隧洞工程試充水后的安全監(jiān)測探討

譚勇，薛廣文

（1.長江水利委員會長江科學院，武漢430010；2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州511466）

1 引言

輸水隧洞在施工期間會遇到多種復雜地質條件，比如，有毒氣體、巖爆、高外水、高低溫、高地應力等，在施工期間、通水之前以及通水之后要嚴密觀察圍巖和各種水工建筑物具體狀態(tài)和穩(wěn)定性，以保障隧洞運行安全。安全監(jiān)測能夠對隧洞輸水情況進行安全預報，全面、合理地評價工程運行安全性，對工程設計合理與否展開驗證，促進隧洞設計、施工與運維水平不斷提升。所以，要高度關注隧洞試充水階段的安全監(jiān)測工作，以合理檢驗隧洞施工質量，保障隧洞輸水通暢與安全。

2 工程概況

吉林中部供水工程主要是從第二松花江上豐滿水庫向吉林中部地區(qū)引水，供水地區(qū)包括四平市、長春市、遼源市以及所屬九臺區(qū)、農安縣、德惠市、伊通縣、公主嶺市、長春雙陽區(qū)、梨樹市等，供水的同時增加并退還河道生態(tài)用水、農業(yè)用水，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。該工程的年引水量最高可達1.029×1010m3，水流量設計值是38.0 m3/s。該工程始于豐滿水庫取水口，下游包括輸水總干線（1條）、輸水干線（3條）、調節(jié)水庫（10座）、輸水支線（12條）。輸水干線涵蓋遼源干線、四平干線、長春干線、總干線，輸水干線全長為263.45 km，線路中隧洞長度達到133.98 km，同時管線長度為129.47 km。該工程規(guī)模大，且供水結構繁雜，所包含的超長有壓隧洞穿越灰?guī)r溶洞及地質復雜地區(qū)，在試充水后需做好安全監(jiān)測工作。

3 安全監(jiān)測重點項目

壓力輸水隧洞工程在輸水工程中占據(jù)重要地位，但此類工程復雜性較高，為保證隧洞工程安全穩(wěn)定運行，需要在試充水后加強安全監(jiān)測。在實際的安全監(jiān)測工作開展中，需結合隧洞工程實際情況合理布設監(jiān)測斷面，并同步安裝安全監(jiān)測儀器，擇優(yōu)選擇光纜敷設方式，保證對安全監(jiān)測信息實現(xiàn)全面、及時、準確地采集與傳遞，為后續(xù)信息分析奠定技術基礎[1]。該輸水工程中涉及的輸水隧洞屬于有壓洞，隧洞全長28.866 km，在安全監(jiān)測中，重點監(jiān)測項目包括圍巖變形監(jiān)測、鋼絞線應力監(jiān)測、外水壓力監(jiān)測、圍巖壓力監(jiān)測、襯砌應力監(jiān)測、襯砌伸縮縫變形情況監(jiān)測。該工程中因應變計周邊沒有預先埋設無應力計，所以，該檢測儀器所測數(shù)值為混凝土總應變。結合監(jiān)測項目設計，該隧洞工程預先埋設、安裝多種類型的檢測儀器，儀器數(shù)量共205支，包括差阻式測縫計（64支）、差阻式應變計（41支）、差阻式鋼筋計（43支）、錨索測力計（9支）、多點變位計（5支）、振弦式滲壓計（20支）、土壓力計（23支）。其中，差阻式測縫計主要對襯砌伸縮縫進行監(jiān)測，差阻式應變計主要對襯砌混凝土應變進行監(jiān)測，差阻式鋼筋計主要對襯砌鋼筋應力進行監(jiān)測，錨索測力計主要對鋼絞線應力進行監(jiān)測，多點變位計主要對圍巖變形情況進行監(jiān)測，振弦式滲壓計主要對外水壓力進行監(jiān)測，土壓力計主要對圍巖壓力進行監(jiān)測[2]。

