滇中引水工程輸水隧洞安全監測設計原則研究

(長江勘測規劃設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

滇中引水工程是我國“十三五”172項重點水利工程之一，也是云南省可持續發展的戰略性基礎工程，它從云南省西部金沙江向相對缺水的滇中地區長距離引水。整個工程由水源工程和輸水工程兩部分組成，其中輸水工程穿過大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州(市)的35個縣(市、區)，全長664.2 km，設計流量20～135 m3/s，全線共布置隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵、消能電站等各類建筑物118座，其中隧洞為最主要輸水建筑物型式，共布置58條，總長約612 km，占輸水干線全長的92.1%。輸水工程沿引水路線劃分為6段，依次為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段，分別由3家不同單位承擔設計任務[1-3]。

2 開展安全監測設計原則研究的必要性

滇中引水工程的輸水隧洞具有數量眾多、長短不一、洞徑各異、地質條件復雜等特點，而對于隧洞工程的安全監測設計，目前國內還沒有專門性的監測設計規范，類似工程大多參照SL725-2016《水利水電工程安全監測設計規范》(以下均簡稱為SL725-2016規范)中的“水工隧洞監測”章節執行[4]。但該規范條文只是隧洞監測設計的最低限度要求和指導性規定，不可能完全切合該工程隧洞的地質條件和結構特點，加之沿線隧洞分別由不同單位和不同人員承擔設計任務，各家對規范條文的理解深度不同，執行力度各異，很容易造成各隧洞的監測布置千差萬別。因此，為規范各隧洞安全監測的設計標準和保證設計成果質量，有必要以SL725-2016規范為基礎，研究和細化安全監測總體設計原則(包括監測項目選取原則、監測斷面設置原則和監測設施布置原則)，供沿線各設計單位統一遵照執行。

3 監測項目選取原則

3.1 監測項目取舍

工程安全監測按服務的時段和目的不同，分為永久安全監測和施工期安全監測。永久安全監測從儀器埋設后即開始觀測，其目的主要是監控建筑物工作性態和驗證設計，部分儀器也兼具施工期監測作用；施工期安全監測僅在施工期開展，其目的主要是保障施工人員和設備的安全。

3.1.1永久監測項目

SL725-2016規范中只列出了可供選擇的監測項目，它是這樣規定的：“變形監測項目包括隧洞圍巖變形、拱頂沉降、地表沉降、接縫及裂縫開度等”“滲流監測項目包括隧洞襯砌外水壓力、進出水口基礎揚壓力等”“應力應變及溫度監測項目包括支護結構混凝土應力應變、鋼筋應力、圍巖壓力、錨桿應力、錨固力以及壓力鋼管鋼板應力等”。通過對該工程輸水隧洞的地質和結構特點深入分析，發現這些監測項目不夠全面，也有部分項目無設置的必要，具體包括：① 部分輸水隧洞穿越全新世活動斷裂帶，斷層活動可能導致襯砌產生較大錯動變形，因此有必要針對活動斷裂開展斷層位移和襯砌錯動監測；② 該工程所涉隧洞為長距離無壓輸水隧洞，為掌握隧洞內的沿程水頭損失和實際水面線，需要開展隧洞沿程水位監測；③ 輸水隧洞采用噴錨+混凝土襯砌的支護形式，通常不會用到預應力錨桿或錨索，因此無需開展預應力錨固力監測；④ 輸水隧洞為低流速無壓隧洞，襯砌表面未布置壓力鋼管，也就無需開展鋼管應力監測。

