和施工方法的不同，对具体监测项目进行有针对性地选取[5-6]。

3.2.2施工期监测项目

根据对输水隧洞施工期监测项目取舍分析，确定该工程拟开展的施工期监测项目主要有：围岩表面收敛监测，深部变形监测，锚杆应力监测，钢拱架应力监测，渗漏水量监测，有害气体含量监测，浅埋隧洞的地表变形监测等。

由于各隧洞的地质条件和施工方法不同，各自所需要面对的施工安全问题也有很大区别，因此每条隧洞的施工期监测项目应在实际揭露的地质情况或提前分析预测基础上，根据潜在施工安全问题有针对性地选取。

4 监测断面设置原则

4.1 监测断面设置分析

SL725-2016规范中对隧洞永久监测断面是这样规定的：“隧洞监测断面布置，应根据地质条件、围岩结构、衬砌结构形式、受力状态等选择具有代表性的洞段或关键的部位，每一个代表性洞段布置1～3个监测断面”。

滇中引水工程共布置输水隧洞58条，总长约612 km。由于这些隧洞数量众多，而各隧洞长短不一、地质复杂多变，若严格按“每一个代表性洞段布置1～3个监测断面”执行，会导致监测断面在空间分布上严重不均衡，短隧洞内监测断面会过于集中，而长隧洞内则会分布稀疏；围岩地质条件变化频繁处将十分集中，而围岩地质条件长距离均一时则会过于稀疏。

输水隧洞内开展施工期监测的具体部位及项目，需要根据实际揭露的地质情况或深入分析预测来确定，具有高度的随机性和不确定性。各监测部位的测点布置也应以获取必要的施工期数据为前提，根据各部位实际监测需求来确定，除收敛监测断面相关规范有明确规定外，通常没有必要按监测断面进行仪器布置。

4.2 监测断面设置原则

根据滇中引水工程输水隧洞长短不一、洞径各异、地质复杂等特点，为保证每条隧洞均得到有效安全监控，并尽量做到安全监测空间分布的均衡性，经研究，最终确定永久监测断面设置原则为：① 各隧洞不论大小、长短均应至少设置1个监测断面；② 长隧洞(>3 km)一般每1～3 km设置1个监测断面；短隧洞(≤3 km)一般设置1～2个监测断面；③ 监测断面重点布置在软岩段、高外水压力段、浅埋段、活动断层带及围岩破碎带等安全不利部位[6]；④ 当隧洞长度超过10 km时，应在Ⅲ类围岩洞段设置1～3个对比监测断面；⑤ 监测断面尽量靠近隧洞进、出口或施工支洞，以利于监测仪器电缆向洞外牵引。

施工期围岩收敛变形监测应设置收敛监测断面，收敛断面布置严格按SL725-2016规范执行，即Ⅲ类围岩断面间距不大于50 m；Ⅳ类围岩断面间距不大于40 m；V类围岩断面间距不大于30 m；断层破碎带断面间距为5～10 m。

5 监测设施布置原则

5.1 永久监测布置

5.1.1变形监测布置

SL725-2016规范对隧洞变形监测设施布置是这样规定的：“围岩内部变形应采用多点位移计监测，每个断面宜布置3～5个测孔，每孔测点数量宜3～6个；接缝及裂缝开合监测每个监测断面至少布置3个测点”。

该工程输水隧洞断面形式有圆形、马蹄形和城门洞形，开挖洞径3～10 m不等。由于各隧洞断面形式不同、洞径大小各异，加之围岩条件千差万别，因此，为使隧洞变形监测布置更具针对性和合理性，不能完全对各断面变形仪器布置进行统一规定，而应根据各隧洞的结构形式、断面大小及地质情况予以区别对待。经过对各隧洞的布置、结构与地质情况深入分析，确定变形监测设施布置原则如下。

(1) 围岩内部变形监测。围岩内部变形采用多点位移计监测，当围岩为V类时，宜根据隧洞洞径大小在每个监测断面布设3～5套多点位移计，一般布设在洞顶、左右肩部和左右侧腰部[7]；当围岩为Ⅲ类、Ⅳ类时，每个监测断面宜布设3套多点位移计，一般布设在洞顶和左右腰部。

(2) 衬砌和围岩的接缝开合度监测。在衬砌和围岩间跨缝埋设测缝计，每个监测断面宜布设3支测缝计，一般布设在洞顶和左右侧腰部。

(3) 活动断裂地表位移监测和衬砌结构错位监测。在地表合适位置布设跨活动断裂的变形监测网，监测活动断裂相对两侧稳定地层的位移情况；在断裂带内的隧洞衬砌分缝上应埋设位错计，监测活动断裂变形引起的衬砌间错动情况。

