隧洞工程試充水后的安全監測探討

譚勇，薛廣文

（1.長江水利委員會長江科學院，武漢430010；2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州511466）

1 引言

輸水隧洞在施工期間會遇到多種復雜地質條件，比如，有毒氣體、巖爆、高外水、高低溫、高地應力等，在施工期間、通水之前以及通水之后要嚴密觀察圍巖和各種水工建筑物具體狀態和穩定性，以保障隧洞運行安全。安全監測能夠對隧洞輸水情況進行安全預報，全面、合理地評價工程運行安全性，對工程設計合理與否展開驗證，促進隧洞設計、施工與運維水平不斷提升。所以，要高度關注隧洞試充水階段的安全監測工作，以合理檢驗隧洞施工質量，保障隧洞輸水通暢與安全。

2 工程概況

吉林中部供水工程主要是從第二松花江上豐滿水庫向吉林中部地區引水，供水地區包括四平市、長春市、遼源市以及所屬九臺區、農安縣、德惠市、伊通縣、公主嶺市、長春雙陽區、梨樹市等，供水的同時增加并退還河道生態用水、農業用水，優化生態環境。該工程的年引水量最高可達1.029×1010m3，水流量設計值是38.0 m3/s。該工程始于豐滿水庫取水口，下游包括輸水總干線（1條）、輸水干線（3條）、調節水庫（10座）、輸水支線（12條）。輸水干線涵蓋遼源干線、四平干線、長春干線、總干線，輸水干線全長為263.45 km，線路中隧洞長度達到133.98 km，同時管線長度為129.47 km。該工程規模大，且供水結構繁雜，所包含的超長有壓隧洞穿越灰巖溶洞及地質復雜地區，在試充水后需做好安全監測工作。

3 安全監測重點項目

壓力輸水隧洞工程在輸水工程中占據重要地位，但此類工程復雜性較高，為保證隧洞工程安全穩定運行，需要在試充水后加強安全監測。在實際的安全監測工作開展中，需結合隧洞工程實際情況合理布設監測斷面，并同步安裝安全監測儀器，擇優選擇光纜敷設方式，保證對安全監測信息實現全面、及時、準確地采集與傳遞，為后續信息分析奠定技術基礎[1]。該輸水工程中涉及的輸水隧洞屬于有壓洞，隧洞全長28.866 km，在安全監測中，重點監測項目包括圍巖變形監測、鋼絞線應力監測、外水壓力監測、圍巖壓力監測、襯砌應力監測、襯砌伸縮縫變形情況監測。該工程中因應變計周邊沒有預先埋設無應力計，所以，該檢測儀器所測數值為混凝土總應變。結合監測項目設計，該隧洞工程預先埋設、安裝多種類型的檢測儀器，儀器數量共205支，包括差阻式測縫計（64支）、差阻式應變計（41支）、差阻式鋼筋計（43支）、錨索測力計（9支）、多點變位計（5支）、振弦式滲壓計（20支）、土壓力計（23支）。其中，差阻式測縫計主要對襯砌伸縮縫進行監測，差阻式應變計主要對襯砌混凝土應變進行監測，差阻式鋼筋計主要對襯砌鋼筋應力進行監測，錨索測力計主要對鋼絞線應力進行監測，多點變位計主要對圍巖變形情況進行監測，振弦式滲壓計主要對外水壓力進行監測，土壓力計主要對圍巖壓力進行監測[2]。

4 監測項目分析

4.1 預應力襯砌段監測值分析

4.1.1 鋼筋應力監測值分析

在該隧洞工程中，預應力襯砌段分布在第2號、5號、7號、8號、10號支洞以及A出口洞段，預應力涵管結構模型圖如見圖1所示。預應力襯砌段在還未張拉鋼筋之前，溫度變化是影響鋼筋應力的關鍵因素，在溫度上升的情況下鋼筋受壓，在溫度下降的過程中鋼筋受拉，并且環向鋼筋應力顯著小于縱向應力[3]。在不同斷面中，2號支洞斷面鋼筋呈現出最大拉應力，最高達到71.86 MPa。完成襯砌張拉工作后，鋼筋應力主要體現在壓變反應方面，尤其是環向應力在受壓過程中出現明顯變化，監測值降低30～60 MPa，而縱向應力在此過程中并未出現明顯變化，監測值改變幅度約10 MPa。在張拉結束后，各斷面相比，2號支洞斷面鋼筋依舊最大，且監測值達到66.72 MPa。

圖1 預應力涵管結構模型圖

4.1.2 混凝土總應變監測值分析

溫度變化是影響混凝土總應變的關鍵因素，溫度上升則增大，溫度下降則減小，不過綜合看來，支洞整體混凝土總應變均呈現負值。環向總應變在張拉因素影響下，主要朝著受壓方向延伸，應變增加幅度保持在50～200 με，總應變約為-600 με。相比之下，縱向總應變保持著比較穩定的變化狀態，基本上和鋼筋應力變化狀態統一。