4 監(jiān)測項目分析

4.1 預應力襯砌段監(jiān)測值分析

4.1.1 鋼筋應力監(jiān)測值分析

在該隧洞工程中，預應力襯砌段分布在第2號、5號、7號、8號、10號支洞以及A出口洞段，預應力涵管結構模型圖如見圖1所示。預應力襯砌段在還未張拉鋼筋之前，溫度變化是影響鋼筋應力的關鍵因素，在溫度上升的情況下鋼筋受壓，在溫度下降的過程中鋼筋受拉，并且環(huán)向鋼筋應力顯著小于縱向應力[3]。在不同斷面中，2號支洞斷面鋼筋呈現(xiàn)出最大拉應力，最高達到71.86 MPa。完成襯砌張拉工作后，鋼筋應力主要體現(xiàn)在壓變反應方面，尤其是環(huán)向應力在受壓過程中出現(xiàn)明顯變化，監(jiān)測值降低30～60 MPa，而縱向應力在此過程中并未出現(xiàn)明顯變化，監(jiān)測值改變幅度約10 MPa。在張拉結束后，各斷面相比，2號支洞斷面鋼筋依舊最大，且監(jiān)測值達到66.72 MPa。

圖1 預應力涵管結構模型圖

4.1.2 混凝土總應變監(jiān)測值分析

溫度變化是影響混凝土總應變的關鍵因素，溫度上升則增大，溫度下降則減小，不過綜合看來，支洞整體混凝土總應變均呈現(xiàn)負值。環(huán)向總應變在張拉因素影響下，主要朝著受壓方向延伸，應變增加幅度保持在50～200 με，總應變約為-600 με。相比之下，縱向總應變保持著比較穩(wěn)定的變化狀態(tài)，基本上和鋼筋應力變化狀態(tài)統(tǒng)一。

4.1.3 襯砌外側土壓力監(jiān)測值分析

斷面處設置的土壓力計在監(jiān)測期間，其測值變化一直保持在-0.15～0.25 MPa，這種極微小的變化大多是讀數(shù)誤差引起的，這反映出襯砌基本保持不受力狀態(tài)[4]。

4.1.4 預應力襯砌段的襯砌外側滲透壓力監(jiān)測值分析

結合相關斷面所監(jiān)測到的滲透壓力值，可發(fā)現(xiàn)2號、3號支洞實際滲透壓一直保持不斷增加的趨勢，監(jiān)測環(huán)節(jié)所測得的滲透壓值最大值分別是100 kPa（10 m）、175 kPa（17.5 m），結合這一結果，要求在后續(xù)運行中尤其要高度關注3號支洞狀況。7號、8號支洞所測得的滲透壓值居中，均保持在約50 kPa。另外，5號及10號支洞以及A出口支洞所測得的滲透壓值非常小，可見這幾個支洞基本保持在無壓狀態(tài)。

4.1.5 預應力鋼絞線錨索測力計的監(jiān)測值分析

除了3號與8號支洞以外，其他支洞相關部位均布置1支錨索測力計，監(jiān)測期間，相關設備安裝時間在1 a以內。首先要鎖定錨索，之后其會使應力處于逐步緩慢損失狀態(tài)，通常在30 d后進入溫度運行狀態(tài)[5]。通過對各處進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其最高損失率是3.8%，損失表現(xiàn)比較小，未超出允許范圍，代表錨索保持著良好的張拉狀態(tài)，工程項目獲得預期錨固效果。

4.2 普通襯砌段監(jiān)測值分析

在該隧洞工程中，3號支洞主要設置為普通襯砌段，該支洞中的溫度比較穩(wěn)定，一直維持在9℃上下，且經測量，伸縮縫均小于1 mm，運行中未發(fā)生明顯變化，代表襯砌接縫保持著穩(wěn)定的變形狀態(tài)。由于3號支洞沒有展開張拉作業(yè)，所以，鋼筋應力保持著相對平穩(wěn)的變化狀態(tài)，其應力值始終處于50～80 MPa[6]。在普通襯砌段，溫度變化仍然是影響混凝土總應變的關鍵因素，總應變會隨溫度上升而增加，隨溫度下降而減小，且總應變始終呈現(xiàn)負值。3號支洞在沒有張拉的情況下，其混凝土總應變保持平穩(wěn)變化狀態(tài)。監(jiān)測過程中，土壓力計所測值一直處于-0.5～0.2 MPa，變化微小，反映襯砌為不受力的狀態(tài)。另外，滲壓計所測值極其微小，代表該段為無水狀態(tài)。

