南水北調中線全線通水穿黃隧洞安全監(jiān)測成果分析

靳瑋濤，趙剛毅

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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南水北調中線全線通水穿黃隧洞安全監(jiān)測成果分析

靳瑋濤，趙剛毅

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：穿黃隧洞作為南水北調中線最重要的控制性工程，一直備受矚目，其中安全監(jiān)測是穿黃隧洞的重要工作之一，也是觀測工程結構安全的具體手段。文章通過對穿黃隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立以及對自正式通水后半年內的觀測數據進行初步分析，揭示了穿黃隧洞滲漏量、滲透水壓力、混凝土應力應變和接縫開和度的變化范圍和規(guī)律，為同類型輸水隧洞的安全監(jiān)測設計和實施提供一定的借鑒。從安全監(jiān)測數據分析，自南水北調中線通水運行以來穿黃隧洞目前處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

關鍵詞：南水北調；穿黃隧洞；安全監(jiān)測；成果分析

1工程概況

穿黃工程是南水北調中線的關鍵性控制性建筑物，該工程線路總長19.3 km，設計流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。穿黃隧洞共長4.25 km，包括邙山隧洞段0.8 km和過河隧洞段3.45 km。穿黃隧洞工程采用雙洞平行布置，中心線距離28 m。隧洞掘進采用泥水平衡盾構法施工，開挖直徑9.03 m。隧洞采用內外雙層襯砌結構，外襯采用C50鋼筋混凝土預制管片拼裝而成，外徑8.7 m，內徑7.9 m，管片厚度40 cm，管片環(huán)寬1.6 m，每環(huán)由7片管片拼裝而成。內襯為后張法有粘結預應力混凝土結構，混凝土設計等級為C40W12F200，襯砌厚度45 cm，標準分段長度9.6 m，分段接縫采用紫銅片止水，底板設3.1 m寬平臺。預應力錨索間距為45 cm，每束由12根預應力鋼絞線集束而成。穿黃上游隧洞內襯共分為459段，穿黃下游隧洞共分為458段。內外襯之間設2布1格柵排水墊層，每間隔4.8 m設排水花管，將滲水引排到底板預埋的3條排水管道，并通過北岸豎井設置的滲漏排水泵抽排到北岸出口建筑物[1-2]。 安全監(jiān)測目的主要是在滿足現(xiàn)行規(guī)范及相關法律法規(guī)要求的基礎上，監(jiān)控建筑物安全，掌握其運行規(guī)律，指導施工和運行[3，18]，針對輸水建筑物結構特點以及工程穿過地層的地質條件，需要選擇實用、可靠和經濟的監(jiān)測項目[6-7]，本工程安全監(jiān)測的主要項目包括變形監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、溫度監(jiān)測、接縫開和度監(jiān)測、滲水壓力監(jiān)測和土壓力監(jiān)測等[3-4]。

2監(jiān)測儀器布置

上游隧洞共計163個監(jiān)測斷面，有內觀儀器917支，儀器清單見表1。主要監(jiān)測項目:隧洞滲水壓力監(jiān)測(滲壓計)、隧洞接縫變形監(jiān)測(測縫計) 、混凝土應力應變監(jiān)測(鋼筋計、應變計)、裂縫監(jiān)測(測縫計)[1，8-9]、滲漏監(jiān)測等。

表1　上游隧洞內觀儀器清單表　支

下游隧洞共計82個監(jiān)測斷面，有內觀儀器534支，儀器清單見表2。主要監(jiān)測項目:隧洞滲水壓力監(jiān)測(滲壓計)、隧洞接縫變形監(jiān)測(測縫計) 、混凝土應力應變監(jiān)測(鋼筋計、應變計)、裂縫監(jiān)測(測縫計)[1，8-9]、滲漏監(jiān)測等。

3監(jiān)測儀器運行情況及觀測頻次

穿黃上游隧洞內觀儀器917支，其中707支運行正常，31支測值不穩(wěn)定，179支無測值；下游隧洞內觀儀器534支，其中389支運行正常，9支測值不穩(wěn)定，136支無測值。

通水運行初期：滲壓計2次/d、隧洞滲漏量2次/d、測縫計1次/2 d、鋼筋計應變計錨索測力計1次/d

目前：滲壓計1次/d、隧洞滲漏量1次/d、其余儀器1次/7 d。

4穿黃隧洞警戒值

根據長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司提供的警戒值。

(1) 滲壓計警戒值

當過河隧洞段滲壓計水位達到90 m高程時，應報警。

(2) 滲漏量警戒值

當滲漏量超出最大排水能力或北岸豎井集水井水位超過設計值時應報警。具體標準如下：

1) 在3臺滲漏排水泵同時啟用且豎井內水位上升并達到60.2 m或流量計讀數之和大于324 m3/h時，施工單位應立即啟動備用排水泵，即4臺永久滲漏排水泵全部啟動。

