引大濟湟長距離引水隧洞安全監測設計研究

杜澤快 劉洪亮

摘 要：根據引大濟湟工程引水隧洞的工程特點，在充分考慮安全監測技術發展現狀，并方便監測自動化系統組建的前提下，永久監測儀器選用了新型光纖光柵傳感器，以適應信號長距離傳輸需要。在隧洞內鉆孔埋設儀器對主體土建施工影響很大，因此將施工期監測和永久監測分開考慮，施工期監測根據開挖揭露的地質缺陷隨機布置，以表面安裝設施為主，盡量不影響主體土建施工;永久監測根據結構設計及地質條件按斷面法布置，以鉆孔埋設儀器為主，待隧洞貫通后再集中進行埋設，盡量不占用土建直線工期。監測自動化系統在通水前一次性建成，主要采集設備全部設在隧洞外，以確保系統能長期可靠運行。

關鍵詞：引水隧洞;安全監測;設計;引大濟湟工程

中圖分類號：TV698.1 文獻標志碼：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 工程概況

引大濟湟工程是一項引大通河水穿越大坂山進入湟水河上游的跨流域調水工程，主要任務是向西寧市和北川工業區的生活、工業供水，同時兼顧河道基流補水和發電。引大濟湟工程的長距離引水隧洞是該工程的重要組成部分，它從大通河右岸壩前進洞，以全隧洞方式穿越大坂山，到達湟水河上游寶庫河的納拉。該引水隧洞建筑物等級為2級，設計流量為35 m3/s，洞徑5.6～6.1 m，洞線全長24.3 km，最大埋深約1 100 m，中間不設施工支洞，除進口3 km和出口1.2 km采用鉆爆成洞外，其余洞段均采用掘進機（TBM）施工。引水隧洞工程線路長、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多條大斷層[1]，是決定該工程建設成敗的關鍵項目，為保證隧洞在施工與運行期的安全穩定，并便于日常運行管理，應對其關鍵部位布置各類觀測設施，進行長期和重點監測。

2 安全監測設計的技術難點

根據引大濟湟工程引水隧洞的總體布置、沿線地質條件和開挖施工特點，其安全監測設計過程中存在如下技術難點。

（1）傳統儀器選型受限。傳統的監測儀器主要有差阻式和振弦式兩種，受儀器測量原理所限，其信號有效傳輸距離一般不超過2 000 m[2]，而該隧洞線路長度為24.3 km，遠大于儀器信號有效傳輸距離，因此傳統儀器無法滿足引水隧洞的監測需要。

（2）洞內供電條件較差。該隧洞為長距離無壓輸水隧洞，若將監測儀器的數據采集設備設在洞內，需為設備提供穩定的工作電源。而隧洞內的采集設備布置分散，為保證所有設備都能接入電源，需從隧洞進、出口向洞內長距離高壓供電，供電難度和設備投資較大。另外，在隧洞正常輸水運行工況下，洞內環境濕度接近100%，難以保證供電設備長期穩定工作。

（3）儀器埋設及時性差。該隧洞主體部分采用TBM施工，TBM總長近百米，開挖時機頭部位連續掘進、后配套連續襯砌、出渣系統連續運轉[3]，除非TBM停機留出專門的監測儀器埋設時間，否則監測儀器無法及時安裝，也就無法觀測到圍巖的完整變形過程。而隧洞開挖任務重、工期緊、難度大，土建施工不可能因監測儀器埋設的需要而停工，使得監測儀器不可能及時埋設安裝。

（4）儀器埋設對結構破壞性大。在隧洞圍巖內埋設儀器時，往往需先在設計位置鉆取安裝孔，TBM洞段的圍巖全部為管片履蓋，不具備圍巖表面鉆孔的施工條件，監測儀器只能打穿管片才能安裝。當某一監測斷面布置儀器數量較多時，導致同一圈管片上多處開孔，將嚴重影響管片的結構完整性和整體受力安全。

3 安全監測布置設計

3.1 安全監測設計原則

針對引大濟湟工程引水隧洞的施工方法、結構特點和監測技術難點，參照國家有關監測技術規范，確定引水隧洞安全監測系統的設計原則。

（1）儀器選型在滿足測量精度的前提下，力求做到可靠、耐久、經濟、實用，并適應信號長距離傳輸需要，以便實現自動化監測。

（2）監測斷面盡量布置在引水隧洞沿線有代表性的部位，能反映不同地質洞段在施工期和運用期的工作狀況。

（3）將施工期監測和永久監測分開考慮，施工期監測以臨時性表面埋設測點為主，永久監測儀器以圍巖內鉆孔埋設儀器為主。永久監測儀器待隧洞貫通后再集中埋設，以適應TBM連續施工的特點。