典型隧洞监测断面变形监测仪器布置如图1所示。

图1 典型隧洞断面变形监测仪器布置Fig.1 Layout of deformation measurement instruments in typical tunnel monitoring sections

5.1.2水位及渗流监测布置

SL725-2016规范对隧洞内水位监测没有作出规定，而对渗流监测设施布置是这样规定的：“对于隧洞外水压力监测，宜在每个监测断面布置1～3个测点；水工隧洞穿越防渗帷幕时，应进行帷幕的防渗效果监测，并在防渗帷幕前后一定距离范围内布置测点，测点处应避开防渗帷幕灌浆影响。”

该工程各隧洞是输水总干渠的重要组成部分，其沿程水位既是运行调度的主要依据，也是隧洞安全分析的重要参量，因此需要在隧洞沿线设置水位测点，对各隧洞沿程水位开展监测。各隧洞虽不存在穿越防渗帷幕情况，但大部分隧洞位于雄厚山体之下，承受较大的外水压力，洞周大多采用灌浆方式加固围岩，使其成为承载和防渗阻水的主要结构，因此需要在灌浆圈内外布设测点，以监测灌浆圈的防渗处理效果。

基于上述分析，确定水位及渗流监测设施布置原则为：① 隧洞沿程水位监测。每条隧洞应在进、出口部位布置水位测点，当隧洞进、出口布置有控制性水闸时，可与水闸前、后水位测点结合布置；长隧洞还应根据施工支洞布置情况，在洞内合适位置布设沿程水位测点。② 衬砌外水压力监测。隧洞围岩不作灌浆处理的，宜在每个监测断面围岩表面布设4支渗压计，分别位于洞顶、左右腰部和洞底；隧洞围岩进行灌浆处理的，宜在每个监测断面布设8支渗压计，4支位于灌浆圈外，4支位于围岩表面。

典型隧洞监测断面渗流监测仪器布置如图2所示。

5.1.3应力应变监测布置

SL725-2016规范对隧洞应力应变监测设施布置是这样规定的：“对于隧洞混凝土衬砌结构钢筋应力的监测，应在衬砌的内层钢筋上布置测点，每个断面根据需要布置4～8个测点；对于隧洞混凝土衬砌应力应变监测，每个断面宜布置4～8个测点，1～4支无应力计；对于围岩与支护结构接触压力监测，每个断面宜布置1～3个测点；锚杆应力监测时每个断面宜布置3～5根监测锚杆，每根监测锚杆宜布置1～3个测点。”

图2 典型隧洞断面渗流监测仪器布置Fig.2 Layout of seepage monitoring instruments for typical tunnel sections

该工程隧洞衬砌结构所受荷载主要有围岩压力、外水压力、内水压力、弹性抗力和自重等，根据不同围岩条件和工况下的结构计算成果可知，衬砌结构并非总是内侧受拉、外侧受压，也并非总是内侧比外侧受力大，所以SL725-2016规范中“应在内层钢筋上布置测点” 的规定[8]并不合理。考虑到衬砌结构计算均会引入若干假定条件，尤其是对于地质条件较差较复杂的V类围岩区，理论计算成果很难与实际受力完全吻合，因此有必要在衬砌内、外层钢筋上均布置测点。另外，各隧洞内监测断面普遍存在引线过长问题，从监测的必要性和降低监测投资考虑，没必要对每个监测断面都开展混凝土应力监测。对稳定和受力条件较好的Ⅲ、Ⅳ类围岩监测断面，以及洞径较小的玉溪段和红河段隧洞监测断面，各类应力应变测点布置也可以进行适当简化。

基于上述分析，确定应力应变监测设施布置原则如下。

(1) 钢筋应力监测。当围岩为V类时，每个监测断面布设6～8支钢筋计；Ⅳ类围岩每个监测断面布设4～6支钢筋计。钢筋计宜根据结构计算成果布设在受力集中区或代表性位置，衬砌内、外层钢筋测点宜对应布置。

(2) 混凝土应力监测。当围岩为V类时，选择部分综合监测断面布设应变计和无应力计，应变计和钢筋计宜对应布置；当围岩为Ⅳ类时，可不开展该项监测。布设有应变计的监测断面还应布设2支无应力计。