2) 任何情況下，當流量計讀數之和大于432 m3/h時。

(3) 測縫計警戒值

當新增測縫計讀數明顯增大，相應每增加1 m水頭，測縫計讀數增量超過上一級水位每米水頭增量的1.5倍。

5監(jiān)測成果分析

監(jiān)測成果常用的初步分析方法包括繪制時間過程線、繪制測值分布圖、繪制成果相關圖和對測值比較對照，影響測值變化的原因主要包括觀測誤差、外界荷載和結構因素等[5-20]。

5.1上游隧洞觀測成果

5.1.1滲漏量和滲壓計觀測成果

上游隧洞水位-滲漏量(電磁流量計觀測)過程曲線見圖1：

2014年10月3日，穿黃隧洞開始參與全線充水試驗工作。上游隧洞在2014年11月滲漏量突然增大至34.5 L/s，且滲壓計測值隨滲漏量加大緩慢上漲，有8倉滲壓計測值接近或達到設計警戒值90 m(370～365倉滲壓計讀數接近90 m)。11月30日上游隧洞開始退水，2014年12月30日上游隧洞退水完成進入檢修期，2015年5月上游隧洞檢修完畢，6月1日重新通水。截止2015年6月21日上游隧洞水位保持在116.3 m，隧洞滲漏量保持在3 L/s左右。

上游隧洞共安裝埋設滲壓計135支，量程范圍0.7 MPa。選取其中測值穩(wěn)定的滲壓計進行觀測成果統(tǒng)計分析。

(1) 2014年10月3日到2014年10月31日(116.9 m水位)，測值為0的滲壓計有64支，水頭在0～1 m之間的滲壓計16支，水頭在1～4 m的滲壓計7支，水頭在4～12 m的滲壓計4支，有1支滲壓計水頭在21.32 m。部分滲壓計測值與9月份隧洞充水試驗期測值相比有明顯變化。

圖1　上游隧洞水位-滲漏量過程曲線圖

(2) 在117 m水位維持期間，水頭在4 m以下的滲壓計測值處于小幅波動狀態(tài)，部分水頭在4 m以上的滲壓計測值表現(xiàn)為緩慢上升趨勢，其中133倉滲壓計水頭最高為21.32 m。

(3) 退水中滲壓計水頭隨水位下降而下降，隧洞排空后多數滲壓計水頭基本回到充水前狀態(tài)。

(4) 退水后362～370倉區(qū)域的滲壓計仍然保持有3 m以上的水頭，其中370倉的滲壓計水頭超過5 m, 為查明滲壓計測值偏高原因，1月31日15：00在370倉隧洞右側130°滲壓計上方鉆孔至排水墊層，有水從鉆孔內流出，16：00測量鉆孔出水量約1.14 L/min，2月1日9：00測量鉆孔出水量0.38 L/min，此后基本維持在0.4 L/min的水平，推斷墊層內積水可能有穩(wěn)定補給，與地下水經南岸豎井與外管片接頭部位滲入有關。370倉右側開孔后，370～362倉滲壓計測值均不同程度下降，滲壓計測值變化見表3，說明370倉附近排水墊層與底板縱向排水管連通性較差。

(5) 2014年通水期間133倉滲壓計測值較高，退水完成后該滲壓計測值下降緩慢，降至13.5 m水頭后即不再下降，為查明情況，在該滲壓計位置(距離30 cm內)鉆孔至排水墊層，未發(fā)現(xiàn)墊層內有水，因此判斷該滲壓計測值不能真實反映墊層內水壓情況。這類儀器在以后充水中只能做參考對比分析用。

(6) 2015年6月1日上游隧洞開始重新通水，水位到達116.4 m后有10支儀器水頭在1～3.66 m之間，其余均小于1 m；水頭相對于5月30日測值增幅超過0.5 m的儀器有6支，其中最大增幅為2.52 m(171倉的P57SSD)，其余均小于0.5 m，水頭增幅最大的滲壓計見表4。

表3　370倉右側開孔后滲壓計測值變化表

表4　水頭增幅最大的滲壓計表 (增幅超過0.5 m)

從M7倉滲壓計P01MSS測值過程線可以看出2015年6月繼續(xù)通水過程滲壓計測值變化很小，滲壓計觀測數據歷時過程線見圖2。

從上述情況可看出，本次充水期間滲壓計測值變化遠小于2014年通水期間，說明本次防滲缺陷處理和為應對滲壓計測值偏高采用的連通、搭橋措施起到了較好的效果。

5.1.2用于欠厚處理的鋼板計和混凝土應變計觀測成果

在本次充水過程中，用于欠厚處理的鋼板計應變變化量在23～123 με之間，平均變化量為71 με，均向受拉方向變化；測值變化量與去年通水期基本相當，與對應的混凝土應變計變化趨勢相同,且有一定對應性。