4.3 進出口段監(jiān)測值分析

在該隧洞工程中，進出口段包含4個斷面，分別有A出口、B出口、C出口和D出口。這4個出口斷面和輸水支洞表現(xiàn)出不同的伸縮縫變形情況，因出口部位受外界環(huán)境因素影響大，所以溫差也比較大，最低為2℃，最高為20℃，同時，開合度也具有明顯年周期性，其年變化幅度保持在0～4 mm，通常測值都在1 mm以上，這一表現(xiàn)顯著超過輸水支洞段[7]。

1）襯砌鋼筋應力監(jiān)測值分析：鋼筋應力在張拉操作之前，會在溫度持續(xù)下降過程中呈現(xiàn)緩慢受拉狀態(tài)，其拉應力最大值約為57 MPa。而鋼筋應力在張拉后顯著受壓，和之前相比測值下降保持在13～130 MPa，且拉應力最大值約為21.2 MPa。

2）襯砌外側滲透壓力監(jiān)測值分析：B出口、D出口在監(jiān)測中滲透壓力均非常小，基本保持著無水狀態(tài)。

3）進出口段的襯砌預應力錨索測力計監(jiān)測值分析：在鎖定錨索后，相應應力保持著緩慢損失趨勢，在約30 d后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。B出口損失率為2.0%，C出口損失率為3.8%，D出口損失率為1.5%，整體損失率都不大，反映出錨索保持預期張拉狀態(tài)。

5 安全監(jiān)測反思

由于輸水隧洞空間相對狹小，環(huán)境比較特殊，可用監(jiān)測手段有限，所以，目前在對輸水隧洞展開安全監(jiān)測時仍存在一定不足。首先，對輸水隧洞難以展開收斂變形監(jiān)測，比如，隧洞監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)斷面圍巖出現(xiàn)較大變形情況，此時難以結合有關圍巖的表面收斂變形測值展開全面分析，也就無法明確隧洞實際變形程度[8]。其次，施工期缺乏智能應急監(jiān)測技術，目前，大部分工程均是在施工尾期及投入運行后設置自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，而施工期也可能出現(xiàn)監(jiān)測異常的情況，要求及時加密觀測和動態(tài)分析，但是隧洞特殊環(huán)境條件會對施工期監(jiān)測及時性和頻次密度安排產生限制，所以，輸水隧洞工程要注意結合現(xiàn)代先進的科技手段，增加與優(yōu)化施工期智能應急監(jiān)測技術[9]。最后，要進一步研究新方法、新技術在隧洞安全監(jiān)測中的應用。目前，在隧洞安全監(jiān)測中大多使用的是常規(guī)監(jiān)測手段和檢測設備，而輸水隧洞施工及運行中會遇到各種復雜狀況，需要深入研究安全監(jiān)測新方法、新技術，以更全面地消除工程安全隱患。

6 結語

通過分析，該輸水隧洞內溫度保持著穩(wěn)定變化狀態(tài)，基本維持在10℃，且縫隙開合也未出現(xiàn)明顯變化，基本都不超過1 mm。而進出口斷面會受到外界環(huán)境影響，其溫差變化比較大，一般保持在2～20℃，相應段的開合度明顯表現(xiàn)出年周期性特點，年變化幅度處于0～4 mm，這一變幅顯著超過輸水支洞段。在監(jiān)測期間，所測部位相應土壓力計測值最高也只有0.25 MPa，這種極其微小的變化，反映出襯砌基本保持著不受力狀態(tài)。工程中大部分錨索實現(xiàn)約30 d的鎖定之后，均進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，且整體鎖定損失率比較小，保持在0.5%～3.8%，反映出錨索保持著良好的張拉狀態(tài)，實際錨固效果符合預期。在隧洞充水后，通過分析各斷面所監(jiān)測數(shù)值變化情況，發(fā)現(xiàn)此輸水隧洞保持著優(yōu)良的運行狀態(tài)。