3.1.2施工期監測項目

SL725-2016規范對施工期監測項目并沒有作出明確規定，滇中引水工程存在圍巖不穩隧洞、淺埋隧洞、潛在突涌水隧洞、富含毒害氣體隧洞等，所面對的施工安全問題十分突出，因此有必要針對性地開展施工期安全監測。具體包括：① 對圍巖不穩隧洞應開展施工期圍巖收斂監測、深部變形監測和支護措施(錨桿、鋼拱架)受力監測，以掌握圍巖變形特性和支護處理效果；② 對淺埋隧洞應開展地表變形監測，以保證上覆或鄰近建筑物的施工安全；③ 對潛在突涌水隧洞應開展施工期滲漏量監測，并提前制定人員和設備撤離應急預案；④ 對富含毒害氣體隧洞應開展有害氣體含量監測，以保證施工人員的人身安全。

3.2 監測項目擬定

3.2.1永久監測項目

根據SL725-2016規范的規定，結合輸水隧洞的工程布置、結構特點和地質條件，經過對永久監測項目取舍分析，確定該工程擬開展的永久監測項目主要有： 圍巖內部變形監測，襯砌和圍巖的接縫開合度監測，活動斷裂帶地表位移和襯砌位錯監測，淺埋洞段的地表沉降監測，襯砌外水壓力監測，隧洞沿程水位監測，襯砌結構混凝土應力和鋼筋應力監測，支護措施(錨桿、鋼拱架等)受力監測等。其中圍巖內部變形監測、淺埋洞段的地表沉降監測、支護措施(錨桿、鋼拱架等)受力監測兼具施工期監測作用。

需要說明的是，不是每條隧洞都需要按上述項目進行全面監測，而是應根據各條隧洞的規模、結構型式、地質條件和施工方法的不同，對具體監測項目進行有針對性地選取[5-6]。

3.2.2施工期監測項目

根據對輸水隧洞施工期監測項目取舍分析，確定該工程擬開展的施工期監測項目主要有：圍巖表面收斂監測，深部變形監測，錨桿應力監測，鋼拱架應力監測，滲漏水量監測，有害氣體含量監測，淺埋隧洞的地表變形監測等。

由于各隧洞的地質條件和施工方法不同，各自所需要面對的施工安全問題也有很大區別，因此每條隧洞的施工期監測項目應在實際揭露的地質情況或提前分析預測基礎上，根據潛在施工安全問題有針對性地選取。

4 監測斷面設置原則

4.1 監測斷面設置分析

SL725-2016規范中對隧洞永久監測斷面是這樣規定的：“隧洞監測斷面布置，應根據地質條件、圍巖結構、襯砌結構形式、受力狀態等選擇具有代表性的洞段或關鍵的部位，每一個代表性洞段布置1～3個監測斷面”。

滇中引水工程共布置輸水隧洞58條，總長約612 km。由于這些隧洞數量眾多，而各隧洞長短不一、地質復雜多變，若嚴格按“每一個代表性洞段布置1～3個監測斷面”執行，會導致監測斷面在空間分布上嚴重不均衡，短隧洞內監測斷面會過于集中，而長隧洞內則會分布稀疏；圍巖地質條件變化頻繁處將十分集中，而圍巖地質條件長距離均一時則會過于稀疏。

輸水隧洞內開展施工期監測的具體部位及項目，需要根據實際揭露的地質情況或深入分析預測來確定，具有高度的隨機性和不確定性。各監測部位的測點布置也應以獲取必要的施工期數據為前提，根據各部位實際監測需求來確定，除收斂監測斷面相關規范有明確規定外，通常沒有必要按監測斷面進行儀器布置。

4.2 監測斷面設置原則

根據滇中引水工程輸水隧洞長短不一、洞徑各異、地質復雜等特點，為保證每條隧洞均得到有效安全監控，并盡量做到安全監測空間分布的均衡性，經研究，最終確定永久監測斷面設置原則為：① 各隧洞不論大小、長短均應至少設置1個監測斷面；② 長隧洞(>3 km)一般每1～3 km設置1個監測斷面；短隧洞(≤3 km)一般設置1～2個監測斷面；③ 監測斷面重點布置在軟巖段、高外水壓力段、淺埋段、活動斷層帶及圍巖破碎帶等安全不利部位[6]；④ 當隧洞長度超過10 km時，應在Ⅲ類圍巖洞段設置1～3個對比監測斷面；⑤ 監測斷面盡量靠近隧洞進、出口或施工支洞，以利于監測儀器電纜向洞外牽引。

