长距离输水隧洞安全监测设计

刘海波

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000）

1 工程概况

新疆某工程为Ⅰ等大（1）型工程，其中SS 段隧洞为无压输水隧洞，总长92 km，隧洞前后接进出口埋涵。SS 隧洞位于中低山区，海拔685～1 003 m，地形呈两头深、中间浅的特征，各段平均埋深分别为197 m、71 m，157 m，全线平均埋深为156 m，最大埋深为295 m。隧洞洞身段揭露的地层岩性以泥盆系和石炭系凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩、凝灰质角砾岩为主，中后部24 km 分布有侏罗系、白垩系、第三系软岩地层。SS 隧洞根据地质及地形条件，隧洞前半段采用2 台TBM 全断面掘进机结合钻爆法进行施工，SS 隧洞后半段采用3 盾构机结合钻爆法进行施工，TBM 施工段总长46 km，盾构施工段总长19 km，钻爆法施工段总长27 km。

2 监测目的

该工程极为重要，而SS 段是该工程的重要组成部分，对该工程进行安全监测设计的目的就是根据建筑物的类型和级别，合理选择监测项目，并结合地质条件和结构特点等进行合理的监测布置，获取建筑物在施工期和运行期的安全性、工作状况等信息，从而为指导施工、反馈和优化设计、监测运行期的安全提供依据。

作为现代化信息施工理念的重要组成部分，施工期安全监测可以对施工中可能出现的重大质量、安全问题进行及早识别和判断，为工程提前采取预防、处理措施提供依据，保证工程进度与安全[1]。同时，安全监测结果和信息也可以反馈设计，丰富设计参数和基础资料，对改善施工工艺、提高设计水平有着重要的指导意义。通过对各类监测成果资料的分析整理，可以归纳总结工程经验和变化规律，也兼顾了工程科研的需要。

3 监测设计原则

监测设计的目的是根据建筑物的特点，合理设置监测内容，获取建筑物在施工期和运行期的安全性、工作状况等信息，对拦河枢纽、分水闸、泵站、埋涵等建筑物的监测重点主要是永久期监测，而SS 隧洞部分既需要掌握运行期的工作状态也需要了解施工期的安全性及施工期至运行期的变化情况，则其监测设计应兼顾施工期和运行期两个阶段[1][2]。

1）施工期安全监测设计原则

（1）满足施工期安全监测需要，并兼顾后期永久监测；

（2）根据不同围岩特征布置，突出重点（如断层、软岩、岩爆、涌水等）；

（3）结合施工分段、施工方法的特点布置监测断面；（4）监测断面和监测类型的选择应充分、可靠。

2）永久期安全监测设计原则

（1）监测项目应按照突出重点、兼顾全局的原则，合理布置；

（2）新技术与常规技术相结合，有针对性，能有效、合理、可靠地监控工程安全运行状态；

（3）施工期监测与永久期监测相结合，充分发挥工程安全监测的作用；

（4）不同监测项目仪器集中布置，便于监测结果相互印证解释；同时，还应满足结构全局整体稳定分析的需要；

（5）动态监控工程运行期各部位的工作性态，能够预测、预报工程运行工作性态，以便及时进行维护，避免小型事故，杜绝大、中型事故；

（6）选用的监测仪器种类力求统一；在信号传输方面，应避免仪器信号长距离传输而造成的衰减。

4 监测项目选择

该工程主要监测项目的选择按照《水利水电工程安全监测设计规范》（SL725-2016）进行，而SS 隧洞属于2 级建筑物。规范规定的项目见表1。

表1 水工隧洞安全监测项目分类和选项表

5 监测仪器选择

用于水工建筑物安全监测的仪器设备工作环境较为恶劣，大部分监测仪器设备埋设完成后难以修复或更换，因此除了必须具备良好的技术性能，满足必要的使用功能外，监测仪器的选型还需满足以下基本要求[3]：

1）高可靠性：仪器要求精确可靠、耐久、长期稳定性好，易于保护且不易被人为破坏。

2）耐恶劣环境：仪器要求能在相对湿度大于95%的条件下长期正常工作，并且要求密封性好、耐水防潮能力强，并能具有较好的耐腐蚀性能。

3）便于长距离传输：对于SS 隧洞中选用的仪器设备，应能适应深埋长隧洞供电条件不足的特定条件，要求选择信号传输距离长、信号衰减慢的仪器。

4）仪器种类力求统一：所选用监测仪器种类应力求统一，从而减少信号采集单元的种类和数量，便于实现信号自动采集。

5）性价比高：在满足相关的技术要求的条件下，仪器设备的采购价格、维修费用、安装费用、配套的测读仪表、传输信号的电缆等直接和间接费用应尽可能低廉。

国内用于水工安全监测的仪器设备按传感器分类有钢弦式、差动电阻式、电感式、电容式、压阻式、电位器式、热电偶式、光纤光栅式、电阻应变片式等多种类型，国内较为常用的是钢弦式和差动电阻式仪器。对于SS 隧洞，由于隧洞埋深大，支洞长，洞内供电条件较差，采用常规式仪器难以满足信号传输距离限制要求，为此在SS 隧洞内采用以光纤光栅式仪器为主的监测仪器。

