某核電工程海底隧洞排水立管施工監測技術

楊宏波,李應川,劉文彬

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000; 2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

某核電工程全廠規劃建設6臺百萬千瓦級核電機組，一期工程規劃4臺核電機組，每臺機組修建1條海底排水隧洞，一二號機組共2條排水隧洞在海底呈燈泡型線型布置，平面最小曲線半徑為300 m(見圖1)。隧洞全長約為3.5 km，其中兩端陸域側采用礦山法施工，長度約為0.7 km；海域側采用泥水盾構施工，長度約為2.8 km。盾構隧洞外徑為7.4 m，內徑為6.7 m，管片環寬為1.2 m，厚度為35 cm，管片采用“3+2+1”通用楔形管片方案。

圖1 排水隧洞平面示意

排水隧洞最大埋深約為22.3 m，最小埋深約為10.9 m，最大水深約為25.6 m，隧洞頂部承受的最大水壓約為0.35 MPa，在排水隧洞末端設置A1、A2排水頭部，排水頭部海域水深約為20 m，A1、A2排水頭部各有8個排水口，設置于R-300 m曲線上，按12 m間距布置，排水口由排水立管(見圖2)和混凝土圓筒箱體組成(見圖3)。其中A1立管的高度為8.8 m，A2立管的高度為9.8 m，立管在海底需要穿透隧洞的覆蓋土層，下端與隧洞頂部連接，上端與海水貫通。立管上部構筑物為混凝土圓筒箱體，箱體內直徑為7.6 m，重約400 t，安裝在海底將每個排水立管口罩住，以防止潮流和雜物對排水口的沖刷。

排水口整體施工順序：排水立管在海底栽種—盾構切削通過立管—排水立管與隧道連接。

圖2 排水立管照片示意

圖3 排水頭部結構示意(單位:高程 m，其余均為mm)

2 排水立管栽種工藝簡介

排水立管“栽種”采用“在海上作業平臺上下沉鋼護筒，然后在鋼護筒內沖孔，最后在鋼護筒內安裝排水立管”的施工工藝。現場實際采用比利時“力雅號”海上平臺作為施工載體，力雅平臺的船舷長邊尺寸為55.5 m，就位1次可以同時施工2～3根立管。排水立管的栽種流程為：施工準備→施工平臺就位→牛腿、導向架安裝→鋼護筒安裝→水下沖孔→成孔檢驗→排水立管安裝→混凝土導管安裝→水下混凝土澆筑→鋼護筒上拔→排水立管注漿加固。

3 海底排水立管監測技術

3.1 排水立管監測目的

排水立管“栽種”在隧洞軸線上(海水深度約為20 m，隧洞覆蓋層厚度約為10.0 m)[1]，后續要在成型隧道內開孔與立管底部進行連接。需要采用施工過程信息化監測，實現對排水立管傾斜角度數據收集，準確分析排水立管栽種時及盾構機切削通過后立管的傾斜狀態，并判斷排水立管與排水隧洞的位置關系。

3.2 排水立管監測儀器介紹

在排水立管栽種過程中，引進了北斗云監測技術對排水立管栽種過程進行實時監測。北斗云傾斜傳感器主要對滑坡體/樁體的傾斜角度和傾斜方向進行監測。通過與被測物體剛性綁定的方式將傳感器部署于監測點深部，通過傾斜、相對位移等監測手段獲取被測物的傾斜和相對位移數據，可連接數據采集儀，通過GPRS/3G/4G/SMS/北斗短報文/LORA等通信方式傳輸到監測云平臺[2]。

3.2.1傾斜傳感器

排水立管監測主要使用的是高精度傾角傳感器(見圖4，技術指標見表1)，可實現多節、多深度高精度傾斜角度測量[3]；可實現方向角測量；能確定每個節點的變化前后坐標；測斜分辨率為0.001°，精度為0.01°；方位角傳感器分辨率為0.05°，精度為0.5°。

圖4 高精度傾角傳感器

表1 傾斜傳感器技術指標

3.2.2數據采集儀

北斗云數據采集儀是北斗云現場物聯網系統的重要組成部分。北斗云數據采集儀支持232、485、CAN總線式等多種接口，數據通訊支持LORA數傳、WIFI或光纖接線。場地內可選擇無線或有線形式與北斗云路由器連接。