（4）永久監測項目以圍巖變形和滲壓監測為主，以襯砌應力應變監測為輔，儀器布置力求少而精，以盡量減少儀器埋設對管片造成的破壞。

（5）隧洞完工前對主要監測項目實現聯機實時自動監測，以滿足引大濟湟工程的長期運行管理需要。

（6）對所測資料及時進行整理、分析和評價，以對工程存在的不安全因素及時發現、報警，并采取相應處理措施。

（7）除用儀器、儀表進行監測外，還必須按國家規范要求定期對各建筑物進行人工巡視檢查。

3.2 主要監測項目選擇

（1）施工期安全監測。施工期安全監測是服務于施工安全或服務于施工過程控制（如確定支護方案、選擇二襯時機、測量圍巖地應力、確定灌漿壓力等）而開展的臨時性監測。該隧洞選定的施工期監測項目有圍巖表面變形、管片表面變形、管片表面應變、軟巖段圍巖變形、高埋深段圍巖地應力、高地下水段圍巖滲壓、施工期巡視檢查等。

（2）永久安全監測。永久安全監測是服務于工程正常運行，為保障建筑物結構安全或運行安全而開展的持續性監測。該隧洞選定的永久監測項目有圍巖深部變形、襯砌或管片外圍水壓力、支護錨桿應力、襯砌結構應力應變、進出口水位流量、進水口水質、運行期巡視檢查等[4]。

3.3 施工期監測設施布置

施工期監測以方便快捷的臨時性監測手段為主，通常在開挖面或襯砌表面埋點開展監測，盡量穿插在土建施工間隙埋設測點，從而不干擾隧洞開挖襯砌施工的連續性[5]。施工期監測設施根據開挖揭露的地質缺陷布設，其位置具有不確定性和隨機性。該工程主要施工期監測設施布置如下。

（1）圍巖表面變形監測。在隧洞進、出口段鉆爆施工過程中，對Ⅱ、Ⅲ類圍巖每隔100～200 m布設1個收斂監測斷面，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每隔50～100 m布設1個收斂監測斷面，特別破碎帶加密布設斷面。每個斷面設置5個收斂測點（見圖1），收斂測點直接固定在洞壁巖石上，以監測開挖卸荷后圍巖表面松弛變形情況。

（2）管片表面變形監測。在隧洞TBM段掘進過程中，對Ⅱ、Ⅲ類圍巖每隔200～300 m布設1個收斂監測斷面，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每隔100 m左右布設1個收斂監測斷面，破碎帶和軟巖段加密布設斷面。每個斷面設置6個收斂測點（避開頂部通風管），收斂測點固定在管片內表面上，以監測圍巖變形對管片的擠壓作用情況（見圖2）。

（3）管片表面應變監測。TBM段經過破碎帶和軟巖帶時，圍巖對管片的擠壓作用較大。為監測圍巖擠壓引起的管片應變及變化情況，選擇在代表性部位布置3個管片應變監測斷面。每個斷面布設3支表面應變計，用環氧樹脂牢固粘貼在管片內表面（見圖3）。

（4）軟巖段圍巖變形監測。軟巖段在TBM機掘進成洞后，圍巖在一段時間內會持續變形，由于成洞后圍巖馬上被管片覆蓋，因此現場難以對圍巖變形進行直接監測。經過對TBM開挖和襯砌特點深入研究，發現可以利用管片上預留的灌漿孔，在施工期安裝位移計，對圍巖與管片間的相對位移開展監測。為此，選擇在代表性軟巖段布置6個圍巖變形監測斷面，每個斷面的頂拱和左右側利用灌漿孔各埋設1支位移計（見圖4）。

（5）高埋深段圍巖地應力監測。在高埋深洞段布置2個地應力監測孔，以觀測隧洞圍巖的地應力水平。其中：一個位于TBM前段的埋深較大處（樁號17+140），目的是提前了解巖石地應力水平，為后續確定支護方式和支護時機提供參考依據;另一個位于隧洞埋深最大處（樁號14+000），目的是掌握最大埋深處的巖石地應力。地應力監測采用孔壁應變解除法，利用特制空心包體孔壁應變計組進行觀測。

