引大济湟长距离引水隧洞安全监测设计研究

杜泽快 刘洪亮

摘 要：根据引大济湟工程引水隧洞的工程特点，在充分考虑安全监测技术发展现状，并方便监测自动化系统组建的前提下，永久监测仪器选用了新型光纤光栅传感器，以适应信号长距离传输需要。在隧洞内钻孔埋设仪器对主体土建施工影响很大，因此将施工期监测和永久监测分开考虑，施工期监测根据开挖揭露的地质缺陷随机布置，以表面安装设施为主，尽量不影响主体土建施工;永久监测根据结构设计及地质条件按断面法布置，以钻孔埋设仪器为主，待隧洞贯通后再集中进行埋设，尽量不占用土建直线工期。监测自动化系统在通水前一次性建成，主要采集设备全部设在隧洞外，以确保系统能长期可靠运行。

关键词：引水隧洞;安全监測;设计;引大济湟工程

中图分类号：TV698.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.023

Abstract：According to the engineering characteristics of the water diversion tunnel of Datong-to-Huangshui Water Diversion Project and taking full account of the development status of safety monitoring technology and facilitating the establishment of automatic monitoring system， a new type of fiber Bragg grating sensor was selected as permanent monitoring instrumentation to meet the needs of long-distance signal transmission. Drilling and installing instrumentation in the tunnel had great impacts on the main civil construction. Therefore， the monitoring during the construction and permanent operation periods were treated separately. The monitoring during the construction period was randomly arranged according to the geological defects exposed by the excavations and the surface monitoring facilities were mainly used to minimize the impacts on the main construction. Permanent monitoring was arranged mainly by boring and installing instrumentation the cross-sections according to the structural design and geological conditions. After the tunnel transfixion， the permanent instruments would be installed in a short time， so as not to occupy the civil construction period. The automatic monitoring system would be built at one time before that the water flows through the tunnel and the main acquisition equipment would be all set up outside the tunnel to ensure that the system could run reliably for a long time.

Key words： water diversion tunnel; safety monitoring; design; Datong-to-Huangshui Water Diversion Project

1 工程概况

引大济湟工程是一项引大通河水穿越大坂山进入湟水河上游的跨流域调水工程，主要任务是向西宁市和北川工业区的生活、工业供水，同时兼顾河道基流补水和发电。引大济湟工程的长距离引水隧洞是该工程的重要组成部分，它从大通河右岸坝前进洞，以全隧洞方式穿越大坂山，到达湟水河上游宝库河的纳拉。该引水隧洞建筑物等级为2级，设计流量为35 m3/s，洞径5.6～6.1 m，洞线全长24.3 km，最大埋深约1 100 m，中间不设施工支洞，除进口3 km和出口1.2 km采用钻爆成洞外，其余洞段均采用掘进机（TBM）施工。引水隧洞工程线路长、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多条大断层[1]，是决定该工程建设成败的关键项目，为保证隧洞在施工与运行期的安全稳定，并便于日常运行管理，应对其关键部位布置各类观测设施，进行长期和重点监测。

2 安全监测设计的技术难点

根据引大济湟工程引水隧洞的总体布置、沿线地质条件和开挖施工特点，其安全监测设计过程中存在如下技术难点。

（1）传统仪器选型受限。传统的监测仪器主要有差阻式和振弦式两种，受仪器测量原理所限，其信号有效传输距离一般不超过2 000 m[2]，而该隧洞线路长度为24.3 km，远大于仪器信号有效传输距离，因此传统仪器无法满足引水隧洞的监测需要。

（2）洞内供电条件较差。该隧洞为长距离无压输水隧洞，若将监测仪器的数据采集设备设在洞内，需为设备提供稳定的工作电源。而隧洞内的采集设备布置分散，为保证所有设备都能接入电源，需从隧洞进、出口向洞内长距离高压供电，供电难度和设备投资较大。另外，在隧洞正常输水运行工况下，洞内环境湿度接近100%，难以保证供电设备长期稳定工作。

（3）仪器埋设及时性差。该隧洞主体部分采用TBM施工，TBM总长近百米，开挖时机头部位连续掘进、后配套连续衬砌、出渣系统连续运转[3]，除非TBM停机留出专门的监测仪器埋设时间，否则监测仪器无法及时安装，也就无法观测到围岩的完整变形过程。而隧洞开挖任务重、工期紧、难度大，土建施工不可能因监测仪器埋设的需要而停工，使得监测仪器不可能及时埋设安装。

