城市深埋隧洞安全監測設計

黃永濤 鄭棟 李少林 杜澤快 張存慧

摘要：為保障城市深埋輸水隧洞施工期和運行期安全，對可能出現的安全隱患進行及時發現和預報，對城市深埋輸水隧洞安全監測設計展開研究。針對羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程輸水距離長、隧洞埋深大、內外水頭高的工程特點，并考慮到安全監測儀器的先進性和穩定性，對城市深埋輸水隧洞安全監測設計方案和關鍵技術進行探討。結果表明：采用FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法，并結合光電復核傳感技術，可保證安全監測數據傳輸的長期穩定性、精確性和有效性。研究結果可為同類工程安全監測設計提供參考。

關鍵詞：城市深埋隧洞； 安全監測； 輸水工程； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TV554

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.030

0引 言

為了解決水資源供需矛盾，保障城市用水安全，越來越多的城市輸水隧洞工程開始建設。輸水隧洞埋深較大、輸水線路長、內外水壓力較大，一旦隧洞失事將對人民的生命財產安全造成嚴重威脅。為了保證輸水工程的安全，實現對施工期和運行期可能出現的安全隱患的及時發現和預報，眾多學者對輸水隧洞安全監測設計展開了研究。張晏明［1］根據引灤工程的工程狀況，對比了鋼弦式、光纖式、電感式等多種監測傳感器，確定了監測斷面、監測項目、內容、儀器選型以及實現監測自動化所采取的手段；杜澤快等［2］在充分考慮監測技術發展與監測系統自動化的前提下，將適合信號長距離傳輸的光纖儀器應用于引大濟湟引水隧洞安全監測設計中；李峰等［3］以南水北調中線吳莊隧洞為例，對輸水隧洞的安全監測設計原則、監測項目以及布置進行了總結；楊雙龍等［4］采用光纖光柵傳感新技術與電測儀器結合的監測儀器布置方式，確保數據采集有效性，為長距離、有壓輸水隧洞的安全監測設計提供了新思路。

城市深埋隧洞作為穿越城市建成區的一類特殊長距離輸水工程，一旦失事將造成嚴重的后果，因此保證工程的安全性特別重要。本文以深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅鐵工程”）為例，綜合考慮了該工程埋深大（城區段埋深大于50 m）、內外水壓力較高、隧洞沿線地層巖性多樣、地質條件復雜以及采用TBM為主、鉆爆法為輔的施工手段的工程特點，結合光電復合傳感技術，將FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法應用到羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞安全監測設計中，確保監測數據的長期穩定、有效、可靠，為城市深埋隧洞安全監測設計提供了一種新的設計思路。

1羅鐵工程安全監測設計項目

羅鐵工程安全監測分為永久安全監測和施工期第三方安全監測兩方面內容。其中永久安全監測一般由專業監測單位負責施工和運行管理，主要為保障工程長期運行安全服務，并盡量兼顧施工期的臨時監測需要；施工期第三方安全監測服務于施工安全及施工過程控制，僅在施工期間臨時開展［5］。根據該工程的各建筑物布置、水文地質條件、結構及運行特點以及毗臨重要建筑物分布，確定該工程干線隧洞的主要監測項目有變形監測、滲流滲壓監測、應力應變監測、沉降監測以及收斂變形監測。

2羅鐵工程安全監測布置設計

2.1干線TBM施工段安全監測設計

干線輸水隧洞采用圓形斷面，分為4段進行TBM施工開挖。如圖1所示，干線輸水隧洞第1段、第2段采用雙模式TBM施工，第3段采用雙護盾TBM施工，第4段采用敞開式TBM施工。

干線隧洞TBM施工段安全監測，主要是對干線羅田下游閥室-鐵崗工作井之間單線TBM隧洞進行永久監測。根據干線隧洞工程布置及沿線地形地質條件，擬在隧洞地質條件較差、不同地質交互部位、埋深較大、隧洞下穿重要建筑物等部位，共設置15個綜合監測斷面，其中干線護盾式TBM施工段涵蓋的監測斷面為斷面1-1至斷面13-13，干線敞開式TBM施工段涵蓋的監測斷面為斷面14-14至斷面15-15。按照監測斷面距離附近監測站的距離，考慮監測設施布置的先進性、可靠性和全面性，其中11個監測斷面布置振弦式儀器，4個監測斷面布置FBG儀器，各綜合監測斷面分布情況見圖2。