北斗云數據采集儀(見圖5，技術指標見表2)可以使復雜的傳感器簡單化，同時數據采集儀將收集到的一段時間內的所有數據進行統計分析，可提高數據的準確性、穩定性和質量。數據采集儀功能包括：通過有線方式連接傳感器，然后通過無線方式將采集到的數據上傳至北斗云路由器；場地內使用LORA物聯網數傳模塊與北斗云路由器通訊；支持RS485等接口；采用更可靠的通訊方式(內部局域網模式)使通訊得到保障。

其特點是將數據無線傳輸至北斗云路由器，不占用場地內空間布線；場地內通過LORA物聯網數傳模塊傳輸數據，數據可進行本地計算；支持多種接口，可匹配多種傳感器。

圖5 北斗云數據采集儀示意

表2 數據采集儀技術指標

3.3 北斗云傾角傳感器應用于排水立管監測方法介紹

本次排水立管監測利用基于物聯網的傾斜傳感器，采用固定點預埋的方式(傾斜傳感器安裝示意及安裝過程見圖6)，實現傾斜傳感器與被測排水立管同步變化，實時快速的測量到排水立管安裝至海底后的3項垂直度數據，即傾斜角度(相對傾斜)、傾斜方向(位移方向)、立管底部水平位移(通過數據解析反算)。

根據監測現場傾斜傳感器上傳的海量數據，分類進入數據庫，通過北斗云手機端APP應用(見圖7)實現數據實時讀取(見圖8)。手機端APP具有云監測項目管理功能，在項目中可查詢相關管理人員、責任人以及工程上設備運行情況等。手機APP應用支持遠程和近程的數據雙向交互，在工程現場通過手機上的簡單操作即可完成設備的安裝與調試，縮短設備上線等待時間[4]。

圖6 傾斜傳感器安裝示意圖及安裝過程示意

圖7 北斗云手機端APP界面示意

圖8 APP實時讀取的數據示意

3.3.1傾角傳感器測量時間點、基準點選擇

根據栽管過程中立管的各種狀態選取了不同時間點進行垂直度監測(見圖9)，即排水立管吊起懸空狀態(以此狀態為初始化基準點)，排水立管浸入海水未觸底，排水立管觸底穩定后脫鉤(以此狀態為最終基準點)，以這3個代表性的時間點監測數據對立管垂直度的變化情況進行實時監測。

(a)排水立管懸空 (b)排水立管浸入海水 (c)排水立管觸底

圖9 垂直度監測時間點選擇示意

3.3.2排水立管傾斜方向說明

排水立管傾斜方向定義為正北方向與立管幾何中心線在水平面上的投影方向之間的夾角[5]。如圖10所示，線段O1O2即為立管幾何中心線在水平面上的投影方向，所以∠N-O1-O2即為立管當前狀態的傾斜方向。

圖10 排水立管傾斜方向示意

安裝方向：排水立管在海上平臺顯示的傾斜方向并不是真實立管的傾斜方向，此數值默認方向(為利用電子羅盤測量初始方向，操作方法為電子羅盤顯示正北方向與測斜儀器水紅色數據線方向重合的讀數)為零即與正北方向重合，但實際安裝過程中無法保證設備安裝方向一直為正北。

平臺讀數：平臺讀數為測斜儀器實際測量數據，即儀器中的相對傾斜方向讀數。

真實讀數：真實立管傾斜方向=平臺讀數+安裝方向-90°

如圖11所示，水紅色數據線出水位置為東偏南60°與正北夾角150°，所以安裝方向為150°。

圖11 排水立管安裝方向示意

確定真實立管傾斜方向：假設平臺讀數傾斜方向為0°則真實立管傾斜方向=平臺讀數+安裝方向-90°=0°+150°-90°=60°。

3.2.3排水立管傾斜角度(相對傾斜)

排水立管傾斜角度定義為立管幾何中心線與鉛垂線(初始狀態下立管的幾何中心線)之間的夾角[6]。假設立管傾斜狀態為，立管真實傾斜方向60°，傾斜角度30°，通過立管底部中心點O1沿方位角60°方向做垂直剖面圖可以得到圖12。

