大堤安全監測技術在穿黃工程建設中的應用

周鳳才，徐 峰，何利華

（1.南水北調東線穿黃工程北區建管局，山東 聊城 252000；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 工程概況

穿黃工程是南水北調東線工程從東平湖至黃河以北輸水干渠的一段輸水工程，是南水北調東線的關鍵控制性項目。工程位于山東省東平和東阿兩縣境內、黃河下游中段，地處魯中南山區與華北平原接壤帶中部的剝蝕堆積孤山和殘丘區。

我國自20世紀70年代就開始了對穿黃工程的研究。1978年，水利電力部指示按立交埋管或洞挖方案對位山、柏木山、黃莊3條線路進行比較，并以位山線路洞挖方案作為設計重點。1979年10月，水利部規劃設計管理局下達了穿黃探洞的設計任務。1986年4月，穿黃探洞正式鉆灌開挖，采用預注漿止水施工，至1988年1月底探洞主體工程全部完成。探洞由斜井、平洞、水倉水泵房和2條支探洞組成。探洞斷面采用三圓心城門洞型，洞高2.61 m，洞寬2.93 m。通過開挖探洞進一步查明河底地質構造和巖溶發育等地質情況，落實了在巖溶地區采用超前灌漿堵水開挖水下隧洞的施工方法。

2007年4月，水利部批復了《南水北調東線一期工程穿黃河工程初步設計報告》。同年12月28日，穿黃工程開工。穿黃隧洞為有壓圓形隧洞，內徑 7.50 m，洞長 585.38 m，設計輸水規模 100 m3/s。

2 安全監測目的

在穿黃建設的不同歷史時期，安全監測均發揮了重要的作用。安全監測主要包括監控建筑物安全，掌握運行規律，驗證設計，指導施工和運行。

通過監測，可以了解建筑物各種物理量的變化范圍和規律，當出現觀測值異常或不利的發展趨勢時能夠及時做出判斷，采取有效措施。此外，通過長期積累的觀測資料可以了解建筑物運行性態，對建筑物發展趨勢進行有效預報，確保建筑物安全，并使之發揮更大效益。

通過原型觀測結果，可以有效驗證設計的正確性，修正設計理論，明確工程主要影響因素，減少或降低未知因素在工程設計或計算中的影響作用，從而提高設計水平，優化設計方案，降低工程造價。

安全監測也是改進施工技術、加快施工進度的有效手段。施工單位制定的施工組織設計和技術措施，都是基于前期設計資料制定的，就工程實際建設而言并不一定是既安全又經濟的。通過施工期的觀測結果，可以修改不合理的工程設計，有效完善施工措施，不斷地指導和改進施工方法。此外，隨著安全監測自動化技術的發展，人們越來越重視其在工程運行管理中的作用，在確保工程安全的同時也可以取得一定的經濟效益和社會效益。

3 安全監測工作回顧

穿黃隧洞所經過的地層為寒武系崮山組灰巖、頁巖和中寒武系張夏組灰巖兩組巖系層。崮山組巖層風化比較嚴重，分布在斜井上中段；張夏組巖層分布在斜井下段和平洞段，該段圍巖屬I類、Ⅱ類。穿黃工程所在地區巖溶發育，黃河水、巖層潛水、巖溶水三水相通。隧洞斜井段穿越的黃河位山大堤是黃河下游中段重要險工，大堤臨水坡水下部分為人工拋石、水上部分為漿砌塊石護坡，坡度較陡，是防洪安全的重要部位。

由于穿黃工程復雜的地質條件和所處位置的重要性，針對工程建設開展安全監測工作是非常重要的。通過監測，可以預測判斷工程的安全性、穩定性，及時發現風險預兆，采取加固措施，指導施工，避免發生重大安全事故。海河水利委員會作為業主單位在穿黃建設過程中有著重要的認識，亦開展了大量的安全監測建設管理工作，不論是在探洞開挖、維護、應急加固、隧洞擴挖或是將來的運行管理都將安全監測工作作為重點工作來抓，使安全監測在穿黃建設多個階段均發揮了重要作用。

3.1 探洞開挖階段

在穿黃探洞開挖階段，水利水電科學研究院于1986年7月—1987年6月開展了探洞開挖爆破對黃河大堤安全影響的試驗研究工作。研究項目包括爆破振動觀測、爆破作用下的液化問題、爆破振動對黃河大堤水平位移影響并對輸水隧洞擴挖爆破施工中可能產生的問題進行了探討。爆破測點共設置7組，沿洞軸線布設5組，觀測室和迎水面基礎各布設1組。基于當時的監測水平，爆破振動觀測選擇了SHJ-4.5、SDJ-78B 拾振器、CZ-F 放大器、SC-18 型光線示波器，并配用FC6-1200振子；位移監測采用CX-01型伺服加速度計測斜儀；孔隙水壓力采用改裝的FTS型傳感器，并配合了動態應變儀和示波器。整個測試系統相對于現在市場應用的監測設備來說可以認為是相當龐大的。這為日后的隧洞擴挖提供了豐富詳實的參考依據。

第一，對施工單位報告進行審查，核查。保證各項測量工具、操作設備、技術方案等符合設計要求、符合施工要求、滿足安全性能要求，當各項準備要素達標后便可使用。施工設備的質量問題是影響施工質量的重要因素，因此必須要進行嚴格的質檢，否則后患無窮。

3.2 探洞維護階段

探洞作為臨建工程，1994年洞內出現滴水并逐漸發展，所以同年對該工程進行了加固處理。1995年，布置了安全監測儀器，監測項目主要包括探洞滲水壓力、滲水量、圍巖的變形和沉陷、閘室與巖壁的接觸縫變化以及地下水位和黃河水位、滲水水質和析出物等。