2.1.1變形監測

對于干線護盾式TBM施工段的監測斷面，在隧洞環向管片接縫處布置6支測縫計，監測輸水隧洞管片之間環向接縫變形狀態；在管片與自密實混凝土接縫處、自密實混凝土與內側鋼襯接縫處各布置4支測縫計，監測輸水隧洞管片、自密實混凝土、內鋼襯三者之間的接縫變形狀態；在襯砌管片內弧面的頂部及腰部沿全線縱向布設2條定點式應變感測光纜，監測隧洞沿線的管片外荷載擠壓變形情況。

對于干線敞開式TBM施工段的監測斷面，在隧洞圍巖與混凝土接縫、混凝土與鋼襯接縫處各布置4支測縫計；在隧洞襯砌外圍巖體中徑向鉆孔安裝3套多點位移計，監測隧洞圍巖的巖體變形情況。

在隧洞中心線兩側40～60 m范圍以外基礎穩固可靠位置布置的基準點作為工作基點，結合水準點和多點位移計，監測隧洞以上地層的分層沉降。

2.1.2滲流監測

對于干線護盾式TBM施工段的監測斷面，在隧洞管片外弧面頂部及腰部各布置1支滲壓計，監測輸水隧洞襯砌管片承受的外水壓力分布情況；在隧洞自密實混凝土頂部和腰部共布置3支滲壓計，監測襯砌管片內側滲壓。

對于干線敞開式TBM施工段的監測斷面，在隧洞襯砌結構外側的頂部及腰部各布置1支滲壓計，監測輸水隧洞襯砌承受的外水壓力分布情況。

選擇重要觀測點布置地下水位孔，在每個地下水位孔中布置1支滲壓計，監測隧洞以上地層地下水位。在羅田閥室、公明檢修排水井、五指耙水廠分水井、長流陂閥室、5號工作井各布置1支壓力傳感器，監測隧洞鋼管承受的沿程內水壓力。

2.1.3土壓力監測

在每個監測斷面襯砌外弧面頂部及腰部位置各布置1支土壓力計，監測輸水隧洞襯砌結構承受的外側土壓力分布情況。

2.1.4應力應變監測

對于干線護盾式TBM施工段的監測斷面，在輸水隧洞頂部、腰部和底部的標準塊襯砌管片的內、外環鋼筋上布置8支鋼筋計，監測輸水隧洞襯砌管片的鋼筋受力情況；在連接相鄰管片的螺栓中選取2根各布置1個測點，每個監測斷面襯砌管片的環向螺栓布置12支螺栓應力計，監測襯砌管片螺栓的應力狀態。

對于干線敞開式TBM施工段的監測斷面，在每個監測斷面頂部和腰部共選擇3根監測錨桿，每根錨桿上安裝2支錨桿應力計，監測隧洞支護錨桿的受力變化情況。

在每個監測斷面的頂部、腰部和底部沿縱向、環向各布置4支鋼板應變計，監測內側鋼襯應力應變變化情況；在輸水隧洞每個斷面頂部、腰部的標準塊襯砌管片混凝土中各布置1支溫度計，監測輸水隧洞襯砌管片的溫度情況；在干線和各分水支線交叉處各布置1個監測斷面，每個斷面呈環向和流向各布設4支鋼板應變計，監測應力復雜的岔管處鋼板應力應變。

2.2干線隧洞第三方安全監測

干線隧洞內永久監測設施大部分同時具備施工期監測功能，這些監測設施應在施工期盡早埋設安裝，盡可能為施工控制提供所需的施工期監測資料。除此以外，在施工期還應由第三方開展隧洞收斂變形和隧洞沿線沉降監測。

（1） 隧洞收斂變形。

為了監測施工期隧洞管片受圍巖擠壓的變形特性，在隧洞沿線根據圍巖類別設置收斂變形監測斷面，監測斷面間距：Ⅲ類圍巖為50 m，Ⅳ類圍巖為40 m，Ⅴ類圍巖為30 m，斷層破碎帶為10 m，并在斷層破碎帶增加收斂變形監測斷面。每個收斂監測斷面布置5個收斂測點，分別位于頂拱、肩部和腰部，采用反射片配合全站儀進行觀測。

