某核电工程海底隧洞排水立管施工监测技术

杨宏波,李应川,刘文彬

(1.中广核工程有限公司，广东 深圳 518000; 2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概况

某核电工程全厂规划建设6台百万千瓦级核电机组，一期工程规划4台核电机组，每台机组修建1条海底排水隧洞，一二号机组共2条排水隧洞在海底呈灯泡型线型布置，平面最小曲线半径为300 m(见图1)。隧洞全长约为3.5 km，其中两端陆域侧采用矿山法施工，长度约为0.7 km；海域侧采用泥水盾构施工，长度约为2.8 km。盾构隧洞外径为7.4 m，内径为6.7 m，管片环宽为1.2 m，厚度为35 cm，管片采用“3+2+1”通用楔形管片方案。

图1 排水隧洞平面示意

排水隧洞最大埋深约为22.3 m，最小埋深约为10.9 m，最大水深约为25.6 m，隧洞顶部承受的最大水压约为0.35 MPa，在排水隧洞末端设置A1、A2排水头部，排水头部海域水深约为20 m，A1、A2排水头部各有8个排水口，设置于R-300 m曲线上，按12 m间距布置，排水口由排水立管(见图2)和混凝土圆筒箱体组成(见图3)。其中A1立管的高度为8.8 m，A2立管的高度为9.8 m，立管在海底需要穿透隧洞的覆盖土层，下端与隧洞顶部连接，上端与海水贯通。立管上部构筑物为混凝土圆筒箱体，箱体内直径为7.6 m，重约400 t，安装在海底将每个排水立管口罩住，以防止潮流和杂物对排水口的冲刷。

排水口整体施工顺序：排水立管在海底栽种—盾构切削通过立管—排水立管与隧道连接。

图2 排水立管照片示意

图3 排水头部结构示意(单位:高程 m，其余均为mm)

2 排水立管栽种工艺简介

排水立管“栽种”采用“在海上作业平台上下沉钢护筒，然后在钢护筒内冲孔，最后在钢护筒内安装排水立管”的施工工艺。现场实际采用比利时“力雅号”海上平台作为施工载体，力雅平台的船舷长边尺寸为55.5 m，就位1次可以同时施工2～3根立管。排水立管的栽种流程为：施工准备→施工平台就位→牛腿、导向架安装→钢护筒安装→水下冲孔→成孔检验→排水立管安装→混凝土导管安装→水下混凝土浇筑→钢护筒上拔→排水立管注浆加固。

3 海底排水立管监测技术

3.1 排水立管监测目的

排水立管“栽种”在隧洞轴线上(海水深度约为20 m，隧洞覆盖层厚度约为10.0 m)[1]，后续要在成型隧道内开孔与立管底部进行连接。需要采用施工过程信息化监测，实现对排水立管倾斜角度数据收集，准确分析排水立管栽种时及盾构机切削通过后立管的倾斜状态，并判断排水立管与排水隧洞的位置关系。

3.2 排水立管监测仪器介绍

在排水立管栽种过程中，引进了北斗云监测技术对排水立管栽种过程进行实时监测。北斗云倾斜传感器主要对滑坡体/桩体的倾斜角度和倾斜方向进行监测。通过与被测物体刚性绑定的方式将传感器部署于监测点深部，通过倾斜、相对位移等监测手段获取被测物的倾斜和相对位移数据，可连接数据采集仪，通过GPRS/3G/4G/SMS/北斗短报文/LORA等通信方式传输到监测云平台[2]。

3.2.1倾斜传感器

排水立管监测主要使用的是高精度倾角传感器(见图4，技术指标见表1)，可实现多节、多深度高精度倾斜角度测量[3]；可实现方向角测量；能确定每个节点的变化前后坐标；测斜分辨率为0.001°，精度为0.01°；方位角传感器分辨率为0.05°，精度为0.5°。

图4 高精度倾角传感器

表1 倾斜传感器技术指标

3.2.2数据采集仪

北斗云数据采集仪是北斗云现场物联网系统的重要组成部分。北斗云数据采集仪支持232、485、CAN总线式等多种接口，数据通讯支持LORA数传、WIFI或光纤接线。场地内可选择无线或有线形式与北斗云路由器连接。

