延安黃河引水工程楊家山隧洞安全監(jiān)測方案

張引平

（延安市黃河引水工程建設(shè)管理處 陜西 延安 716000）

1 概況

楊家山隧洞是延安黃河引水工程黃高主干線最重要的輸水工程，也是全線最長的輸水隧洞。隧洞起點(diǎn)在柏樹坬山塬上，終點(diǎn)在清澗河左岸坡。楊家山輸水隧洞全長11.342km，設(shè)計引水流量0.83m3/s。縱比降1/2000，進(jìn)口高程766.67 m，出口高程761.00 m。沿途布置兩處施工支洞和兩處明挖暗涵段，共設(shè)置10個工作面。兩處施工斜井分別為陳家河斜井和李家溝斜井，為永臨結(jié)合檢修洞。明挖涵洞段分別布置在園則溝和淤地壩庫區(qū)。楊家山輸水隧洞施工是整個黃河引水工程的關(guān)鍵工程，采用傳統(tǒng)鉆爆法，開挖斷面為圓拱直墻式。工程施工難度較大，危險系數(shù)較高。

2 實(shí)施安全監(jiān)測的必要性和監(jiān)測難點(diǎn)

2.1 必要性

本工程監(jiān)測的建筑物為楊家山輸水隧洞和進(jìn)、出口邊坡，主要為變形監(jiān)測。重點(diǎn)是11.342km長的輸水隧洞。由于隧洞穿越的地層地質(zhì)條件較復(fù)雜，隧洞開挖時會對支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地層產(chǎn)生一定的位移和變形，這些位移超出一定范圍，必然對支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍的地層產(chǎn)生破壞。一方面，在施工以前，對隧洞地質(zhì)等的評價有不完善的地方，設(shè)計和施工方案及細(xì)節(jié)在施工中有需要改進(jìn)之處，而施工期監(jiān)測正是使施工順利進(jìn)行和積極改進(jìn)支護(hù)措施的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是確保施工安全和經(jīng)濟(jì)性的重要手段；另一方面在運(yùn)行期實(shí)施監(jiān)測，也是降低工程風(fēng)險、減少事故的重要手段。除此之外，使用觀測儀器和設(shè)備對楊家山隧洞進(jìn)行長期和系統(tǒng)的監(jiān)測，還是診斷、預(yù)測、研究等三個方面的需要。一是診斷的需要，包括驗證楊家山隧洞設(shè)計參數(shù)改進(jìn)未來的設(shè)計；對新的施工技術(shù)優(yōu)越性進(jìn)行評估和改進(jìn)；對不安全跡象和險情的診斷病采取措施進(jìn)行加固；驗證建筑物運(yùn)行處于持續(xù)良好的工作狀態(tài)。二是預(yù)測的需要，運(yùn)用長期積累的觀測資料掌握變化規(guī)律，對隧洞的未來性態(tài)做出及時有效的預(yù)報。三是研究的需要，為未來設(shè)計提供定量信息，可改進(jìn)施工技術(shù)，利于設(shè)計概念的更新和對破壞機(jī)理的了解。因此，對延安黃河引水工程的輸水隧洞進(jìn)行監(jiān)測，非常重要。

2.2 監(jiān)測難點(diǎn)

延安黃河引水工程安全監(jiān)測實(shí)施自動化方案的難點(diǎn)主要在近13km楊家山輸水隧洞。輸水隧洞由于其洞線長，無永久供電，測點(diǎn)斷面分布較散，且斷面間及斷面與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)少等特點(diǎn)，采用普通的水工電纜，信號衰減過快，達(dá)不到自動化監(jiān)測的要求，電話通訊系統(tǒng)又受國家控制。同時，由于輸水隧洞全長近11.34km，致使在項目竣工以后，人員再次進(jìn)入隧洞比較困難，這就給長期維護(hù)、維修工作帶來不便，從而，也就給安全監(jiān)測儀器提出了更高的要求。