（6）高地下水段圍巖滲壓監測。在地下水豐富或圍巖滲壓較高的洞段，利用管片灌漿孔在圍巖表面布設7支滲壓計，用以監測圍巖地下水和滲壓變化情況。

（7）施工期巡視檢查。施工期巡視檢查主要依靠人工目視觀察，輔以量尺、放大鏡、照相機等便攜工具開展。在施工期對鉆爆段主要檢查圍巖表面有無坍塌、掉塊、開裂、冒頂、集中滲水等現象，襯砌混凝土表面有無破損、開裂、滲水、冒白漿等現象。

3.4 永久監測儀器布置

永久安全監測是為保障結構安全或運行安全而開展的安全監測，通常需要在圍巖或襯砌混凝土內埋設各類儀器，并在運行期進行持續觀測。為了不干擾隧洞開挖和襯砌施工的連續性，不占用主體土建工程的直線工期，隧洞內的永久監測儀器均安排在隧洞貫通至試驗性通水的時段集中進行埋設安裝。

（1）監測斷面的選擇。隧洞內的永久監測儀器均按斷面法進行集中布置，即：根據引水隧洞的結構設計及沿線地質條件，選擇在圍巖穩定性較差、洞室埋深較大、斷層破碎帶、軟巖帶等典型不利洞段布置監測斷面[6]，每個斷面上集中布置監測儀器進行較全面的監測。該隧洞共選定了10個監測斷面（按水流方向，依次編號為1#～10#），其中：進口和出口鉆爆段共3個，位置分別為樁號0+950、1+610、23+920;TBM施工段共7個，位置分別為樁號4+715、6+550、8+310、10+750、12+530、15+860、16+810。

（2）永久監測項目與儀器布置。除10#監測斷面距出口較近且較早施工，而采用了點式（法布里空腔）光纖儀器外，其他各永久監測斷面均采用了光纖光柵式傳感器，以適應儀器信號長距離傳輸的需要[7]。該隧洞內永久監測項目和儀器布置如下（見圖5、圖6）：①圍巖深部變形監測。根據隧洞內圍巖地質條件，在每個監測斷面處變形不利側各布設了3套光纖多點位移計。②外圍水壓力監測。在每個監測斷面的襯砌或管片外側各埋設了1支光纖滲壓計。③錨桿應力監測。在進口鉆爆段2#監測斷面和出口鉆爆段10#監測斷面上各選擇5根代表性錨桿，每根錨桿上布設了1支錨桿應力計。④襯砌結構應力應變監測。在進口鉆爆段2#監測斷面和出口鉆爆段10#監測斷面上，各布設5支鋼筋計、3支應變計、1支無應力計和1支溫度計（用于消除光纖儀器溫度影響）。⑤水位監測。在各監測斷面的隧洞內壁表面各布設1支光纖水位計。⑥流量監測。在隧洞進口樁號0+020和出口樁號24+140附近各布置一套8聲路超聲波流量計[8]，用于運行期引水流量的在線觀測，并作為進水閘控制開度的依據。⑦進水口水質監測。在隧洞進水口前布置1個水質分析監測點，定時、定期取水樣進行水質分析。⑧運行期巡視檢查。引水隧洞在工程運用期不具備定期巡視檢查條件，應盡可能利用輸水間歇期進行專門檢查。巡視檢查主要依靠人工目視觀察，輔以量尺、放大鏡、照相機等便攜工具開展。主要檢查襯砌或管片表面有無破損、開裂、錯臺、垮塌、滲水、冒白漿等異常現象。

4 監測自動化系統設計

4.1 自動化系統網絡結構

引水隧洞安全監測自動化系統采用分布式智能化網絡結構，分為兩個監控層次：第一層監控是將分布于引水隧洞各監測斷面的傳感器引入相應的測控裝置（MCU）內，由各測控裝置進行第一級監控;第二層監控是將各測控裝置全部接入監控管理站內的監控主機，由監控主機進行第二級監控。該隧洞僅將永久監測儀器接入監測自動化系統，各測控裝置分別設在隧洞進、出口現地監測房內，監控管理站的監控主機設在隧洞進口啟閉機室內。根據引水隧洞內各監測斷面的位置、測點布置及儀器類型，該系統共配置了各類測控裝置6臺（儀器類型不同，配備MCU類型也不同）。該工程監測自動化系統具體網絡結構[9]（見圖7）如下。

（1）1#～9#監測斷面處的儀器通過光纜直接接入隧洞進口啟閉機室內的3臺MCU（2臺16通道光纖解調儀和1臺8通道光纖解調儀）內，其測量數據再由光纖MCU就近上傳至監控主機。