在斜井段采用差動電阻式測縫計改裝的巖石變形計觀測頂拱及兩側圍巖變形；在閘室上面和頂部設測縫計監測閘室與巖壁接縫開合度的變化情況；在平洞和斜井不同部位的4個典型斷層帶采用差阻式孔隙壓力計監測外水壓力情況；洞口地面設置3排沉降測點，采用水準儀觀測；在洞口、斜井及平洞的不同部位布置3個滲水量觀測點，洞口周圍附近布設5個地下水位觀測點和1個黃河水位觀測點；此外，對探洞重點析出部位進行水質監測。

3.3 探洞應急加固階段

穿黃探洞2000年1月進行了應急加固工程。同期，對黃河大堤進行了安全監測，監測項目包括滲壓、地下水位、垂直位移、水平位移、黃河水位及河床沖淤等，以此了解探洞灌漿期間大堤運行狀態，確保位山大堤的安全。

位山穿黃大堤滲壓觀測共布置3個監測斷面，其中探洞軸線正上方有1個監測斷面、軸線上下游31 m處各有1個監測斷面。每一監測斷面迎水坡設3個測壓管，背水坡設2個測壓管；地下水位測點共布置4個測壓管，均布在探洞洞口上下游兩側；垂直位移監測布置3個斷面，共7套測點，每套位移設計3個錨固點，鉆孔深度45～50 m；水平位移監測斷面及測點布置形式與垂直位移監測相同，鉆孔深度45～50 m；黃河水位采用探洞上游位山引黃閘西閘的閘前水位。河床沖淤觀測設在探洞軸線上下游50 m，距河岸50 m范圍內。測點平行探洞軸線布置11排，每排設6個水下測點，堤基上設2根定位樁。

4 安全監測技術應用現狀

隨著巖土工程安全監測硬件和軟件迅速發展，監測儀器設備、自動化系統、數據處理和資料分析系統、安全預報系統也在不斷地完善。在穿黃建設的今天，引進先進的監測儀器和監測手段的同時也引進了先進的安全生產管理理念，使安全監測成為工程風險防范與控制的有效手段。

4.1 黃河大堤監測

由于隧洞開挖是在原探洞基礎上采用鉆爆法施工的，考慮到該工程所處位置的重要性和地質條件的復雜性，開挖爆破必須根據觀測資料隨時調整爆破參數，確保隧洞工程實施時黃河大堤的安全，因此該階段以施工期監測為主。黃河大堤安全監測包括靜態和動態2種監測項目。

靜態監測承襲了探洞應急加固工程的監測項目，除對原有監測設施進行檢修外，又有針對性地新增了2套位移計和2套測斜管來配合隧洞爆破施工期觀測。

動態監測包括大堤質點振動、孔隙水壓力2個主要監測項目。大堤質點振動監測點主要沿洞軸線布置，沿洞軸線布置6個監測點，其中大堤頂上3個測點、堤后3個測點；在迎水坡洞軸線兩側各布置2個測點；共計10個質點振動監測點，采用振動傳感器進行垂直和水平兩向觀測。孔隙水壓力測點共布置4個，其中3個在迎水坡前段、1個在迎水坡中段，采用應變式孔隙水壓力計隨爆破振動觀測同時進行。

4.2 隧洞施工與運行監測

穿黃隧洞安全監測項目包括位移、外水壓力、應力及應變、錨桿應力、圍巖壓力、接縫開合度、收斂變形等項目。本著實用、可靠、經濟的原則，兼顧了施工期和運行期的安全。

隧洞共布設了7個監測斷面。其中，在豎井進口段崮山組巖體完整性較差的1.05 m高程處布置了1個監測斷面；平洞段所穿過的F17、F14斷層破碎帶處各布置1個斷面；斜井段穿越黃河大堤，該部位寒武系崮山組巖層巖石比較破碎，地質條件較差，在F12、Fl1、F3斷層破碎帶和隧洞出口附近的V類圍巖洞段分別設1個監測斷面作為重點監測對象。

隧洞所選擇的監測儀器均為國產差阻式儀器，包括位移計、孔隙壓力計、應變計、鋼筋計、錨桿應力計、土壓力計、測縫計和收斂計等，監測儀器種類和數量比以往更加全面和豐富。此外，隧洞出口設立監測站，將隧洞內儀器引入測站進行自動化觀測，并可與穿黃工程其他建筑物進行數據交換和遠程控制。

4.3 監測信息化

不論是隧洞爆破、黃河大堤運行維護或是穿黃工程運行期監測，都要求實現信息化。建立順暢、快捷的信息反饋渠道，及時、準確地測定各監測項目的變化量及變化速率，反饋的監測信息可以供設計、施工及工程管理技術人員決策使用。

在黃河大堤安全監測項目中，為實現對隧洞爆破工程的有效監控、維護大堤運行安全和保證監測評價系統有效運轉和監測信息的暢通，建管、設計、施工和監理單位共同制定了監測信息反饋方案，由參建單位主要技術負責人直接擔任監測評價工作，使得監測評價在業主項目的風險管理中更有成效。

5 結語

南水北調工程是繼三峽工程后對我國未來經濟可持續發展產生重大影響的舉世矚目的宏偉工程。在東線穿黃建設歷史過程中，安全監測雖然作為工程建設的重要組成部分，卻在工程建設中發揮著重要作用。在工程管理中，保證建筑物能安全運行和正常輸水，是關系到人民正常生產生活的大事。因此，掌握好穿黃建筑物安全性態，對工程實施安全監測和評價，對于未來南水北調東線輸水工程具有重要意義。