4.1.3 襯砌外側土壓力監測值分析

斷面處設置的土壓力計在監測期間，其測值變化一直保持在-0.15～0.25 MPa，這種極微小的變化大多是讀數誤差引起的，這反映出襯砌基本保持不受力狀態[4]。

4.1.4 預應力襯砌段的襯砌外側滲透壓力監測值分析

結合相關斷面所監測到的滲透壓力值，可發現2號、3號支洞實際滲透壓一直保持不斷增加的趨勢，監測環節所測得的滲透壓值最大值分別是100 kPa（10 m）、175 kPa（17.5 m），結合這一結果，要求在后續運行中尤其要高度關注3號支洞狀況。7號、8號支洞所測得的滲透壓值居中，均保持在約50 kPa。另外，5號及10號支洞以及A出口支洞所測得的滲透壓值非常小，可見這幾個支洞基本保持在無壓狀態。

4.1.5 預應力鋼絞線錨索測力計的監測值分析

除了3號與8號支洞以外，其他支洞相關部位均布置1支錨索測力計，監測期間，相關設備安裝時間在1 a以內。首先要鎖定錨索，之后其會使應力處于逐步緩慢損失狀態，通常在30 d后進入溫度運行狀態[5]。通過對各處進行監測，發現其最高損失率是3.8%，損失表現比較小，未超出允許范圍，代表錨索保持著良好的張拉狀態，工程項目獲得預期錨固效果。

4.2 普通襯砌段監測值分析

在該隧洞工程中，3號支洞主要設置為普通襯砌段，該支洞中的溫度比較穩定，一直維持在9℃上下，且經測量，伸縮縫均小于1 mm，運行中未發生明顯變化，代表襯砌接縫保持著穩定的變形狀態。由于3號支洞沒有展開張拉作業，所以，鋼筋應力保持著相對平穩的變化狀態，其應力值始終處于50～80 MPa[6]。在普通襯砌段，溫度變化仍然是影響混凝土總應變的關鍵因素，總應變會隨溫度上升而增加，隨溫度下降而減小，且總應變始終呈現負值。3號支洞在沒有張拉的情況下，其混凝土總應變保持平穩變化狀態。監測過程中，土壓力計所測值一直處于-0.5～0.2 MPa，變化微小，反映襯砌為不受力的狀態。另外，滲壓計所測值極其微小，代表該段為無水狀態。

4.3 進出口段監測值分析

在該隧洞工程中，進出口段包含4個斷面，分別有A出口、B出口、C出口和D出口。這4個出口斷面和輸水支洞表現出不同的伸縮縫變形情況，因出口部位受外界環境因素影響大，所以溫差也比較大，最低為2℃，最高為20℃，同時，開合度也具有明顯年周期性，其年變化幅度保持在0～4 mm，通常測值都在1 mm以上，這一表現顯著超過輸水支洞段[7]。

1）襯砌鋼筋應力監測值分析：鋼筋應力在張拉操作之前，會在溫度持續下降過程中呈現緩慢受拉狀態，其拉應力最大值約為57 MPa。而鋼筋應力在張拉后顯著受壓，和之前相比測值下降保持在13～130 MPa，且拉應力最大值約為21.2 MPa。

2）襯砌外側滲透壓力監測值分析：B出口、D出口在監測中滲透壓力均非常小，基本保持著無水狀態。

3）進出口段的襯砌預應力錨索測力計監測值分析：在鎖定錨索后，相應應力保持著緩慢損失趨勢，在約30 d后，進入穩定運行狀態。B出口損失率為2.0%，C出口損失率為3.8%，D出口損失率為1.5%，整體損失率都不大，反映出錨索保持預期張拉狀態。

5 安全監測反思

由于輸水隧洞空間相對狹小，環境比較特殊，可用監測手段有限，所以，目前在對輸水隧洞展開安全監測時仍存在一定不足。首先，對輸水隧洞難以展開收斂變形監測，比如，隧洞監測中發現斷面圍巖出現較大變形情況，此時難以結合有關圍巖的表面收斂變形測值展開全面分析，也就無法明確隧洞實際變形程度[8]。其次，施工期缺乏智能應急監測技術，目前，大部分工程均是在施工尾期及投入運行后設置自動化安全監測系統，而施工期也可能出現監測異常的情況，要求及時加密觀測和動態分析，但是隧洞特殊環境條件會對施工期監測及時性和頻次密度安排產生限制，所以，輸水隧洞工程要注意結合現代先進的科技手段，增加與優化施工期智能應急監測技術[9]。最后，要進一步研究新方法、新技術在隧洞安全監測中的應用。目前，在隧洞安全監測中大多使用的是常規監測手段和檢測設備，而輸水隧洞施工及運行中會遇到各種復雜狀況，需要深入研究安全監測新方法、新技術，以更全面地消除工程安全隱患。

6 結語

通過分析，該輸水隧洞內溫度保持著穩定變化狀態，基本維持在10℃，且縫隙開合也未出現明顯變化，基本都不超過1 mm。而進出口斷面會受到外界環境影響，其溫差變化比較大，一般保持在2～20℃，相應段的開合度明顯表現出年周期性特點，年變化幅度處于0～4 mm，這一變幅顯著超過輸水支洞段。在監測期間，所測部位相應土壓力計測值最高也只有0.25 MPa，這種極其微小的變化，反映出襯砌基本保持著不受力狀態。工程中大部分錨索實現約30 d的鎖定之后，均進入穩定運行狀態，且整體鎖定損失率比較小，保持在0.5%～3.8%，反映出錨索保持著良好的張拉狀態，實際錨固效果符合預期。在隧洞充水后，通過分析各斷面所監測數值變化情況，發現此輸水隧洞保持著優良的運行狀態。