3 工程安全監(jiān)測設(shè)計

3.1 基本原則

在安全監(jiān)測設(shè)計中，應(yīng)以保證建筑物安全為基礎(chǔ)，通過對需要研究的部位和問題設(shè)立必要的監(jiān)測項目以驗證工程設(shè)計的合理可靠性，并為改進(jìn)和提高設(shè)計、施工水平提供依據(jù)。監(jiān)測項目的設(shè)立應(yīng)注重實(shí)用、有效、簡單、可行的原則；各監(jiān)測儀器、設(shè)施的布置應(yīng)密切結(jié)合工程具體條件，以安全監(jiān)測為主，既能較全面地反映工程施工期和運(yùn)行期的狀態(tài)，又要突出重點(diǎn)、少而精，統(tǒng)籌安排，合理布置；盡可能采用多種監(jiān)測手段，以便相互補(bǔ)充，相互校核驗證，保證監(jiān)測資料的完整性、可靠性、全面系統(tǒng)的掌握建筑物的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 輸水樞紐監(jiān)測

根據(jù)有關(guān)規(guī)范和要求，并結(jié)合延安黃河引水工程的實(shí)際情況，引水樞紐安全監(jiān)測的內(nèi)容主要有環(huán)境量（包括水位、氣溫及降水量監(jiān)測）、變形監(jiān)測（隧洞進(jìn)出口邊坡）和圍堰及混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測等項目。

3.2.1 環(huán)境量監(jiān)測

在輸水樞紐進(jìn)出水口水流平順、水面平穩(wěn)、受風(fēng)浪和泄流影響較小處，分別設(shè)置一套自動水位計，對進(jìn)出口水位進(jìn)行監(jiān)測，共兩套。在管理站設(shè)置一套百葉箱，百葉箱內(nèi)設(shè)置一套自記溫濕度計，進(jìn)行溫、濕度監(jiān)測。另外，在管理站適當(dāng)位置設(shè)置一套自記雨量計，監(jiān)測降水量。

3.2.2 變形監(jiān)測

進(jìn)、出口邊坡表面變形測點(diǎn)水平位移采用極坐標(biāo)法監(jiān)測。表面變形測點(diǎn)的豎向位移采用精密水準(zhǔn)法監(jiān)測；內(nèi)部位移監(jiān)測采用便攜式測斜儀監(jiān)測。在輸水洞進(jìn)、出口邊坡分別布設(shè)12個表面變形點(diǎn)、2個工作基點(diǎn)，共布設(shè)24個表面變形監(jiān)測點(diǎn)、4個工作基點(diǎn)；表面位移監(jiān)測與豎向位移的測點(diǎn)共用一個監(jiān)測墩，形成一個完整的監(jiān)測點(diǎn)。為監(jiān)測進(jìn)、出口邊坡的豎向位移變形，在進(jìn)、出口邊坡約1km左右的合適部位設(shè)置1組（3個點(diǎn)）水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，其坐標(biāo)、高程由臨近的國家基準(zhǔn)點(diǎn)接測。該基準(zhǔn)點(diǎn)同時也可以校測水平位移工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，為整個變形監(jiān)測系統(tǒng)提供基準(zhǔn)值。在輸水隧洞進(jìn)出口邊坡各設(shè)1個測斜孔，孔深40 m，采用便攜式測斜儀進(jìn)行監(jiān)測。

3.3 圍巖監(jiān)測

包括圍巖穩(wěn)定監(jiān)測（圍巖變形、圍巖壓力監(jiān)測、收斂監(jiān)測）、圍巖地下水監(jiān)測、圍巖與襯砌混凝土的接縫開合度監(jiān)測、襯砌混凝土的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，支護(hù)錨桿的應(yīng)力監(jiān)測。

臨時監(jiān)測項目包括輸水隧洞放空后進(jìn)行周邊位移和拱頂下沉量測。斷面數(shù)量、位置可結(jié)合永久監(jiān)測斷面確定，每個斷面內(nèi)可按三點(diǎn)三線式實(shí)施量測。由于本工程洞徑不大，可采用收斂計施測，采用鋼尺式收斂計人工觀測。

