南水北調(diào)東線穿黃河隧洞工程檢測檢修方案研究

劉曉娜，竇常青，洪 松

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250014；2.山東易方達建設(shè)項目管理有限公司，山東 濟南 250041；3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

南水北調(diào)東線一期穿黃河工程是南水北調(diào)東線一期工程的重要組成部分，穿黃隧洞工程是該工程的關(guān)鍵性、控制性項目。

穿黃隧洞位于黃河主河道下近70m巖層，自2013年通水至今已運行6年，常年處于滿水狀態(tài)，檢測檢修存在較大困難。隨著穿黃隧洞工程運行時間的延長，必然會出現(xiàn)一些工程缺陷，如未能及時發(fā)現(xiàn)，讓隧洞帶病運行，會導(dǎo)致問題逐年累積，嚴重時可能會危害隧洞的整體性和穩(wěn)定性，使隧洞的安全運行受到嚴重威脅。工程雖然自建成以來一直開展工程監(jiān)測工作，但工程監(jiān)測斷面為分散型布置，無法全面反映隧洞可能發(fā)生的破壞情況，而工程檢測檢修是工程安全平穩(wěn)運行的重要保障，故每年對穿黃隧洞開展全面檢測檢修是必要的。工程檢測檢修可以達到對輸水隧洞結(jié)構(gòu)破損破壞、裂縫、錯位、滲漏、淤積、結(jié)垢等情況及時掌控、修復(fù)的目的，以保障工程安全、調(diào)水安全。目前國內(nèi)大埋深有壓隧洞工程的檢測檢修研究開展較少，筆者在已開展的工程監(jiān)測和檢測基礎(chǔ)上，對檢測檢修方法進行了研究探討，對檢測實踐進行了經(jīng)驗總結(jié)。

1 工程概況及運行情況

1.1 工程概況

穿黃河工程是南水北調(diào)東線的關(guān)鍵性、控制性項目，工程任務(wù)是調(diào)引長江水從黃河南岸輸送至北岸，向黃河以北地區(qū)供水，工程設(shè)計年輸水量為4.42億m3。工程從東平湖引水，經(jīng)南岸輸水渠段、穿黃樞紐段、北岸穿引黃渠埋涵段，入魯北輸水干渠，自東平湖出湖閘至黃河北岸出口閘總長7.87km，其中穿黃樞紐段包括子路堤埋管進口檢修閘、灘地埋管、穿黃隧洞，穿黃隧洞總長度585.38m，進、出口高程均為27.3m，進、出口埋管長度分別為31.42m和29.93m，隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圓形斷面，內(nèi)徑7.5m，全洞固結(jié)灌漿。穿黃隧洞典型橫斷面圖如圖1所示[1]。

圖1 穿黃隧洞典型橫斷面圖

1.2 工程運行情況

穿黃河工程于2007年7月28開工，2011年11月底全部主體工程完工，2013年6月10日試通水，2013年11月15日正式通水，迄今已安全運行近6年。穿黃隧洞設(shè)計輸水能力為100m3/s，一期輸水量一般在50m3/s以下。

1.3 工程監(jiān)測開展情況

穿黃隧洞工程建設(shè)時共布設(shè)4個監(jiān)測斷面，用于施工、運行期的日常監(jiān)測。其中一個斷面用于施工期監(jiān)測；另外三個斷面用于運行期監(jiān)測。監(jiān)測項目包括圍巖變形、圍巖壓力、接縫開合度、外水壓力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、錨桿應(yīng)力等。三個斷面共埋設(shè)多點位移計、滲壓計、壓力計、測縫計、鋼筋計、應(yīng)變計、無應(yīng)力計、錨桿應(yīng)力共計76支，截至目前，60支運行良好。

2 檢測方案探討

每年對穿黃隧洞開展一次全面檢測，對于年度全面檢測中發(fā)現(xiàn)的一般問題，或進、出口檢修閘水位與流量出現(xiàn)差值；測縫儀、應(yīng)力計等監(jiān)測儀器測值發(fā)生突變；出口閘出口水質(zhì)、濁度發(fā)生變化時，可根據(jù)需要盡快開展專項檢測。