圖12 排水立管傾斜角度示意

此時O1O2與鉛垂線的夾角即為傾斜角度(30°)，傾斜角度監測數據通過北斗云可視化APP可直接讀取(見圖8所示)。

4 排水立管監測數據解析

4.1 排水立管位移數據解析

排水立管吊裝至鋼護筒內部準備下放前需要將排水立管頂部中心與鋼護筒中心進行擬合(此時排水立管處于垂直狀態，立管頂部中心與底部中心位于同一鉛垂線上)，因鋼護筒定位后的中心與設計中心存在一定的偏差，實際排水立管頂部中心(x1，y1)與設計中心產生的絕對位移為ΔL(沿x、y方向分解產生的位移分別為Δx、Δy)。

排水立管吊裝下放至鋼護筒內，排水立管上部限位塊直徑為3 650 mm(限位塊作業為限制排水立管上部位移空間)，鋼護筒內徑3 800 mm，排水立管下放接觸孔底后測斜儀測出排水立管產生一定傾斜(因沖孔完成后的鋼護筒底部為非絕對水平狀態，立管底部中心與頂部中心不再位于同一鉛垂線上)，立管底部中心相對于立管頂部中心產生的位移ΔL1后的實際坐標為(x2，y2)，該坐標相對于立管頂部中心沿x、y方向分解產生的絕對平面位移值為Δx1、Δy1。

綜上所述，排水立管底部最終坐標為(x2、y2)=(Δx+Δx1，Δy+Δy1)(見圖13)。

圖13 排水立管與鋼護筒位置關系示意(立管向正南方向傾斜2°)

4.2 排水立管傾斜方向高程差數據說明

通過北斗云傾角傳感器監測立管產生傾斜方向及角度，以排水立管底部中心為基點，排水立管沿傾斜方向(以及傾斜相反方向產生的高差)產生的高差為Δh，Δh即為后續排水立管與隧洞連接鋼板尺寸偏差值(排水立管預埋了鋼板環，后期需與隧洞焊接形成整體)。如圖14所示，立管底部高程差：Δh=3 400/2×sinа(mm)，立管鋼板環位置高程差：Δh=2 700/2×sinа(mm)。

圖14 排水立管傾斜方向高差示意(單位:mm)

5 排水立管實際監測數據解析

以下通過北斗云傾角傳感器測得的A1-1排水立管實際監測數據進行解析(見表3)。

表3 A1-1立管安裝監測數據統計及分析說明

對監測的數據統計分析[7]，A1-1立管頂部較設計立管中心沿x方向產生偏差Δx=2 mm，沿y方向產生偏差Δy=-39 mm，平面偏差ΔL=39 mm。A1-1立管傾斜角度為0.062°，由此底部相對于頂部產生的位移為11.25 mm，立管傾斜方向為北偏西24.50°，分解位移可以得到立管頂部中心相對于底部中心X方向(南北向)產生偏差Δx1=-10.24 mm，Y方向(東西向)產生偏差Δy1=-4.67 mm。

綜上數據可得出，立管底部較設計立管中心最終偏差x方向產生偏差為：Δx+Δx1=-8.24 mm，y方向產生偏差為：Δy+Δy1=-43.67 mm(見圖15)。

圖15 A1-1排水立管傾斜方向及底部位移數據解析

立管傾斜方向高差：Δh=2 700/2sin(0.062°)=1.46 mm，式中：2 700 mm為排水立管外徑，傾斜角度а=0.062°(見圖16)

圖16 A1-1排水立管傾斜方向示意

通過運用北斗云對排水立管的監測技術，結合數據實現了對已經“栽種”的海底排水立管理論狀態的分析(如圖17所示)，為后續盾構機掘進下穿排水立管時的參數設定提供了一定的理論依據，盾構機在下穿立管過程中可通過調整掘進參數更好地保護排水立管的穩定狀態，同時，也為后續排水立管與隧洞連接奠定了安全基礎。

圖17 A1排水立管群監測數據解析理論傾斜狀態(傾斜狀態放大10倍后效果)

6 結語

海底排水立管作為核電廠海底排水隧洞冷卻水排放的重要構筑物，其栽種施工的精度直接決定后續排水立管與隧洞連接的難度。文章采用北斗云監測系統，通過信息化的監測手段收集排水立管栽種后的實際狀態，對后續排水立管與隧洞連接具有重要的指導意義。排水立管監測技術的運用為排水立管與隧洞連接提供了重要依據，同時也為類似海底構筑物監測提供了借鑒案例。