南水北調穿黃河隧洞工程混凝土應力應變監控指標淺析

劉曉娜，肖俊和，任澤儉

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

南水北調東線一期山東段工程是國家性的戰略基礎工程，主要建筑物是穿黃河隧洞。工程運行6 a來，在安全監測方面積累了豐富的實測數據，根據建筑物工程特點、運行性態，分析實測資料的連續性、穩定性和可靠性，結合特征值及時空規律分析，研究確定監控指標，以達到實際運用時能及時發揮預警預報的目的[1]。本文選取穿黃河隧洞洞身為研究對象，重點分析混凝土應力應變時空變化規律和特點，確定監控指標[2-4]，為類似工程安全監測指標擬定提供借鑒。

1 工程概況

穿黃河工程是南水北調東線的關鍵性、控制性項目，位于山東省東平和東阿兩縣境內、黃河下游中段，工程等別Ⅰ等。工程從東平湖引水，經南岸輸水干渠、穿黃河隧洞、北岸穿引黃渠埋涵，至魯北輸水干渠，總長16.89 km[5]。

穿黃河隧洞工程于2008年3月1日正式開工建設，2012 年8 月底前完成全部主體工程建設任務，2013 年 6 月 10 日試通水，2013 年 11 月 15 日正式通水，至今已安全運行近6 a。

2 安全監測資料分析

穿黃河隧洞在河底寒武系灰巖中開挖，洞身包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進、出口埋管，總長585.38 m。隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結構，為圓形斷面，內徑7.50 m，全洞固結灌漿。洞身共布設4個永久監測斷面，A-A 斷面用于施工期監測，位于隧洞垂直豎井段；在隧洞斜井段布置B-B、C-C、D-D 3個斷面，分別設在地質條件較差的F12、F11、F3斷層破碎帶處。同時，分別在隧洞頂部、底部及兩側位置布置4支環向應變計，在隧洞底拱45°位置設1支無應力計。兩者測值相減即得到混凝土的實際應力應變值，本文以B-B 監測斷面為例分析穿黃河隧洞洞身混凝土應力應變監控指標的確定。

2.1 應變特征值分析

B-B 斷面無應力計T-N201 的數據在2018 年3月15日出現180 με的驟減，后期也未有恢復。通常來說，2～3 a以后混凝土的無應力應變基本穩定，該段突跳數據視為異常。受無應力計影響，B-B 斷面應變計自2018 年3 月15 日之后的數據均不參與統計。穿黃河隧洞洞身B-B 斷面混凝土應變特征值，詳見表1。由表1可知，B-B斷面右側混凝土以受壓為主，壓應變在150 με 以內；左側混凝土最大拉應變 106.24 με（2017 年 7 月 14 日）；底部 T-S203 處應變值最小至991.91 με，最大達2 664.02 με，已遠遠超過儀器量程，測值不可信。

2.2 應變時空規律分析

與鋼筋應力變化規律類似，隧洞襯砌混凝土應變在調水年度內的變幅明顯大于未調水年度。局部混凝土在2018年3月15日出現明顯受拉現象，應變測值遠高于歷史同期水平，這一點與鋼筋應力監測成果一致。B-B斷面總應變在該時段明顯受拉，出現臺階式突增，且與前期整體水平存在明顯差異。經統計，2018年3月1—15日，在本年度調水之前，洞內各支應變計的溫度測值均出現了2℃以上的升高。溫度普遍升高、應變突增和鋼筋應力監測成果互相印證，說明該時段內隧洞確實經歷了某種荷載，導致襯砌應力發生改變。

表1 穿黃河隧洞洞身B-B斷面混凝土應變特征值統計

3 監控指標確定

隧洞混凝土應力應變與環境量相關性不大，在2018年3月15日也有多處出現明顯受拉現象，與鋼筋應力監測成果一致。穿黃河隧洞工程設計報告中，襯砌按限裂設計，允許裂縫寬度為0.2 mm，混凝土強度等級C25，未見混凝土應力應變允許值要求。但從實際預警應用角度出發，參考混凝土結構設計規范，C25強度等級混凝土的彈性模量為2.80×104N/mm2，軸心抗拉強度標準值為1.78 N/mm2，依此計算出混凝土發生開裂時的應力應變約為64 με。因此，針對隧洞洞身混凝土應力應變，其監控指標統一設為64 με。

4 結論

南水北調東線穿黃河隧洞工程安全性關系整個工程供水系統的穩定。隨著通水運行后混凝土應力應變工程監測數據的積累，確定監控指標，提高評估和預測抵御可能發生荷載的能力，發揮預警預報的作用，對維護工程安全穩定具有重要意義。