（4）仪器埋设对结构破坏性大。在隧洞围岩内埋设仪器时，往往需先在设计位置钻取安装孔，TBM洞段的围岩全部为管片履盖，不具备围岩表面钻孔的施工条件，监测仪器只能打穿管片才能安装。当某一监测断面布置仪器数量较多时，导致同一圈管片上多处开孔，将严重影响管片的结构完整性和整体受力安全。

3 安全监测布置设计

3.1 安全监测设计原则

针对引大济湟工程引水隧洞的施工方法、结构特点和监测技术难点，参照国家有关监测技术规范，确定引水隧洞安全监测系统的设计原则。

（1）仪器选型在满足测量精度的前提下，力求做到可靠、耐久、经济、实用，并适应信号长距离传输需要，以便实现自动化监测。

（2）监测断面尽量布置在引水隧洞沿线有代表性的部位，能反映不同地质洞段在施工期和运用期的工作状况。

（3）将施工期监测和永久监测分开考虑，施工期监测以临时性表面埋设测点为主，永久监测仪器以围岩内钻孔埋设仪器为主。永久监测仪器待隧洞贯通后再集中埋设，以适应TBM连续施工的特点。

（4）永久监测项目以围岩变形和渗压监测为主，以衬砌应力应变监测为辅，仪器布置力求少而精，以尽量减少仪器埋设对管片造成的破坏。

（5）隧洞完工前对主要监测项目实现联机实时自动监测，以满足引大济湟工程的长期运行管理需要。

（6）对所测资料及时进行整理、分析和评价，以对工程存在的不安全因素及时发现、报警，并采取相应处理措施。

（7）除用仪器、仪表进行监测外，还必须按国家规范要求定期对各建筑物进行人工巡视检查。

3.2 主要监测项目选择

（1）施工期安全监测。施工期安全监测是服务于施工安全或服务于施工过程控制（如确定支护方案、选择二衬时机、测量围岩地应力、确定灌浆压力等）而开展的临时性监测。该隧洞选定的施工期监测项目有围岩表面变形、管片表面变形、管片表面应变、软岩段围岩变形、高埋深段围岩地应力、高地下水段围岩渗压、施工期巡视检查等。

（2）永久安全监测。永久安全监测是服务于工程正常运行，为保障建筑物结构安全或运行安全而开展的持续性监测。该隧洞选定的永久监测项目有围岩深部变形、衬砌或管片外围水压力、支护锚杆应力、衬砌结构应力应变、进出口水位流量、进水口水质、运行期巡视检查等[4]。

3.3 施工期监测设施布置

施工期监测以方便快捷的临时性监测手段为主，通常在开挖面或衬砌表面埋点开展监测，尽量穿插在土建施工间隙埋设测点，从而不干扰隧洞开挖衬砌施工的连续性[5]。施工期监测设施根据开挖揭露的地质缺陷布设，其位置具有不确定性和随机性。该工程主要施工期监测设施布置如下。

（1）围岩表面变形监测。在隧洞进、出口段钻爆施工过程中，对Ⅱ、Ⅲ类围岩每隔100～200 m布设1个收敛监测断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩每隔50～100 m布设1个收敛监测断面，特别破碎带加密布设断面。每个断面设置5个收敛测点（见图1），收敛测点直接固定在洞壁岩石上，以监测开挖卸荷后围岩表面松弛变形情况。

（2）管片表面变形监测。在隧洞TBM段掘进过程中，对Ⅱ、Ⅲ类围岩每隔200～300 m布设1个收敛监测断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩每隔100 m左右布设1个收敛监测断面，破碎带和软岩段加密布设断面。每个断面设置6个收敛测点（避开顶部通风管），收敛测点固定在管片内表面上，以监测围岩变形对管片的挤压作用情况（见图2）。

（3）管片表面应变监测。TBM段经过破碎带和软岩带时，围岩对管片的挤压作用较大。为监测围岩挤压引起的管片应变及变化情况，选择在代表性部位布置3个管片应变监测断面。每个断面布设3支表面应变计，用环氧树脂牢固粘贴在管片内表面（见图3）。

（4）软岩段围岩变形监测。软岩段在TBM机掘进成洞后，围岩在一段时间内会持续变形，由于成洞后围岩马上被管片覆盖，因此现场难以对围岩变形进行直接监测。经过对TBM开挖和衬砌特点深入研究，发现可以利用管片上预留的灌浆孔，在施工期安装位移计，对围岩与管片间的相对位移开展监测。为此，选择在代表性软岩段布置6个围岩变形监测断面，每个断面的顶拱和左右侧利用灌浆孔各埋设1支位移计（见图4）。