北斗云数据采集仪(见图5，技术指标见表2)可以使复杂的传感器简单化，同时数据采集仪将收集到的一段时间内的所有数据进行统计分析，可提高数据的准确性、稳定性和质量。数据采集仪功能包括：通过有线方式连接传感器，然后通过无线方式将采集到的数据上传至北斗云路由器；场地内使用LORA物联网数传模块与北斗云路由器通讯；支持RS485等接口；采用更可靠的通讯方式(内部局域网模式)使通讯得到保障。

其特点是将数据无线传输至北斗云路由器，不占用场地内空间布线；场地内通过LORA物联网数传模块传输数据，数据可进行本地计算；支持多种接口，可匹配多种传感器。

图5 北斗云数据采集仪示意

表2 数据采集仪技术指标

3.3 北斗云倾角传感器应用于排水立管监测方法介绍

本次排水立管监测利用基于物联网的倾斜传感器，采用固定点预埋的方式(倾斜传感器安装示意及安装过程见图6)，实现倾斜传感器与被测排水立管同步变化，实时快速的测量到排水立管安装至海底后的3项垂直度数据，即倾斜角度(相对倾斜)、倾斜方向(位移方向)、立管底部水平位移(通过数据解析反算)。

根据监测现场倾斜传感器上传的海量数据，分类进入数据库，通过北斗云手机端APP应用(见图7)实现数据实时读取(见图8)。手机端APP具有云监测项目管理功能，在项目中可查询相关管理人员、责任人以及工程上设备运行情况等。手机APP应用支持远程和近程的数据双向交互，在工程现场通过手机上的简单操作即可完成设备的安装与调试，缩短设备上线等待时间[4]。

图6 倾斜传感器安装示意图及安装过程示意

图7 北斗云手机端APP界面示意

图8 APP实时读取的数据示意

3.3.1倾角传感器测量时间点、基准点选择

根据栽管过程中立管的各种状态选取了不同时间点进行垂直度监测(见图9)，即排水立管吊起悬空状态(以此状态为初始化基准点)，排水立管浸入海水未触底，排水立管触底稳定后脱钩(以此状态为最终基准点)，以这3个代表性的时间点监测数据对立管垂直度的变化情况进行实时监测。

(a)排水立管悬空 (b)排水立管浸入海水 (c)排水立管触底

图9 垂直度监测时间点选择示意

3.3.2排水立管倾斜方向说明

排水立管倾斜方向定义为正北方向与立管几何中心线在水平面上的投影方向之间的夹角[5]。如图10所示，线段O1O2即为立管几何中心线在水平面上的投影方向，所以∠N-O1-O2即为立管当前状态的倾斜方向。

图10 排水立管倾斜方向示意

安装方向：排水立管在海上平台显示的倾斜方向并不是真实立管的倾斜方向，此数值默认方向(为利用电子罗盘测量初始方向，操作方法为电子罗盘显示正北方向与测斜仪器水红色数据线方向重合的读数)为零即与正北方向重合，但实际安装过程中无法保证设备安装方向一直为正北。

平台读数：平台读数为测斜仪器实际测量数据，即仪器中的相对倾斜方向读数。

真实读数：真实立管倾斜方向=平台读数+安装方向-90°

如图11所示，水红色数据线出水位置为东偏南60°与正北夹角150°，所以安装方向为150°。

图11 排水立管安装方向示意

确定真实立管倾斜方向：假设平台读数倾斜方向为0°则真实立管倾斜方向=平台读数+安装方向-90°=0°+150°-90°=60°。

3.2.3排水立管倾斜角度(相对倾斜)

排水立管倾斜角度定义为立管几何中心线与铅垂线(初始状态下立管的几何中心线)之间的夹角[6]。假设立管倾斜状态为，立管真实倾斜方向60°，倾斜角度30°，通过立管底部中心点O1沿方位角60°方向做垂直剖面图可以得到图12。