(3) 围岩压力监测。隧洞埋深超过300 m时，一般在监测断面的洞顶和左右腰部各布设1支压应力计。

(4) 锚杆应力监测。当围岩为V类且洞径不小于8 m时，在腰部以上选择5根监测锚杆；当围岩为Ⅳ类或洞径小于8 m时，在洞顶120°范围内选择3根监测锚杆。每根监测锚杆上布设1～3支锚杆应力计，锚杆长度小于6 m时，每根锚杆布设1支锚杆应力计；锚杆长度在6～9 m之间时，每根锚杆布设2支锚杆应力计；锚杆长度超过9 m时，每根锚杆布设3支锚杆应力计。

典型隧洞监测断面应力应变监测仪器布置如图3所示。

图3 典型隧洞断面应力应变监测仪器布置Fig.3 Layout of stress and strain monitoring instruments for typical tunnel sections

5.2 施工期监测布置

5.2.1变形监测布置

施工期变形监测包括围岩表面变形监测、围岩深部变形监测和浅埋隧洞地表变形监测等。

围岩表面变形通常采用收敛断面法监测。该工程各输水隧洞洞径为3～10 m，洞径差异性很大。为了有利于测点埋设和观测，根据国内工程经验，当开挖洞径小于8 m时，宜采用收敛计配合收敛测线观测；当洞径不小于8 m时，宜采用全站仪或断面仪观测。初测收敛断面应尽量靠近开挖掌子面，每个收敛监测断面根据洞径大小分别布设3～5个收敛测点，分别布置在洞顶、左右洞肩和左右腰部。

围岩深部变形通常采用钻孔埋设多点位移计监测，主要针对隧洞开挖揭露的软弱带、破碎带、块体等施工期不稳围岩布置，每处存在失稳可能的部位宜布置1～3套多点位移计。

浅埋隧洞地表变形以监测地表沉降为主，当邻近区域有高耸建筑物时，还应监测建筑物的水平位移。地表沉降通过设置沉降标点来观测，对埋深小于4倍洞径且围岩为Ⅳ、V类围岩的隧洞，沿洞顶至少每隔50 m布置1个地面沉降测点。高耸建筑物水平位移采用全站仪配合棱镜观测，对距隧洞50 m范围内且高度超过30 m的建筑物，每个建筑物顶部至少布置1个固定测点。

5.2.2渗流监测布置

施工期渗流监测主要是对潜在突涌水隧洞开展渗水流量监测。当隧洞穿越富水或储水构造时，会在隧洞内形成集中渗水或涌水，短时超量渗水可能危及人员与设备安全，因此有必要对施工期的集中渗水开展监测[9]。监测方法可以采用容积法、量水堰法、抽排容量法。当出水量较小且出水点集中时，宜采用容积法量测；而当涌水量较大或涌水点分散时，宜设置量水堰观测。当量水堰不便设置时，可以根据排水泵抽排能力进行流量估算。

5.2.3应力应变监测布置

施工期应力应变监测主要指对初期支护措施(锚杆、钢拱架)的受力开展监测。锚杆受力采用锚杆应力计监测，每个不稳围岩区域至少选择3根监测锚杆，每根监测锚杆宜根据锚杆长度，布置1～3支锚杆应力计。钢拱架受力采用钢板计监测，每个不稳围岩区域至少选择2榀钢拱架，每榀钢拱架宜布设3支钢板计，一般布设在洞顶和左右腰部。

5.2.4有害气体监测布置

对富含毒害气体的隧洞应开展有害气体含量监测，重点监测部位为：开挖掌子面、煤层出露处、岩石裂隙面、溶洞、软弱结构面、不良地质段、围岩岩性突变处等。监测方式以人工检测为主，即由检测人员携带便携式设备，到可能产生有害气体的部位直接检测。检测人员应携带必要的防护和自救设备，一般2～3人一起进洞，彼此拉开约30 m距离，边检查边前进。当需要通过的地层中有害气体含量较高且地层较宽大时，可在隧洞中建立有害气体自动监控系统，实现在线实时监测与预警[10]。

6 结 语

目前，依据本文所述设计原则编制的《滇中引水工程安全监测初步设计技术规定》已经通过了水利部水利水电规划设计总院组织的专家审查，并得到了与会专家的一致认可。这些设计原则作为隧洞监测设计的指导性依据，在随后的安全监测专题设计和安全监测招标设计中得到了全面贯彻，从而有力保证了全线隧洞监测设计的标准统一和设计成果质量，对以后同类隧洞的监测设计也具有较大参考价值。