（5）高埋深段围岩地应力监测。在高埋深洞段布置2个地应力监测孔，以观测隧洞围岩的地应力水平。其中：一个位于TBM前段的埋深较大处（桩号17+140），目的是提前了解岩石地应力水平，为后续确定支护方式和支护时机提供参考依据;另一个位于隧洞埋深最大处（桩号14+000），目的是掌握最大埋深处的岩石地应力。地应力监测采用孔壁应变解除法，利用特制空心包体孔壁应变计组进行观测。

（6）高地下水段圍岩渗压监测。在地下水丰富或围岩渗压较高的洞段，利用管片灌浆孔在围岩表面布设7支渗压计，用以监测围岩地下水和渗压变化情况。

（7）施工期巡视检查。施工期巡视检查主要依靠人工目视观察，辅以量尺、放大镜、照相机等便携工具开展。在施工期对钻爆段主要检查围岩表面有无坍塌、掉块、开裂、冒顶、集中渗水等现象，衬砌混凝土表面有无破损、开裂、渗水、冒白浆等现象。

3.4 永久监测仪器布置

永久安全监测是为保障结构安全或运行安全而开展的安全监测，通常需要在围岩或衬砌混凝土内埋设各类仪器，并在运行期进行持续观测。为了不干扰隧洞开挖和衬砌施工的连续性，不占用主体土建工程的直线工期，隧洞内的永久监测仪器均安排在隧洞贯通至试验性通水的时段集中进行埋设安装。

（1）监测断面的选择。隧洞内的永久监测仪器均按断面法进行集中布置，即：根据引水隧洞的结构设计及沿线地质条件，选择在围岩稳定性较差、洞室埋深较大、断层破碎带、软岩带等典型不利洞段布置监测断面[6]，每个断面上集中布置监测仪器进行较全面的监测。该隧洞共选定了10个监测断面（按水流方向，依次编号为1#～10#），其中：进口和出口钻爆段共3个，位置分别为桩号0+950、1+610、23+920;TBM施工段共7个，位置分别为桩号4+715、6+550、8+310、10+750、12+530、15+860、16+810。

（2）永久监测项目与仪器布置。除10#监测断面距出口较近且较早施工，而采用了点式（法布里空腔）光纤仪器外，其他各永久监测断面均采用了光纤光栅式传感器，以适应仪器信号长距离传输的需要[7]。该隧洞内永久监测项目和仪器布置如下（见图5、图6）：①围岩深部变形监测。根据隧洞内围岩地质条件，在每个监测断面处变形不利侧各布设了3套光纤多点位移计。②外围水压力监测。在每个监测断面的衬砌或管片外侧各埋设了1支光纤渗压计。③锚杆应力监测。在进口钻爆段2#监测断面和出口钻爆段10#监测断面上各选择5根代表性锚杆，每根锚杆上布设了1支锚杆应力计。④衬砌结构应力应变监测。在进口钻爆段2#监测断面和出口钻爆段10#监测断面上，各布设5支钢筋计、3支应变计、1支无应力计和1支温度计（用于消除光纤仪器温度影响）。⑤水位监测。在各监测断面的隧洞内壁表面各布设1支光纤水位计。⑥流量监测。在隧洞进口桩号0+020和出口桩号24+140附近各布置一套8声路超声波流量计[8]，用于运行期引水流量的在线观测，并作为进水闸控制开度的依据。⑦进水口水质监测。在隧洞进水口前布置1个水质分析监测点，定时、定期取水样进行水质分析。⑧运行期巡视检查。引水隧洞在工程运用期不具备定期巡视检查条件，应尽可能利用输水间歇期进行专门检查。巡视检查主要依靠人工目视观察，辅以量尺、放大镜、照相机等便携工具开展。主要检查衬砌或管片表面有无破损、开裂、错台、垮塌、渗水、冒白浆等异常现象。

4 监测自动化系统设计

4.1 自动化系统网络结构

引水隧洞安全监测自动化系统采用分布式智能化网络结构，分为两个监控层次：第一层监控是将分布于引水隧洞各监测断面的传感器引入相应的测控装置（MCU）内，由各测控装置进行第一级监控;第二层监控是将各测控装置全部接入监控管理站内的监控主机，由监控主机进行第二级监控。该隧洞仅将永久监测仪器接入监测自动化系统，各测控装置分别设在隧洞进、出口现地监测房内，监控管理站的监控主机设在隧洞进口启闭机室内。根据引水隧洞内各监测断面的位置、测点布置及仪器类型，该系统共配置了各类测控装置6台（仪器类型不同，配备MCU类型也不同）。该工程监测自动化系统具体网络结构[9]（见图7）如下。