图12 排水立管倾斜角度示意

此时O1O2与铅垂线的夹角即为倾斜角度(30°)，倾斜角度监测数据通过北斗云可视化APP可直接读取(见图8所示)。

4 排水立管监测数据解析

4.1 排水立管位移数据解析

排水立管吊装至钢护筒内部准备下放前需要将排水立管顶部中心与钢护筒中心进行拟合(此时排水立管处于垂直状态，立管顶部中心与底部中心位于同一铅垂线上)，因钢护筒定位后的中心与设计中心存在一定的偏差，实际排水立管顶部中心(x1，y1)与设计中心产生的绝对位移为ΔL(沿x、y方向分解产生的位移分别为Δx、Δy)。

排水立管吊装下放至钢护筒内，排水立管上部限位块直径为3 650 mm(限位块作业为限制排水立管上部位移空间)，钢护筒内径3 800 mm，排水立管下放接触孔底后测斜仪测出排水立管产生一定倾斜(因冲孔完成后的钢护筒底部为非绝对水平状态，立管底部中心与顶部中心不再位于同一铅垂线上)，立管底部中心相对于立管顶部中心产生的位移ΔL1后的实际坐标为(x2，y2)，该坐标相对于立管顶部中心沿x、y方向分解产生的绝对平面位移值为Δx1、Δy1。

综上所述，排水立管底部最终坐标为(x2、y2)=(Δx+Δx1，Δy+Δy1)(见图13)。

图13 排水立管与钢护筒位置关系示意(立管向正南方向倾斜2°)

4.2 排水立管倾斜方向高程差数据说明

通过北斗云倾角传感器监测立管产生倾斜方向及角度，以排水立管底部中心为基点，排水立管沿倾斜方向(以及倾斜相反方向产生的高差)产生的高差为Δh，Δh即为后续排水立管与隧洞连接钢板尺寸偏差值(排水立管预埋了钢板环，后期需与隧洞焊接形成整体)。如图14所示，立管底部高程差：Δh=3 400/2×sinа(mm)，立管钢板环位置高程差：Δh=2 700/2×sinа(mm)。

图14 排水立管倾斜方向高差示意(单位:mm)

5 排水立管实际监测数据解析

以下通过北斗云倾角传感器测得的A1-1排水立管实际监测数据进行解析(见表3)。

表3 A1-1立管安装监测数据统计及分析说明

对监测的数据统计分析[7]，A1-1立管顶部较设计立管中心沿x方向产生偏差Δx=2 mm，沿y方向产生偏差Δy=-39 mm，平面偏差ΔL=39 mm。A1-1立管倾斜角度为0.062°，由此底部相对于顶部产生的位移为11.25 mm，立管倾斜方向为北偏西24.50°，分解位移可以得到立管顶部中心相对于底部中心X方向(南北向)产生偏差Δx1=-10.24 mm，Y方向(东西向)产生偏差Δy1=-4.67 mm。

综上数据可得出，立管底部较设计立管中心最终偏差x方向产生偏差为：Δx+Δx1=-8.24 mm，y方向产生偏差为：Δy+Δy1=-43.67 mm(见图15)。

图15 A1-1排水立管倾斜方向及底部位移数据解析

立管倾斜方向高差：Δh=2 700/2sin(0.062°)=1.46 mm，式中：2 700 mm为排水立管外径，倾斜角度а=0.062°(见图16)

图16 A1-1排水立管倾斜方向示意

通过运用北斗云对排水立管的监测技术，结合数据实现了对已经“栽种”的海底排水立管理论状态的分析(如图17所示)，为后续盾构机掘进下穿排水立管时的参数设定提供了一定的理论依据，盾构机在下穿立管过程中可通过调整掘进参数更好地保护排水立管的稳定状态，同时，也为后续排水立管与隧洞连接奠定了安全基础。

图17 A1排水立管群监测数据解析理论倾斜状态(倾斜状态放大10倍后效果)

6 结语

海底排水立管作为核电厂海底排水隧洞冷却水排放的重要构筑物，其栽种施工的精度直接决定后续排水立管与隧洞连接的难度。文章采用北斗云监测系统，通过信息化的监测手段收集排水立管栽种后的实际状态，对后续排水立管与隧洞连接具有重要的指导意义。排水立管监测技术的运用为排水立管与隧洞连接提供了重要依据，同时也为类似海底构筑物监测提供了借鉴案例。