6 安全监测布置

6.1 安全监测的布置原则

1）隧洞及埋涵距离较长，监测断面布置分散，仪器监测系统总体布置以隧洞进、出口以及各主要施工平洞等为系统通信节点，支线光缆从隧洞进口贯通至出口，监测系统数据采集设备（光栅解调仪）通过以太网双绞线与通信节点的工业以太网交换机连接后，就近传送至骨干传输节点的光传输设备上。

2）隧洞安全监测断面主要布置在隧洞进出口、主支洞交叉段、断层带、大断面，软岩软土洞段、富水洞段等位置。

3）隧洞变形监测主要布置在胡杨林洼地的泥岩、砂岩、f 92 活断层、砂土洞段，以及隧洞出口含土角砾洞段。多点位移计尽量在隧洞埋深较浅的位置布置，仅对活断层断面进行结构缝位移监测。总体而言，监测断面尽量靠近施工支洞布置，以方便数据采集。

4）隧洞水量监测主要布置在隧洞进出口、1#、2#、3#、4#、7#、9#施工支洞交叉口，间隔13 km 左右。隧洞进出口测量流量、水位，主支洞交叉口等水流紊乱区域测量水位、温度，组装洞、检修洞等扩大断面测量水位。

5）根据地质勘察成果，SS 隧洞无岩爆区，隧洞不做围岩高应力监测。

6）隧洞监测仪器中的锚杆应力计、钢板计、土压力计、渗压计、多点位移计可供施工期临时安全监测使用。

7）进出口埋涵各布置1 组安全监测断面，主要测量埋涵衬砌混凝土、钢筋应力。

8）隧洞进口、出口边坡内观监测，包括进口强弱风化层边坡锚杆应力监测，出口土体边坡滑移监测。

6.2 隧洞重点、一般监测断面

SS 隧洞工程重点监测断面考虑以下因素选择[4][5]：

1）区域性大断裂及其影响带、活断层是安全监测的重点。SS 隧洞沿线分F14 断裂、f 92 活断层带等。

2）规模、分布宽度较大规模的断层及断层影响带。较大规模断层指断层宽度超过4 倍开挖洞径，掌子面效应趋近于0 的断层。

3）隧洞横断面大于50 m2的大断面：TBM、盾构组装洞、检修洞等洞室断面较大的Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段。

4）隧洞进出口等浅埋洞段。

5）大埋深、天然地下水头较高、可能出现涌水断层带。

6）极软岩、软土地层：第三系泥岩、新近系泥质砂砾岩、第四系含砾黏质砂土、含土角砾等。

根据重点监测断面选择原则，SS 隧洞永久期监测断面共设置有54 个监测断面，其中：重点监测断面42个，一般监测断面12 个。

SS 隧洞工程一般监测断面包括：所有一般性断层带、侏罗系Ⅳ类砂岩、主支洞交叉段水位测量或靠近主支洞交叉段便于监测的断面等，共计12 个一般监测断面。

6.3 隧洞施工临时期监测

隧洞在施工过程中的收敛变形监测一般采用人工观测方法，即采取现场布设的收敛观测点，通过收敛计人工测量，在施工期采用在掌子面附近，对洞周围围岩进行收敛和拱顶下沉的监测，监测仪采用收敛仪、全站仪，布置上一般只观测隧洞的上半部，为施工期现场临时监测，对于TBM 及盾构段选择采用阵列式位移计进行测量。

6.4 隧洞监测主要仪器设备

1）锚杆应力计

锚杆应力计测量锚杆应力，全线共计46 个断面安装171 支。在隧洞监测断面的拱顶中部、拱顶45°、侧拱中部一侧锚杆上布置3～7 支锚杆应力计，仪器安装在距围岩表面1 m 处，桩号隧洞进口左右两侧永久边坡上各安装一对。锚杆应力计量程取-100～400 MPa，精度为不大于1.0（%F.S）。

2）钢板计

钢板计测量钢拱架变形，全线共计35 个断面安装90 支。在隧洞监测断面的拱顶中部、侧拱中部一侧钢拱架上布置2 支钢板计，仪器焊接在型钢表面。锚杆应力计拉伸和压缩应变量测范围取±1 500 με，精度为不大于1.0（%F.S）。