施工期圍巖收斂變形監測應設置收斂監測斷面，收斂斷面布置嚴格按SL725-2016規范執行，即Ⅲ類圍巖斷面間距不大于50 m；Ⅳ類圍巖斷面間距不大于40 m；V類圍巖斷面間距不大于30 m；斷層破碎帶斷面間距為5～10 m。

5 監測設施布置原則

5.1 永久監測布置

5.1.1變形監測布置

SL725-2016規范對隧洞變形監測設施布置是這樣規定的：“圍巖內部變形應采用多點位移計監測，每個斷面宜布置3～5個測孔，每孔測點數量宜3～6個；接縫及裂縫開合監測每個監測斷面至少布置3個測點”。

該工程輸水隧洞斷面形式有圓形、馬蹄形和城門洞形，開挖洞徑3～10 m不等。由于各隧洞斷面形式不同、洞徑大小各異，加之圍巖條件千差萬別，因此，為使隧洞變形監測布置更具針對性和合理性，不能完全對各斷面變形儀器布置進行統一規定，而應根據各隧洞的結構形式、斷面大小及地質情況予以區別對待。經過對各隧洞的布置、結構與地質情況深入分析，確定變形監測設施布置原則如下。

(1) 圍巖內部變形監測。圍巖內部變形采用多點位移計監測，當圍巖為V類時，宜根據隧洞洞徑大小在每個監測斷面布設3～5套多點位移計，一般布設在洞頂、左右肩部和左右側腰部[7]；當圍巖為Ⅲ類、Ⅳ類時，每個監測斷面宜布設3套多點位移計，一般布設在洞頂和左右腰部。

(2) 襯砌和圍巖的接縫開合度監測。在襯砌和圍巖間跨縫埋設測縫計，每個監測斷面宜布設3支測縫計，一般布設在洞頂和左右側腰部。

(3) 活動斷裂地表位移監測和襯砌結構錯位監測。在地表合適位置布設跨活動斷裂的變形監測網，監測活動斷裂相對兩側穩定地層的位移情況；在斷裂帶內的隧洞襯砌分縫上應埋設位錯計，監測活動斷裂變形引起的襯砌間錯動情況。

典型隧洞監測斷面變形監測儀器布置如圖1所示。

圖1 典型隧洞斷面變形監測儀器布置Fig.1 Layout of deformation measurement instruments in typical tunnel monitoring sections

5.1.2水位及滲流監測布置

SL725-2016規范對隧洞內水位監測沒有作出規定，而對滲流監測設施布置是這樣規定的：“對于隧洞外水壓力監測，宜在每個監測斷面布置1～3個測點；水工隧洞穿越防滲帷幕時，應進行帷幕的防滲效果監測，并在防滲帷幕前后一定距離范圍內布置測點，測點處應避開防滲帷幕灌漿影響。”

該工程各隧洞是輸水總干渠的重要組成部分，其沿程水位既是運行調度的主要依據，也是隧洞安全分析的重要參量，因此需要在隧洞沿線設置水位測點，對各隧洞沿程水位開展監測。各隧洞雖不存在穿越防滲帷幕情況，但大部分隧洞位于雄厚山體之下，承受較大的外水壓力，洞周大多采用灌漿方式加固圍巖，使其成為承載和防滲阻水的主要結構，因此需要在灌漿圈內外布設測點，以監測灌漿圈的防滲處理效果。