圖2　M7倉滲壓計P01MSS觀測數據歷時過程線圖

用于欠厚處理的混凝土應變計目前測值基本穩(wěn)定，每日變幅較小。本次充水過程混凝土應變計變化量在33～217 με之間，平均變化量為81 με，均為拉應變；本次變化量與2014年充水過程、通水過程中的變幅基本相當，一致性較好。

5.1.3新增碳纖維表面應變計和對應混凝土應變計觀測成果

充水完成后粘碳應變計測值較為穩(wěn)定，每日變化較小。在本次充水過程中，隧洞內溫度隨充水過程逐漸升高，隧洞水位較低時應變計測值先隨溫度升高而降低，當隧洞水位到達一定高度后，測值隨水位升高而增加，除306倉320°設置的粘碳應變計外，其余變化量在26.81～160 με之間，平均變化量為72 με；截止2015年6月20日通水期間應變變化量與2014年充水期、通水期測值增量見表5、6。

表5　粘碳應變計測值變化情況表

表6　與粘碳應變計對應的混凝土應變計測值變化情況表

從表5和表6可看出，在2015年6月份重新充水過程中，多數粘碳應變計測值增量略大于前兩次，對應的混凝土應變計測值增量略小于前兩次。安裝于306倉320°位置的GS19SS測值從2015年6月份重新充水開始一直在下降，推測可能是該部位的碳纖維布出現(xiàn)松脫或者是該儀器與碳纖維粘合不牢固。

5.1.4新增測縫計觀測成果

新增測縫計測值穩(wěn)定，與初值相比變幅在0.1 mm以下。在本次充水過程中，隧洞內溫度由16 ℃逐漸升高到25 ℃，從觀測過程線可看出測縫計開度先隨溫度升高而減小，當隧洞水位到達一定高度時，測縫計開度開始增加，當隧洞水位穩(wěn)定在117.00 m高程時，測縫計開度也隨之穩(wěn)定，新增測縫計觀測數據歷時過程線見圖3。

新增測縫計開合度變化范圍為-0.07～1.57 mm，與通水前增量在-0.12～0.04 mm。

5.1.5鋼筋計、混凝土應變計觀測成果

在混凝土內襯埋設的鋼筋計和混凝土應變計，充水完成后測值穩(wěn)定。當前測值表明隧洞結構處于受壓狀態(tài)，測值與2014年10月份通水達到117.00 m高程并靜停數日后的測值基本相當。鋼筋計觀測數據歷時過程線見圖4。

綜上所述，上游隧洞鋼筋計和應變計隨水位上升而出現(xiàn)拉應力增量，水位穩(wěn)定后鋼筋計和應變計測值穩(wěn)定，這符合隧洞的實際工況。

5.1.6結構縫測縫計、內外襯層間測縫計觀測成果

對布置在結構縫的測縫計進行分析：與通水前2015年5月26日測值相比，增量在-0.65～0.25 mm，平均增量-0.24 mm，變化較小，結構縫測縫計觀測數據歷時過程線見圖5。

圖3　311倉新增測縫計J14SS觀測數據歷時過程線圖

圖4　217倉鋼筋計R22SSD觀測數據歷時過程線圖

圖5　J521SSD觀測數據歷時過程線圖

對布置在內外襯層間的測縫計進行分析：與通水前2015年5月26日測值相比，增量在-0.87～0.02 mm之間，平均增量-0.28 mm，變化較小。

5.2下游隧洞觀測成果

5.2.1滲漏量和滲壓計觀測成果

2014年12月12日至2015年6月20日下游隧洞水位-滲漏量(電磁流量計觀測)過程曲線見圖6。

2014年10月3日穿黃進入全線通水試驗階段，2014年12月12日開始全線正式通水時下游隧洞水位已保持在116.4 m。全線通水初期下游隧洞滲漏量維持在5.5～7.5 L/s左右。2015年2月10日后隧洞滲漏量逐步減小，目前隧洞滲漏量保持在1.3 L/s。

下游隧洞共安裝埋設滲壓計76支，量程范圍0.7 MPa。2014年12月12日至2015年6月20日滲壓計測值過程曲線見圖7。

(1) 2014年12月12日全線通水至2015年6月30日，滲壓計所測水頭均未超出90 m警戒值。

(2) 全線通水至今水位基本保持在116.5 m，從監(jiān)測數據可以看出滲壓計測值處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2.2鋼筋計、混凝土應變計觀測成果