（2）10#監測斷面處的儀器通過光纜接入隧洞出口監測房內的1臺DMI（16通道測控裝置）內，其測量數據經轉換后通過當地的移動通信網絡（C網或G網）發送至隧洞進口監測室內的接收裝置內，再經數據轉換后上傳到監控主機。

（3）隧洞進口流量計用電纜接入監控管理站內的流量計主機，采集的數據再直接傳入監控主機。

（4）隧洞出口流量計用電纜接入出口監測房內的流量計主機，采集的數據再通過移動通信網絡傳輸后接入監控室內的監控主機。

4.2 自動化系統功能要求

監測自動化系統具有數據采集功能和信號越限報警功能，其運行方式可采用應答式、自報式及其他特殊方式。數據采集方式可采用常規巡測、檢查巡測、定時巡測、常規選測、檢查選測、人工測量等。設在監控管理站內的監控主機具有監視操作、輸入/輸出、顯示打印、報告測值狀態、調用歷史數據、評估運行狀態等功能;采用的軟件具有在線監控、離線分析、安全管理、數據庫管理、網絡系統管理、遠程監測及輔助服務等作用。整個系統的運行管理包括系統調度、網絡管理、過程信息文件處理（包括形成、進庫、通信等）、調度各級顯示畫面及修改相應的參數等、修改系統配置、系統測試、系統維護等。

自動化系統具有防雷、抗干擾措施，保證系統在雷電感應和電源波動等情況下能正常工作。系統備有與便攜式監測儀表的接口，能夠使用便攜式監測儀表采集數據，并送入監測系統。系統的測量精度應滿足有關監測規范中的各項要求[10]。

5 結 語

引大濟湟工程引水隧洞目前已全線貫通，除監測自動化系統尚未完全建成外，安全監測系統已全部安裝完畢。通過分析，可以得到以下經驗供類似工程參考：

（1）當引水隧洞長度較大（>2 km），且洞內不具備觀測站布置條件時，可以采用新型光纖光柵式儀器，能有效克服傳統儀器電纜引線距離受限的缺點，還可以將光纜串聯牽引，從而大大減少傳輸線纜工程量。但因光纖光柵式儀器近年才發展起來，目前國內工程實例不多，故儀器耐久性、穩定性尚需進一步驗證。

（2）當引水隧洞采用TBM法連續施工時，可以將施工期監測和永久監測分開設置。施工期監測以表面埋設測點為主，要求及時埋設、及時觀測，盡量觀測到待測項的主要變化過程。永久監測以鉆孔埋設儀器為主，待隧洞全線貫通后再集中埋設，可以避免占用隧洞開挖施工的直線工期。

（3）引水隧洞采用光纖光柵儀器后，其信號傳輸介質均為光纜，可以有效克服洞內高溫、高濕的不利條件;自動化系統主要設備均設在洞外觀測房內，可以提供優良、恒定的運行環境，從而能夠保證系統長期、可靠運行。

參考文獻：

[1] 林萬勝，廖太玉.引大濟湟大坂山引水隧洞工程地質問題初步探討[J].青海水利，1995（2）：33-35.

[2] 江曉明，張德康.重新認識差阻式傳感器[J].西北水電，2011（增刊1）：111-114.

[3] 崔原.青海引大濟湟調水總干渠工程引水隧洞TBM[J].建筑機械，2016（2）：44-47.

[4] 中華人民共和國水利部.水利水電工程安全監測設計規范：SL725—2016[S].北京：中國水利水電出版社，2016：64.

[5] 國家能源局.水電水利工程施工安全監測技術規范：DL/T5308—2013[S].北京：中國電力出版社，2013：1.

[6] 高煥煥，張雷，何新紅.長引水隧洞安全監測設計關鍵技術初探[J].西北水電，2011（增刊1）：5-7.

[7] 游艇.引輸水隧洞和管線工程安全監測設計[J].東北水利水電，2018（2）：6-7.

[8] 朱正偉，夏洲.超聲波流量計在南水北調東線泗陽站的應用[J].水電自動化與大壩監測，2011，35（4）：81-83.

[9] 鐘江.光纖光柵監測儀器在長隧洞遠距離傳輸工程中的應用[J].甘肅水利水電技術，2009（12）：30-33.

[10] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.大壩安全監測自動化技術規范：DL/T5211—2005[S].北京：中國電力出版社，2005：12-13.

【責任編輯 張華巖】