基于上述分析，確定水位及滲流監測設施布置原則為：① 隧洞沿程水位監測。每條隧洞應在進、出口部位布置水位測點，當隧洞進、出口布置有控制性水閘時，可與水閘前、后水位測點結合布置；長隧洞還應根據施工支洞布置情況，在洞內合適位置布設沿程水位測點。② 襯砌外水壓力監測。隧洞圍巖不作灌漿處理的，宜在每個監測斷面圍巖表面布設4支滲壓計，分別位于洞頂、左右腰部和洞底；隧洞圍巖進行灌漿處理的，宜在每個監測斷面布設8支滲壓計，4支位于灌漿圈外，4支位于圍巖表面。

典型隧洞監測斷面滲流監測儀器布置如圖2所示。

5.1.3應力應變監測布置

SL725-2016規范對隧洞應力應變監測設施布置是這樣規定的：“對于隧洞混凝土襯砌結構鋼筋應力的監測，應在襯砌的內層鋼筋上布置測點，每個斷面根據需要布置4～8個測點；對于隧洞混凝土襯砌應力應變監測，每個斷面宜布置4～8個測點，1～4支無應力計；對于圍巖與支護結構接觸壓力監測，每個斷面宜布置1～3個測點；錨桿應力監測時每個斷面宜布置3～5根監測錨桿，每根監測錨桿宜布置1～3個測點。”

圖2 典型隧洞斷面滲流監測儀器布置Fig.2 Layout of seepage monitoring instruments for typical tunnel sections

該工程隧洞襯砌結構所受荷載主要有圍巖壓力、外水壓力、內水壓力、彈性抗力和自重等，根據不同圍巖條件和工況下的結構計算成果可知，襯砌結構并非總是內側受拉、外側受壓，也并非總是內側比外側受力大，所以SL725-2016規范中“應在內層鋼筋上布置測點” 的規定[8]并不合理。考慮到襯砌結構計算均會引入若干假定條件，尤其是對于地質條件較差較復雜的V類圍巖區，理論計算成果很難與實際受力完全吻合，因此有必要在襯砌內、外層鋼筋上均布置測點。另外，各隧洞內監測斷面普遍存在引線過長問題，從監測的必要性和降低監測投資考慮，沒必要對每個監測斷面都開展混凝土應力監測。對穩定和受力條件較好的Ⅲ、Ⅳ類圍巖監測斷面，以及洞徑較小的玉溪段和紅河段隧洞監測斷面，各類應力應變測點布置也可以進行適當簡化。

基于上述分析，確定應力應變監測設施布置原則如下。

(1) 鋼筋應力監測。當圍巖為V類時，每個監測斷面布設6～8支鋼筋計；Ⅳ類圍巖每個監測斷面布設4～6支鋼筋計。鋼筋計宜根據結構計算成果布設在受力集中區或代表性位置，襯砌內、外層鋼筋測點宜對應布置。

(2) 混凝土應力監測。當圍巖為V類時，選擇部分綜合監測斷面布設應變計和無應力計，應變計和鋼筋計宜對應布置；當圍巖為Ⅳ類時，可不開展該項監測。布設有應變計的監測斷面還應布設2支無應力計。

(3) 圍巖壓力監測。隧洞埋深超過300 m時，一般在監測斷面的洞頂和左右腰部各布設1支壓應力計。

(4) 錨桿應力監測。當圍巖為V類且洞徑不小于8 m時，在腰部以上選擇5根監測錨桿；當圍巖為Ⅳ類或洞徑小于8 m時，在洞頂120°范圍內選擇3根監測錨桿。每根監測錨桿上布設1～3支錨桿應力計，錨桿長度小于6 m時，每根錨桿布設1支錨桿應力計；錨桿長度在6～9 m之間時，每根錨桿布設2支錨桿應力計；錨桿長度超過9 m時，每根錨桿布設3支錨桿應力計。

典型隧洞監測斷面應力應變監測儀器布置如圖3所示。

圖3 典型隧洞斷面應力應變監測儀器布置Fig.3 Layout of stress and strain monitoring instruments for typical tunnel sections

