延安黃河引水工程楊家山隧洞安全監測方案

張引平

（延安市黃河引水工程建設管理處 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。隧洞起點在柏樹坬山塬上，終點在清澗河左岸坡。楊家山輸水隧洞全長11.342km，設計引水流量0.83m3/s?？v比降1/2000，進口高程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，為永臨結合檢修洞。明挖涵洞段分別布置在園則溝和淤地壩庫區。楊家山輸水隧洞施工是整個黃河引水工程的關鍵工程，采用傳統鉆爆法，開挖斷面為圓拱直墻式。工程施工難度較大，危險系數較高。

2 實施安全監測的必要性和監測難點

2.1 必要性

本工程監測的建筑物為楊家山輸水隧洞和進、出口邊坡，主要為變形監測。重點是11.342km長的輸水隧洞。由于隧洞穿越的地層地質條件較復雜，隧洞開挖時會對支護結構及周圍地層產生一定的位移和變形，這些位移超出一定范圍，必然對支護結構及周圍的地層產生破壞。一方面，在施工以前，對隧洞地質等的評價有不完善的地方，設計和施工方案及細節在施工中有需要改進之處，而施工期監測正是使施工順利進行和積極改進支護措施的一個關鍵環節，也是確保施工安全和經濟性的重要手段；另一方面在運行期實施監測，也是降低工程風險、減少事故的重要手段。除此之外，使用觀測儀器和設備對楊家山隧洞進行長期和系統的監測，還是診斷、預測、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計參數改進未來的設計；對新的施工技術優越性進行評估和改進；對不安全跡象和險情的診斷病采取措施進行加固；驗證建筑物運行處于持續良好的工作狀態。二是預測的需要，運用長期積累的觀測資料掌握變化規律，對隧洞的未來性態做出及時有效的預報。三是研究的需要，為未來設計提供定量信息，可改進施工技術，利于設計概念的更新和對破壞機理的了解。因此，對延安黃河引水工程的輸水隧洞進行監測，非常重要。

2.2 監測難點

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

3 工程安全監測設計

3.1 基本原則

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

3.2 輸水樞紐監測

根據有關規范和要求，并結合延安黃河引水工程的實際情況，引水樞紐安全監測的內容主要有環境量（包括水位、氣溫及降水量監測）、變形監測（隧洞進出口邊坡）和圍堰及混凝土的應力、應變監測等項目。

3.2.1 環境量監測

在輸水樞紐進出水口水流平順、水面平穩、受風浪和泄流影響較小處，分別設置一套自動水位計，對進出口水位進行監測，共兩套。在管理站設置一套百葉箱，百葉箱內設置一套自記溫濕度計，進行溫、濕度監測。另外，在管理站適當位置設置一套自記雨量計，監測降水量。

3.2.2 變形監測

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

3.3 圍巖監測

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

臨時監測項目包括輸水隧洞放空后進行周邊位移和拱頂下沉量測。斷面數量、位置可結合永久監測斷面確定，每個斷面內可按三點三線式實施量測。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。

永久監測項目：隧洞圍巖變形通過布設多點位移計進行監測，每個觀測斷面分別在隧洞頂拱垂直向、兩側豎墻中部水平向各布設一套多點位移計，每個斷面布設3套多點位移計。本工程中選擇使用二點式多點位移計，采用不銹鋼測桿、灌漿型錨頭。圍巖壓力監測通過在圍巖和襯砌混凝土之間安裝土壓力計實現監測。每個斷面在隧洞頂拱和兩側墻中部布設，各布設3支土壓力計。為監測隧洞運行期間外水壓力，即圍巖地下水壓情況，在隧洞側墻布設滲壓計，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。觀測斷面在側墻中部和底部布設4支滲壓計。對開挖支護的錨桿布設有錨桿測力計，監測支護錨桿的應力。在拱頂范圍內45°角間隔布置5個測點，每個測點位置布設一支錨桿測力計，監測錨桿應力沿軸向的分布情況。在隧洞的監測斷面，為監測圍巖與襯砌混凝土接縫的開合情況，布設有測縫計進行接縫的開合度監測。一般在隧洞兩側墻中部和底部布設有測縫計。

隧洞襯砌混凝土的應力應變監測，包括襯砌混凝土的應力應變監測和鋼筋應力監測。布設的儀器有：混凝土應變計、混凝土無應力計和鋼筋計。

3.4 電纜敷設

監測儀器電纜采用四芯屏蔽電纜，所需電纜總長度為3000 m，每個觀測斷面的監測電纜引至拱腰附近后，進入M C U箱，施工期進行人工觀測。M C U箱輸出端進行信號轉換，轉換為光纖傳輸信號，接入洞內布設的光纖。光纖牽引至出口管理站的觀測房內，實現自動化監測。光纖水平敷設時必須用線槽保護，選用D 10線槽。

4 自動化監測系統

4.1 自動化監測系統設計

為了及時、準確地了解楊家山隧洞工程的進展狀況，本工程監測系統實施進行自動化，主要由工程安全監測管理中心和現場監測站完成。工程安全監測管理中心設在輸水洞出口管理站，主要負責數據的綜合處理（即存儲與管理）及與現場監測站的通訊。現場監測站由測控單元組成，主要負責數據采集和轉換并建立與工程安全監測管理中心控制室的數據通訊和傳輸?，F場監測站通過信號轉換后進入洞內布設的光纖，光纖傳輸至出口管理站安全監測管理中心的上位計算機實現異地遠程通訊和遠程現場操作。

針對輸水隧洞安全監測系統，現場監測站與各測點的距離較遠，各個測點的布置也較為分散，輸水隧洞監測系統設計為分布式的自動化系統結構。通過數據傳輸，將監測數據傳送的現場監測站的主機。其系統聯接為傳感器與測控單元及測控單元與監測總站之間采用有線聯接，監測站與管理站采用光纖聯接。

4.2 系統軟件功能設計

在本工程安全監測系統軟件設計時，應采用開放設計原理，以增加系統的可變性和可擴充性，并增加容錯設計及事故處理能力，以提高系統軟件可靠性。同時系統采用層次化、模塊化的總體結構設計，整個系統一般分為五大模塊，包括數據管理庫、數據預處理庫、數據分析庫、監控庫和圖表庫。每個功能模塊下可分為若干子模塊、模塊的調用采用中文窗口式菜單，人機交互界面，又有功能鍵激活操作，以方便使用。

5 結語

延安黃河引水工程安全監測方案的難點主要在近13km輸水隧洞，其洞線長，地質結構復雜，無永久供電，所以搞好安全監測是保障工程順利進行的必要前提。通過分析安全監測在工程建設中的重要性、必要性，對工程安全監測的重點、難點進行了深入探討，提出了科學布設監測點、采用光纖通訊方式等自動化監測手段，確保工程安全順利實施。