（1）1#～9#监测断面处的仪器通过光缆直接接入隧洞进口启闭机室内的3台MCU（2台16通道光纤解调仪和1台8通道光纤解调仪）内，其测量数据再由光纤MCU就近上传至监控主机。

（2）10#监测断面处的仪器通过光缆接入隧洞出口监测房内的1台DMI（16通道测控装置）内，其测量数据经转换后通过当地的移动通信网络（C网或G网）发送至隧洞进口监测室内的接收装置内，再经数据转换后上传到监控主机。

（3）隧洞进口流量计用电缆接入监控管理站内的流量计主机，采集的数据再直接传入监控主机。

（4）隧洞出口流量计用电缆接入出口监测房内的流量计主机，采集的数据再通过移动通信网络传输后接入监控室内的监控主机。

4.2 自动化系统功能要求

监测自动化系统具有数据采集功能和信号越限报警功能，其运行方式可采用应答式、自报式及其他特殊方式。数据采集方式可采用常规巡测、检查巡测、定时巡测、常规选测、检查选测、人工测量等。设在监控管理站内的监控主机具有监视操作、输入/输出、显示打印、报告测值状态、调用历史数据、评估运行状态等功能;采用的软件具有在线监控、离线分析、安全管理、数据库管理、网络系统管理、远程监测及辅助服务等作用。整个系统的运行管理包括系统调度、网络管理、过程信息文件处理（包括形成、进库、通信等）、调度各级显示画面及修改相应的参数等、修改系统配置、系统测试、系统维护等。

自动化系统具有防雷、抗干扰措施，保证系统在雷电感应和电源波动等情况下能正常工作。系统备有与便携式监测仪表的接口，能够使用便携式监测仪表采集数据，并送入监测系统。系统的测量精度应满足有关监测规范中的各项要求[10]。

5 结 语

引大济湟工程引水隧洞目前已全线贯通，除监测自动化系统尚未完全建成外，安全监测系统已全部安装完毕。通过分析，可以得到以下经验供类似工程参考：

（1）当引水隧洞长度较大（>2 km），且洞内不具备观测站布置条件时，可以采用新型光纤光栅式仪器，能有效克服传统仪器电缆引线距离受限的缺点，还可以将光缆串联牵引，从而大大减少传输线缆工程量。但因光纤光栅式仪器近年才发展起来，目前国内工程实例不多，故仪器耐久性、稳定性尚需进一步验证。

（2）当引水隧洞采用TBM法连续施工时，可以将施工期监测和永久监测分开设置。施工期监测以表面埋设测点为主，要求及时埋设、及时观测，尽量观测到待测项的主要变化过程。永久监测以钻孔埋设仪器为主，待隧洞全线贯通后再集中埋设，可以避免占用隧洞开挖施工的直线工期。

（3）引水隧洞采用光纤光栅仪器后，其信号传输介质均为光缆，可以有效克服洞内高温、高湿的不利条件;自动化系统主要设备均设在洞外观测房内，可以提供优良、恒定的运行环境，从而能够保证系统长期、可靠运行。

参考文献：

[1] 林万胜，廖太玉.引大济湟大坂山引水隧洞工程地质问题初步探讨[J].青海水利，1995（2）：33-35.

[2] 江晓明，张德康.重新认识差阻式传感器[J].西北水电，2011（增刊1）：111-114.

[3] 崔原.青海引大济湟调水总干渠工程引水隧洞TBM[J].建筑机械，2016（2）：44-47.

[4] 中华人民共和国水利部.水利水电工程安全监测设计规范：SL725—2016[S].北京：中国水利水电出版社，2016：64.

[5] 国家能源局.水电水利工程施工安全监测技术规范：DL/T5308—2013[S].北京：中国电力出版社，2013：1.

[6] 高焕焕，张雷，何新红.长引水隧洞安全监测设计关键技术初探[J].西北水电，2011（增刊1）：5-7.

[7] 游艇.引输水隧洞和管线工程安全监测设计[J].东北水利水电，2018（2）：6-7.

[8] 朱正偉，夏洲.超声波流量计在南水北调东线泗阳站的应用[J].水电自动化与大坝监测，2011，35（4）：81-83.

[9] 钟江.光纤光栅监测仪器在长隧洞远距离传输工程中的应用[J].甘肃水利水电技术，2009（12）：30-33.

[10] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.大坝安全监测自动化技术规范：DL/T5211—2005[S].北京：中国电力出版社，2005：12-13.

【责任编辑 张华岩】