安全監測系統在有壓隧洞工程中的實施方案

劉銳

摘 要：為了確保輸水隧洞工程安全、及時預報險情，除了對隧洞進行加固、維護之外，對輸水隧洞工程的安全和穩定狀態的監測和評估顯得十分重要。建立起隧洞結構安全監測系統對隧洞工程進行監測、評估和預測以趨利避害，已經成為現代隧洞工程發展的迫切要求。此外，隨著人們對工程施工過程和現役工程長期監測的重要認識的不斷深入，以及國家相關工程安全法規的實施，輸水隧洞結構安全監測得到了迅速發展，成為隧洞工程的一個重要研究課題。

關鍵詞：系統建模 有壓隧洞 信息光學 通信技術

中圖分類號：TV698 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0035-02

1 隧洞結構安全監測系統建模

水利工程中的長距離有壓輸水隧洞不同于其他工程中的隧洞或隧道，有著自身的特點：即距離較長，通常要達到在數十公里以上，輸水隧洞在投運使用時，隧洞內充盈通過的是有壓液態水。這些特點決定了隧洞結構安全監測系統在隧洞施工及運營期間實施難度較大。該文在介紹隧洞結構安全監測系統的基礎上，探討了隧洞結構安全監測系統在長距離有壓輸水隧洞施工及運行其間的設計及實施。

1.1 建立隧洞結構安全監測系統的意義

隧洞結構安全關系著施工人員的生命安全和社會經濟活動。多數隧洞所要經過的路徑存在著地質環境復雜，不確定因素多的特點，容易發生由于地質條件惡化、結構損傷等原因造成的事故。嚴重威脅著隧洞的安全施工和正常運營。1999年2月27日紹興市小舜江輸水工程出水隧洞在開挖過程中出現洞頂塌方，28日塌方加劇，直至“冒頂”。影響工程整體施工進度，造成了巨大經濟損失。2004年8月12日印度特里水電站的輸水隧洞在施工期間突然坍塌，造成至少28名施工人員死亡。2012年2月7日，日本岡山縣一家煉油廠為鋪設輸油管而挖掘的隧洞當天發生塌方事故，造成正在施工的5名工人失蹤。諸多隧洞事故，以血的教訓告訴世人，隧洞的穩定直接關系到國家財產和人民生命安全。

如何避免輸水隧洞施工及正常使用中時安全事故的發生，隧洞的安全監測技術無疑已經成為輸水隧洞施工過程中以及后期安全運行故障的重要手段。

1.2 傳統技術在工程中的應用

隧洞工程中選擇的監測項目主要有：圍巖變形、收斂變形、頂拱下沉、圍巖應力、隧洞內外水壓力、水位、鋼筋應力、砼應力應變、裂縫及滲漏情況等。所對應的傳統監測設備有高精度全站儀、收斂計、多點位移計、壓力盒、頻率計、鋼筋應力計、頻率計等。

1.3 新技術在輸水洞隧洞結構安全監測系統中的應用

光纖傳感器具有防水、抗腐蝕、抗電磁干擾性強、耐久性長、輕便等特點，光纖傳感器體積小、重量輕，易于野外工程安裝，將其植入監測對象中不存在匹配的問題，對監測對象的性能和力學參數等影響較小。光纖傳感技術具有分布式，長距離、抗干擾性強和實時性等優點，因而逐漸成為隧洞結構安全監測的重要手段和隧洞結構安全監測技術的研究新方向。

1.4 隧洞結構安全監測系統建模組成

隧道結構安全監測系統包括4個系統，即：傳感器系統、數據采集系統、數據通信與傳輸系統、數據分析和處理系統。各系統間通過導線網絡聯系而進行運作。其典型構成如圖1所示。

傳感器系統是與隧道直接接觸，掌握隧道動態信息最關鍵的部分之一。通過監控測量，可以了解和掌握隧道的大部分信息，如隧道的圍巖收力和變形狀態等，由于各種隧道的情況不同，所以傳感器系統內部組成也不同。

數據通信與傳輸系統可采用無線通信系統和光纖通信系統。無線通信系統的代表為GPRS數據采集系統。GPRS數據采集系統具有實時在線，系統無延時的特點，很好地滿足了系統對數據采集和傳輸的實時性要求；GPRS數據采集系統可應用在輸水隧洞施工期間。此時隧洞還未通水，GPRS數據采集系統可將隧洞安全監測數據實時上傳?？梢院芎玫耐瓿奢斔矶词┕て陂g的隧洞安全監測系統所需數據傳輸功能。

2 隧洞結構安全監測系統模型的方案實施

2.1 隧洞結構安全檢測系統的監測節點的設定

開鑿長距離輸水隧洞時，經常會遇到對隧洞圍巖穩定影響較大的斷層或是破碎帶。為保證隧洞工程的正常施工以及運營的安全，需根據斷層、破碎帶的影響帶的寬幅，集中設置安全檢測傳感器，采集該段隧洞巖層數據，并將數據上傳到數據分析和處理系統。該段隧洞的數據采集及數據傳輸設備可作為整個隧洞結構安全檢測系統的一個監測節點。目前，一個監測節點涵蓋范圍最大可達幾公里。圖2為1個監測節點布置圖。

采用掘進機施工法時，首先需要在選定地點開鑿支洞，當支洞深度達到主隧洞高程后，縱向拓寬空間，形成掘進機安裝洞室，為掘進機安裝與調試拓展空間（見圖3）。由于支洞和掘進機安裝洞室的開挖只能采用傳統的爆鉆法，易造成周圍巖系的松動和變形，所以支洞及掘進機安裝洞室應作為隧洞結構安全檢測系統的1個監測節點。

支洞附近具有電源可靠且選取方便，可利用的空間較大的特點，可將各監測節點需配電的數據采集設備及通信傳輸設備布置在支洞里。

2.2 隧洞結構安全檢測系統的管線敷設

2.2.1 管線沿輸水隧洞的縱向敷設

根據輸水隧洞的橫剖結構圖。隧洞結構安全監測系統的數據傳輸線纜及現地監測單元工作電源線纜宜預先埋設在輸水隧洞內側，即隧洞管片和隧洞巖石壁之間的注漿及鋼筋防護層。

2.2.2 特殊節點管線敷設

當隧洞結構安全檢測的監測節點的設定在兩支洞之間時，則會出現就地監測設備和數據傳輸設備的供電電源難以解決的問題。以某工程輸水隧洞為例，當隧洞結構安全檢測的監測節點設在以鉆爆法施工的隧洞中間段時。監測節點距離兩邊支洞口均有10 km左右。如采用有源監測設備和數據傳輸設備時電源可取自某支洞口，由于距離較遠（10 km左右）則需要選配變電設備。受輸水隧洞結構及功能所限，對所選設備的體積及安全使用壽命要求極其嚴格，還需在隧洞一側開鑿耳室放置上述設備。輸水隧洞投入使用后，該耳室還需要進行密封防水處理。另一種方案是采用布里淵散射系統光纖傳感器，傳感測試距離可以達到幾十公里，但受其工作原理所限，該傳感器功能相對單一，并不能滿足隧洞結構安全檢測系統所需的全部數據的采集。

3 結語

隨著科學技術的進步，會有越來越多的新產品和新技術應用到輸水隧洞結構安全系統中來，為水利工程中的輸水隧洞順利安全施工及運營提供更加準確及時的預測和分析。

參考文獻

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