目前國內(nèi)對于輸水隧洞采用的檢測方式可分為人工檢測和水下機器人檢測兩類[2]。

2.1 人工檢測方案研討

人工檢測是指隧洞排空檢測或潛水員潛入檢查。

(1)穿黃隧洞工程埋深較大，常年承受內(nèi)水壓力，經(jīng)過多年運行，隧洞圍巖和護砌已達到相對平衡狀態(tài)，如每年的全面檢測都采用排空檢測，會改變壓力平衡狀態(tài)，為較不利工況，可能造成安全隱患，且工期長，會影響南水北調(diào)工程的正常調(diào)水運行，同時排水費用過高，不經(jīng)濟。

(2)穿黃隧洞為圓形，且隧洞內(nèi)未布置照明設(shè)施，能見度低，運行至今，洞壁必然有淤泥或水生物附著，底板濕滑，行走困難，檢測現(xiàn)場條件較差，惡劣的水文條件會對潛水員的生命安全造成威脅，存在人員安全隱患。而潛水員水下檢測效率低，不能對水下結(jié)構(gòu)進行全面檢測，再加上潛水員可能不具備專業(yè)背景，檢測結(jié)果可靠性差[3]。

因此，無論隧洞排空還是人工潛入檢測都費時、費力，動用人力資源大，且精度受控于逐一測量時的精度，又因環(huán)節(jié)多，不易控制整體檢測質(zhì)量，都不適合每年一次的全面檢測和時間緊迫的專項檢測。

2.2 水下機器人檢測方案

水下機器人可搭載相關(guān)設(shè)備完成水下檢測項目，如高分辨率紅外熱成像儀、高精度三維激光掃描儀、輔以測距儀定位、數(shù)字地質(zhì)雷達等。水下機器人檢測具有檢測工期短、速度快、數(shù)據(jù)采樣率高、數(shù)字化等特點，操作靈活、檢測費用低、對建筑物完全無損的特點，可應(yīng)用于定期年度檢測和專項檢測[4- 7]。

3 檢修方案研究

對于年度全面檢測或?qū)ｍ棛z測發(fā)現(xiàn)的較為嚴重的破損，不及時檢修將影響到工程安全和正常運行，需要實施排空檢修。穿黃隧洞總長585.38m，南岸為豎井，北岸為斜井，穿黃隧洞與灘地埋管連接段有檢查孔2孔，隧洞出口閘有通氣孔2孔，孔徑均為2.0m×2.0m方形，可用于排空檢修的工作通道。

3.1 檢修項目

根據(jù)設(shè)計、運行工況，所處地形地質(zhì)環(huán)境，以及前期運行、檢查情況，依據(jù)SL 713—2015《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》、CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》，穿黃隧洞檢測檢修項目擬定為結(jié)構(gòu)破損破壞、裂縫、斷裂、淤積、結(jié)垢等[8]。

3.2 檢修中缺陷處理技術(shù)方案[9- 11]

(1)結(jié)構(gòu)混凝土發(fā)生掉塊、斷裂、坍塌等結(jié)構(gòu)破損破壞時，要對破損破壞部位進行修復(fù)。對于掉塊體積小、鋼筋尚未暴露的局部掉塊處，采用環(huán)氧砂漿處理；對于掉塊體積較大、鋼筋外露處，需立模恢復(fù)結(jié)構(gòu)原輪廓。

(2)穿黃隧洞在斷層部位出現(xiàn)錯臺、滲漏或止水帶撕裂時，一般是結(jié)構(gòu)斷裂破壞。對于結(jié)構(gòu)失去承載功能的斷裂破壞，應(yīng)先在結(jié)構(gòu)斷裂部位利用洞壁原有固結(jié)灌漿孔進行固結(jié)灌漿，然后分析破壞原因。受壓破壞時，立模澆筑高標號混凝土；受拉破壞的在受力筋上通長焊接等直徑鋼筋，然后澆筑同標號混凝土。