3）土压力计

土压力计测量土体、极软岩作用于支护上的压力，全线共计48 个断面安装96 支，主要分布在隧洞进出口、F14 大断裂、f 92 活动断层、较宽断层、胡杨林极软岩、软土洞段。在隧洞监测断面的拱顶中部、侧拱底部一侧软岩内布置2 支土压力盒，仪器安装在土体和喷层的接触面上。土压力计量程取0.7 MPa，分辨率为不大于1.0（%F.S）。

4）洞外渗压计

洞外渗压计测量洞周附近地下水压力，全线共计41 个断面安装41 支，主要分布在F14 大断裂、胡杨林极软岩、软土洞段。在隧洞监测断面的拱肩一侧围岩内布置1 支渗压计，仪器埋设在距围岩表面0.5 m 钻孔中。渗压计量程取0.7 MPa，分辨率为不大于1.0（%F.S）。

5）混凝土应变计

混凝土应变计测量混凝土外荷载作用下的体积变形，全线共计41 个断面安装233 支。在隧洞及埋涵监测断面的仰拱顶部、拱顶45°、拱肩、侧拱底部、底板中部一侧衬砌内布置3～5 支混凝土应变计，盾构段监测断面每片管片布置仪器1 支混凝土应变计（共7支）。混凝土应变计应变量测范围取±1 500 με，精度为不大于1.0（%F.S）。

6）钢筋计

钢筋计测量钢筋应力，全线共计41 个断面安装466 支。在隧洞及埋涵监测断面的仰拱顶部、拱顶45°，拱肩、侧拱底部、底板中部一侧钢筋布置3~5 支钢筋计，盾构段监测断面每片管片布置仪器2 支钢筋计（共14 支），安装在受拉钢筋上。钢筋计量程取-100～400 MPa，精度为不大于1.0（%F.S）。

7）多点位移计

本项目采用4 点位移计测量隧洞塑性变形圈位移量，全线共计7 个断面安装9 组，位于F14 断裂、胡杨林洼地和隧洞出口。其中胡杨林洼地和隧洞出口由地表向下钻孔至洞顶1 m，在依次向上按照1 m、2 m、3 m 距离分别安装位移计；F14 断裂由洞内的顶拱、拱肩位置埋设。位移计量程取300 mm，精度为不大于0.1%F.S。

8）双向测缝计

双向测缝计测量衬砌结构缝张开宽度，全线共计46 个断面安装146 支，位于F14 断裂、f 92 活断层、较宽断层、隧洞进出口、胡杨林极软岩洞段处。在隧洞监测断面的仰拱顶部30°结构缝内左右各安装2 支双向测缝计，监测断面每环管片上下左右安装4支双向测缝计。测缝计量程取50 mm，精度为不大于0.1%F.S。

9）埋入式测缝计

埋入式测缝计测量围岩与一次支护间的缝隙，全线共计29 个断面安装87 支，位于F14 断裂、f 92 活断层、较宽断层、TBM 及盾构辅助洞室、胡杨林极软岩、软土洞段处。在隧洞监测断面的顶拱、拱肩两侧各布置一支埋入式测缝计，在结构喷护前预埋。测缝计量程取50 mm，精度为不大于0.1%F.S。

10）超声波流量计

超声波流量计用于测量进出洞流量，布置在隧洞进口及出口处，采用八声道时差法测量。超声波流量计流速范围0～5 m/s，精度为不大于0.1%F.S。

11）洞内渗压计

洞内渗压计测量隧洞沿线水深，全线共计10 个断面安装10 支，位于1#、2#、3#、4#、7#、9#支洞交叉段、1#和3#检修洞、4#组装洞、12#组装洞。在每个主洞墙脚。洞内渗压计量程取0.07 MPa，精度为不大于0.1%F.S。

12）温度计

温度计测量洞内水温，全线共计6 个断面安装6 支，位于1#、2#、3#、4#、7#、9#支洞交叉段。在每个主洞墙脚。温度计量程-30℃～+60℃，精度为±0.3℃。

13）测斜仪

测斜仪测量隧洞进出口边坡滑移、倾斜情况，全线共计2 个断面安装4 支，位于隧洞进出口高边坡上，垂直安装在永久边坡上。测斜仪计量程取±10°，精度为0.2%F.S。

14）螺栓应力计

螺栓应力计测量螺栓应力，全线共计23 个断面安装253 支。在隧洞盾构段监测断面每环管片：环向布置仪器7 支螺栓应力传感器，纵向布置仪器7 支螺栓应力传感器。应力传感器量程取-100～400 MPa，精度为不大于1.0（%F.S）。

7 总结

国内长距离且多种施工方式的输水隧洞实例较为罕见，合理的监测布置为工程建设期的安全可靠提供了有力的保障，不仅可以验证设计且进一步结合动态设计可有效节约工程投资或是消除安全隐患，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。其后收集的资料为后续科研提供有效支撑，也为其它类似工程提供宝贵经验。