對鋼筋計進行統(tǒng)計分析，所有鋼筋計在通水期間均處于受壓狀態(tài)。應力變化過程：到2015年6月20日時，與通水前初值(2014年10月1日)相比，鋼筋應力變化量在10.89～30.44 MPa之間，平均應力變化量為21.33 MPa。通水期隧洞基本保持在116.5 m水位運行，鋼筋計均處于受壓狀態(tài)，其中132倉0°位置鋼筋計(R22XSD)和300倉90°位置鋼筋計(R10XSD)壓應力較小，應力水平為-4.9～-6.25 MPa。

圖6　下游隧洞運行水位-滲漏量過程曲線圖

圖7　370倉滲壓計P13XSD過程曲線圖

對應變計進行統(tǒng)計分析，所有應變計在通水期間均處于受壓狀態(tài)。應變變化過程：到2015年6月20日時，與通水前初值(2014年10月1日)相比，應變變化量在33.02～109.63 με之間，平均應變變化量為68.41 με。

5.2.3結構縫測縫計、內外襯層間測縫計觀測成果

選取測值穩(wěn)定的結構縫測縫計進行分析，通水期開合度變化過程：到2015年6月21日，與2014年12月13日測值相比，開合度變化范圍為-2.00～0.11 mm，平均變幅為-0.87 mm。

選取測值穩(wěn)定的內外襯層間測縫計進行分析，通水期開合度變化過程：到2015年6月21日時，與2014年12月13日測值相比，開合度變化量在-1.12～-0.02 mm之間，平均變化量為-0.27 mm。

6結語

(1) 從隧洞本次通水期原有鋼筋計和應變計、新增鋼板計和粘碳應變計、新增混凝土應變計等實測應力應變狀態(tài)及變化量來看，隧洞結構均處于受壓狀態(tài)；監(jiān)測儀器應力應變測值變化普遍規(guī)律為隨水位上升出現(xiàn)不同程度的拉應力(拉應變)增量。

(2) 新增混凝土應變計應變變化量與相近位置鋼板計、粘碳應變計應變變化量具有一定的對應性。

(3) 通水期隧洞布設在內外襯之間的測縫計、布設在橫向結構縫的測縫計、以及新增測縫計的測值變幅均較小。

(4) 通水期隧洞滲壓計水位均未超出90 m水位警戒線，隧洞滲漏量穩(wěn)定。

(5) 穿黃隧洞安全監(jiān)測按相關規(guī)范及技術要求及時進行了監(jiān)測，采集到較為全面的監(jiān)測資料。對指導隧洞施工、校核設計參數和積累隧洞設計經驗取得了可靠的數據保證。從安全監(jiān)測數據反映的情況看，自南水北調中線通水運行以來穿黃隧洞目前處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

(6) 通水至今穿黃隧洞安全監(jiān)測，按相關規(guī)范及技術要求及時進行監(jiān)測，采集到較為全面的監(jiān)測資料，對指導隧洞安全運行和驗證設計提供依據。同時，也為管理單位分析、評價工程安全和運行管理決策提供可靠依據。

(7) 本文通過對穿黃隧洞自正式通水后半年內的觀測數據進行初步分析，主要闡述了穿黃隧洞滲漏量、滲透水壓力、混凝土應力應變和接縫開和度的變化范圍和規(guī)律，為同類型輸水隧洞的安全監(jiān)測設計和實施提供了借鑒。

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Analysis on Safety Monitoring Results of In-operation Tunnel under Yellow River of Middle Line,South-to-North Water Diversion Project

JIN Weitao, ZHAO Gangyi

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:The tunnel under the Yellow River is the most important control works in the middle line of the south-to-north water diversion project. It attracts attention all the time. The safety monitoring is one of the important activities of the tunnel under the Yellow River and it is also the concrete means of monitoring the safety of the engineering structure. Through establishment of the safety monitoring system and analysis on the monitoring data of the tunnel in last 6-month operation, in the paper, it reveals the change range and law of the seepage volume, seepage pressure, concrete stress/strain and joint opening of the tunnel under the Yellow River. It provides the safety monitoring design and implementation of the similar transmission tunnel with reference. From the analysis on the safety monitoring data, the tunnel is in normal and stable operation.

Key words:south-to-north water diversion; tunnel under the Yellow River; safety monitoring; result analysis

中圖分類號：TV698.1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.020

作者簡介：靳瑋濤(1983- )，男，陜西省西安市人，工程師，注冊一級建造師，主要從事工程測量、監(jiān)測、監(jiān)理工作.

收稿日期：2016-01-20

文章編號：1006—2610(2016)02—0073—07