(3)結(jié)構(gòu)裂縫主要指超出限裂寬度但不影響結(jié)構(gòu)功能的裂縫，本項檢修工作主要是充填裂縫以恢復(fù)鋼筋保護層厚度。對于裂縫寬度大于0.25mm的采用環(huán)氧灌漿處理，環(huán)氧漿液灌漿壓力為0.3～0.4MPa，然后在縱向縫及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)均勻涂抹2mm厚露環(huán)氧膠泥。

(4)泥沙淤積、雜物沉積、結(jié)構(gòu)情況。泥沙淤積采用高壓水槍沖洗、聚集，然后采用泥漿泵排出；雜物沉積采用人工清理、運出；結(jié)垢部位采用高壓水槍沖洗、破裂，再采用人工清理，運出。

檢修過程中需加強安全監(jiān)測，并及時整理、全面分析評價，排空檢修時，可采用全站儀人工觀測隧洞放空后及充水前的收斂變形。

4 實例分析

2015年11月，運行管理單位委托山東省水利科學(xué)研究院對穿黃隧洞進行了檢測。此次檢測采用水下攝像和水下聲吶相結(jié)合的方式，利用水下機器人對穿黃隧洞及灘地埋管工程的管壁、洞壁、伸縮縫、穿黃隧洞斷層等部位進行了拍照和掃描，查明了穿黃隧洞內(nèi)部現(xiàn)實運行情況。

4.1 檢測項目及設(shè)備

檢測項目主要包括水下工程運行狀況、伸縮縫運行狀態(tài)、隧洞淤積情況、沉積物及其他外來物、洞壁情況、洞體完整性判別等。

檢測設(shè)備平臺為水下機器人、電腦及高壓供電控制箱、1300m零浮力光纖電纜及線架、發(fā)電系統(tǒng)等，搭載檢測系統(tǒng)為水下聲吶檢測和高清水下攝像系統(tǒng)。

4.2 檢測方法

水下機器人下潛至管道貼壁行走、拍攝。在拍攝過程中攝像和聲吶測速，水下機器人自檢測起始點計數(shù)器歸零，根據(jù)電纜標記長度對計數(shù)器顯示修正。機器人和攝像機保持行走定焦、變焦靜止狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)缺陷和問題時，在該位置停留至少5s，確保圖像清晰。現(xiàn)場記錄各種缺陷、特殊結(jié)構(gòu)的詳細判斷和量測。對影像和聲吶資料進行內(nèi)業(yè)分析，做出檢測部位是否存在結(jié)構(gòu)性或功能性缺陷的結(jié)論。

4.3 檢測結(jié)論

此次檢測查明了穿黃隧洞的實際運行狀況，穿黃隧洞工程和運行狀況良好，未發(fā)現(xiàn)工程隱患問題，但存在個別伸縮縫局部位置密封膠脫落、混凝土細微結(jié)垢、2cm內(nèi)軟質(zhì)淤積的缺陷，建議開展水下年檢或重點檢測，加強觀測混凝土結(jié)垢、隧洞淤積現(xiàn)象。穿黃隧洞平洞段伸縮縫影像如圖2所示，穿黃隧洞底部淤積影像、聲吶掃描圖如圖3所示，穿黃隧洞異物入侵影像如圖4所示[5]。

圖2 穿黃隧洞平洞段伸縮縫影像

圖3 穿黃隧洞底部淤積影像、聲吶掃描圖

圖4 穿黃隧洞異物入侵影像

4.4 分析

2015年水下機器人及其搭載設(shè)備具備了完成全部水下檢測項目的能力，對于每年進行一次的全面檢測的要求，如果水下機器人更輕便、靈活、耐久，搭載設(shè)備更先進、精密、全面，必然能夠滿足全面檢測和專項檢測省時、快速、采樣率高、數(shù)字化的要求。

5 結(jié)論

綜上所述，南水北調(diào)穿黃河隧洞工程檢測檢修方式可采用水下機器人檢測和排空檢修兩種方式。水下機器人檢測因其成本低、見效快，適用于每年一次的全面檢測和時間要求較緊迫的專項檢測；排空檢修雖然耗時長，成本高，但當(dāng)全面檢測和專項檢測發(fā)現(xiàn)嚴重問題時，必須進行排空檢修。