（2） 隧洞沿線沉降監測。

為了監測施工期隧洞沿線的沉降變形狀態，在每個隧洞收斂變形監測斷面的隧洞底部布置1個沉降監測點，采用精密水準法進行隧洞底板沉降觀測。在羅田閥室、公明檢修排水井、五指耙水廠分水井、長流陂閥室、鐵崗工作井底部各布置1套鋼管標（起測基點），作為附近測點沉降觀測的工作基點。

3關鍵技術

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞全長21.68 km，共設置15個綜合監測斷面。由于隧洞輸水管線較長，監測斷面距離觀測站的距離較遠，在15個綜合監測斷面所布置的監測儀器需要布設較長的線纜連接到觀測站，從而實現監測數據的傳輸與收集。為避免監測儀器信號傳輸過程的信號損失，需要通過合理的監測設計和技術手段，確保監測數據的安全性、穩定性以及可靠性。

3.1振弦式儀器和FBG儀器綜合布置

振弦式儀器是一種以拉緊的金屬弦作為敏感元件的傳感器，傳感器內部含有一根特質材質和特定尺寸的鋼弦，在鋼弦四周布置磁感線圈，當傳感器所監測的項目發生變化時，鋼弦兩端的一個拉力也會產生變化，鋼弦在受力變化情況下產生形變變化，從而引起鋼弦的固有頻率變化，通過電磁激勵，使鋼弦在磁感線圈內部產生振動，通過頻率計來測量鋼弦的固有頻率，就可以根據鋼弦的應力-頻率關系，通過換算得到位移、應力應變、裂縫等監測項目測值［6］。振弦式儀器由于其結構簡單、測量精度高、抗干擾能力強以及長期穩定性較好等特點，在水利工程安全監測項目中得到了廣泛應用［7］。但同樣受限于其工作原理，振弦式儀器在長距離監測項目測量中其電纜長短也會對傳感器的測量精度產生影響［8］，其信號傳輸的有效距離一般要求不超過2 km，在實際工程中為了滿足長期觀測的穩定性，一般要求振弦式儀器的電纜引線的距離長度小于1 km［9-10］。

FBG儀器利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法在光纖纖芯內部形成永久性空間的相位光柵，其作用實質是在纖芯形成一個窄帶的反射濾波器或反射鏡，使光的傳播行為在光柵中發生改變［11］。當光柵受到外部應力應變、溫度等荷載作用發生改變時，會引起光柵的周期和光纖纖芯的有效折射率等基本參數的變化，通過光譜分析儀檢測環境變化前后反射光波長的變化，就可以獲得FBG儀器所檢測物理量的變化情況［12］。FBG儀器利用光纖傳輸光波信號，其信號傳輸相較于振弦式儀器損耗極小，能夠滿足監測信號長距離傳輸要求，并且FBG儀器是基于光敏特性，信號安全性高，能夠適應復雜環境，不會受到電磁干擾，在水利工程安全監測中具有廣泛的應用前景。然而光纖儀器由于原理相對復雜，從目前的國內外光纖傳感儀器的研發產品來看，也存在以下不足［13］：① 光纖儀器存在對監測變量之外的變量同時敏感的問題，其中較為突出的是將監測變量與溫度分離；② 由于光纖儀器的材料特性，光纖儀器的施工埋入方式以及維護都較為復雜；③ 光纖儀器與其工程巖土體之間的變形耦合、協調問題會對監測結果的準確性造成較大影響。因此，從目前監測儀器的發展現狀來看，光纖類儀器存在監測可靠性低于振弦式儀器的弊端，在實際的工程應用中，需要根據實際工程狀況，因地制宜、綜合考量、揚長避短，充分發揮振弦式儀器和FBG儀器各自的技術優勢。

針對羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞的15個監測斷面，對振弦監測儀器和FBG儀器的測量精度、穩定性、信號傳輸距離等技術指標進行綜合考量，并考慮到FBG儀器的安裝復雜、儀器和光纜的保護難度大以及施工費用較高等問題，根據監測斷面距離附近監測站的距離，將15個綜合監測斷面中11個距離觀測站較近監測斷面布置振弦式儀器，4個距離觀測站較遠監測斷面布置FBG儀器。