永久監(jiān)測項目：隧洞圍巖變形通過布設(shè)多點(diǎn)位移計進(jìn)行監(jiān)測，每個觀測斷面分別在隧洞頂拱垂直向、兩側(cè)豎墻中部水平向各布設(shè)一套多點(diǎn)位移計，每個斷面布設(shè)3套多點(diǎn)位移計。本工程中選擇使用二點(diǎn)式多點(diǎn)位移計，采用不銹鋼測桿、灌漿型錨頭。圍巖壓力監(jiān)測通過在圍巖和襯砌混凝土之間安裝土壓力計實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。每個斷面在隧洞頂拱和兩側(cè)墻中部布設(shè)，各布設(shè)3支土壓力計。為監(jiān)測隧洞運(yùn)行期間外水壓力，即圍巖地下水壓情況，在隧洞側(cè)墻布設(shè)滲壓計，滲壓計采用在巖體鉆孔安裝，儀器安裝在距開挖面約50cm深處。觀測斷面在側(cè)墻中部和底部布設(shè)4支滲壓計。對開挖支護(hù)的錨桿布設(shè)有錨桿測力計，監(jiān)測支護(hù)錨桿的應(yīng)力。在拱頂范圍內(nèi)45°角間隔布置5個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)位置布設(shè)一支錨桿測力計，監(jiān)測錨桿應(yīng)力沿軸向的分布情況。在隧洞的監(jiān)測斷面，為監(jiān)測圍巖與襯砌混凝土接縫的開合情況，布設(shè)有測縫計進(jìn)行接縫的開合度監(jiān)測。一般在隧洞兩側(cè)墻中部和底部布設(shè)有測縫計。

隧洞襯砌混凝土的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，包括襯砌混凝土的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測。布設(shè)的儀器有：混凝土應(yīng)變計、混凝土無應(yīng)力計和鋼筋計。

3.4 電纜敷設(shè)

監(jiān)測儀器電纜采用四芯屏蔽電纜，所需電纜總長度為3000 m，每個觀測斷面的監(jiān)測電纜引至拱腰附近后，進(jìn)入M C U箱，施工期進(jìn)行人工觀測。M C U箱輸出端進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為光纖傳輸信號，接入洞內(nèi)布設(shè)的光纖。光纖牽引至出口管理站的觀測房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。光纖水平敷設(shè)時必須用線槽保護(hù)，選用D 10線槽。

4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為了及時、準(zhǔn)確地了解楊家山隧洞工程的進(jìn)展?fàn)顩r，本工程監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施進(jìn)行自動化，主要由工程安全監(jiān)測管理中心和現(xiàn)場監(jiān)測站完成。工程安全監(jiān)測管理中心設(shè)在輸水洞出口管理站，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的綜合處理（即存儲與管理）及與現(xiàn)場監(jiān)測站的通訊。現(xiàn)場監(jiān)測站由測控單元組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換并建立與工程安全監(jiān)測管理中心控制室的數(shù)據(jù)通訊和傳輸。現(xiàn)場監(jiān)測站通過信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)入洞內(nèi)布設(shè)的光纖，光纖傳輸至出口管理站安全監(jiān)測管理中心的上位計算機(jī)實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程現(xiàn)場操作。

針對輸水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場監(jiān)測站與各測點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，各個測點(diǎn)的布置也較為分散，輸水隧洞監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為分布式的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過數(shù)據(jù)傳輸，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)場監(jiān)測站的主機(jī)。其系統(tǒng)聯(lián)接為傳感器與測控單元及測控單元與監(jiān)測總站之間采用有線聯(lián)接，監(jiān)測站與管理站采用光纖聯(lián)接。

4.2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

在本工程安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計時，應(yīng)采用開放設(shè)計原理，以增加系統(tǒng)的可變性和可擴(kuò)充性，并增加容錯設(shè)計及事故處理能力，以提高系統(tǒng)軟件可靠性。同時系統(tǒng)采用層次化、模塊化的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個系統(tǒng)一般分為五大模塊，包括數(shù)據(jù)管理庫、數(shù)據(jù)預(yù)處理庫、數(shù)據(jù)分析庫、監(jiān)控庫和圖表庫。每個功能模塊下可分為若干子模塊、模塊的調(diào)用采用中文窗口式菜單，人機(jī)交互界面，又有功能鍵激活操作，以方便使用。

5 結(jié)語

延安黃河引水工程安全監(jiān)測方案的難點(diǎn)主要在近13km輸水隧洞，其洞線長，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無永久供電，所以搞好安全監(jiān)測是保障工程順利進(jìn)行的必要前提。通過分析安全監(jiān)測在工程建設(shè)中的重要性、必要性，對工程安全監(jiān)測的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了深入探討，提出了科學(xué)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)、采用光纖通訊方式等自動化監(jiān)測手段，確保工程安全順利實(shí)施。