5.2 施工期監測布置

5.2.1變形監測布置

施工期變形監測包括圍巖表面變形監測、圍巖深部變形監測和淺埋隧洞地表變形監測等。

圍巖表面變形通常采用收斂斷面法監測。該工程各輸水隧洞洞徑為3～10 m，洞徑差異性很大。為了有利于測點埋設和觀測，根據國內工程經驗，當開挖洞徑小于8 m時，宜采用收斂計配合收斂測線觀測；當洞徑不小于8 m時，宜采用全站儀或斷面儀觀測。初測收斂斷面應盡量靠近開挖掌子面，每個收斂監測斷面根據洞徑大小分別布設3～5個收斂測點，分別布置在洞頂、左右洞肩和左右腰部。

圍巖深部變形通常采用鉆孔埋設多點位移計監測，主要針對隧洞開挖揭露的軟弱帶、破碎帶、塊體等施工期不穩圍巖布置，每處存在失穩可能的部位宜布置1～3套多點位移計。

淺埋隧洞地表變形以監測地表沉降為主，當鄰近區域有高聳建筑物時，還應監測建筑物的水平位移。地表沉降通過設置沉降標點來觀測，對埋深小于4倍洞徑且圍巖為Ⅳ、V類圍巖的隧洞，沿洞頂至少每隔50 m布置1個地面沉降測點。高聳建筑物水平位移采用全站儀配合棱鏡觀測，對距隧洞50 m范圍內且高度超過30 m的建筑物，每個建筑物頂部至少布置1個固定測點。

5.2.2滲流監測布置

施工期滲流監測主要是對潛在突涌水隧洞開展滲水流量監測。當隧洞穿越富水或儲水構造時，會在隧洞內形成集中滲水或涌水，短時超量滲水可能危及人員與設備安全，因此有必要對施工期的集中滲水開展監測[9]。監測方法可以采用容積法、量水堰法、抽排容量法。當出水量較小且出水點集中時，宜采用容積法量測；而當涌水量較大或涌水點分散時，宜設置量水堰觀測。當量水堰不便設置時，可以根據排水泵抽排能力進行流量估算。

5.2.3應力應變監測布置

施工期應力應變監測主要指對初期支護措施(錨桿、鋼拱架)的受力開展監測。錨桿受力采用錨桿應力計監測，每個不穩圍巖區域至少選擇3根監測錨桿，每根監測錨桿宜根據錨桿長度，布置1～3支錨桿應力計。鋼拱架受力采用鋼板計監測，每個不穩圍巖區域至少選擇2榀鋼拱架，每榀鋼拱架宜布設3支鋼板計，一般布設在洞頂和左右腰部。

5.2.4有害氣體監測布置

對富含毒害氣體的隧洞應開展有害氣體含量監測，重點監測部位為：開挖掌子面、煤層出露處、巖石裂隙面、溶洞、軟弱結構面、不良地質段、圍巖巖性突變處等。監測方式以人工檢測為主，即由檢測人員攜帶便攜式設備，到可能產生有害氣體的部位直接檢測。檢測人員應攜帶必要的防護和自救設備，一般2～3人一起進洞，彼此拉開約30 m距離，邊檢查邊前進。當需要通過的地層中有害氣體含量較高且地層較寬大時，可在隧洞中建立有害氣體自動監控系統，實現在線實時監測與預警[10]。

6 結 語

目前，依據本文所述設計原則編制的《滇中引水工程安全監測初步設計技術規定》已經通過了水利部水利水電規劃設計總院組織的專家審查，并得到了與會專家的一致認可。這些設計原則作為隧洞監測設計的指導性依據，在隨后的安全監測專題設計和安全監測招標設計中得到了全面貫徹，從而有力保證了全線隧洞監測設計的標準統一和設計成果質量，對以后同類隧洞的監測設計也具有較大參考價值。