3.2光電復合傳感技術

傳統監測儀器受限于其工作原理和現階段儀器研發限制，在大量的工程實踐中被證實其有效可靠傳輸距離一般在1 km以內，雖然光纖儀器彌補了傳統監測儀器在傳輸距離上的缺陷，但光纖儀器的可靠性存在一定不足之處。因此針對傳統的傳輸儀器無法完全滿足長距離輸水隧洞單洞長、距離遠、隱蔽強等特點的監測需求，本文應用的光電復合智能傳感技術集監測設施的通訊和供電于一體，實現監測信息的長距離穩定可靠的“感知”和“傳輸”。光電復合智能傳感技術通過融合信息采集與信號傳輸設備，將隧洞中監測信息的有效傳輸距離由傳統的1 km提升至20 km以上。

3.2.1光電復合纜

在通信線纜中，光纜利用光的反射原理進行信號傳輸，具有帶寬大、損耗低、傳輸距離長等優點，但光纜僅能作為通信線纜無法提供電力；銅纜作為金屬介質，不僅可以利用電磁波原理進行信號傳輸，還可以進行電力供應，但是在傳輸過程中會存在熱效應，因此損耗較大，不適合于長距離的數據傳輸。光電復合纜將光纖和銅導線集成在一根線纜中，利用光纖傳遞數據信號，利用銅纜輸送電力，使其具備通訊和供電的雙重作用，能夠完成長距離數據傳輸和電力供應。如圖3所示，光電復合纜橫向上從外層到內層，分別是聚乙烯外護層、繞包層、鋼絲鎧裝、聚乙烯內護層、填充芯、動力單元和光纖單元，通過其獨特的結構設計，不僅使其做到光纖信號傳輸和電纜電力供應的兩個過程互不干擾，而且還具有良好的抗拉和防水功能。與分別鋪設光纜和電纜相比，光電復合纜成本更低，并且施工更加方便。

3.2.2基于通訊轉換和電源管理技術的接駁盒

接駁盒是基于通訊轉換和電源管理技術研制而成的集光電分離、電壓變換和通訊轉接的多功能設備，圖4為接駁盒內部功能艙示意圖。光電復合傳感技術應用光電復合纜進行信號傳輸和電力供應，而接駁盒負責接入光電復合纜然后向智能數據采集單元MCU提供低壓直流電源和RS485通信；圖5為接駁盒與光電復合纜、智能MCU直接的一個連接示意圖。電源接入接駁盒后，并聯分支一路進入接駁盒電壓變換電路，將電壓變換為低壓（24 V）直流電，供電給接駁盒內各模塊和外部采集設備。電能變換電路具備故障停機功能；當輸出短路或過流時，電能變換電路停止輸出，同時輸入端不會影響主干網絡正常供電和傳輸；故障移除后，自動恢復輸出。接主干纜接入接駁盒后，其中有2芯光纖被剝離出來，熔接成SC接口尾纖，插入光電轉換器，經過信號轉換后轉成以太網電信號，串口服務器再將以太網信號轉成兩路RS485串口信號，其余光纖和出口處的特制光電纜進行續接，繼續往下一個節點傳輸。電單元在進入接駁盒后，并聯分支出一組接線，接入電壓轉換器輸入端，進行電壓轉換，輸出24V低壓直流電供內部光電轉換器、串口服務器和外部的斷面MCU使用，主干電單元繼續往下一節點傳輸。

斷面6-6和斷面7-7距離附近監測站超過1 km，從傳輸距離的角度考慮宜布置FBG儀器。考慮到FBG儀器可靠性低于振弦式儀器，斷面6-6和斷面7-7布置振弦式儀器，在該兩個斷面和監測站之間通過光電復合纜進行通信和供電，將MCU前移至監測斷面附近布設，以減少電纜數量和提高信號傳輸質量。

4結 語

本文以深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞安全監測設計為例，根據工程特點對工程永久安全監測和施工期第三方安全監測項目進行了設計；針對城市深埋隧洞安全監測中信號傳輸技術難題，采用FBG儀器和振弦式儀器綜合布置的方法，并結合光電復核傳感技術，可保證安全監測數據傳輸的長期穩定性、精確性和有效性。相關經驗可為類似城市深埋隧洞安全監測設計提供參考。

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（編輯：黎剛）