譚勇，薛廣文

（1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)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(huì)遇到多種復(fù)雜地質(zhì)條件，比如，有毒氣體、巖爆、高外水、高低溫、高地應(yīng)力等，在施工期間、通水之前以及通水之后要嚴(yán)密觀察圍巖和各種水工建筑物具體狀態(tài)和穩(wěn)定性，以保障隧洞運(yùn)行安全。安全監(jiān)測(cè)能夠?qū)λ矶摧斔闆r進(jìn)行安全預(yù)報(bào)，全面、合理地評(píng)價(jià)工程運(yùn)行安全性，對(duì)工程設(shè)計(jì)合理與否展開驗(yàn)證，促進(jìn)隧洞設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維水平不斷提升。所以，要高度關(guān)注隧洞試充水階段的安全監(jiān)測(cè)工作，以合理檢驗(yàn)隧洞施工質(zhì)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(qū)引水，供水地區(qū)包括四平市、長春市、遼源市以及所屬九臺(tái)區(qū)、農(nóng)安縣、德惠市、伊通縣、公主嶺市、長春雙陽區(qū)、梨樹市等，供水的同時(shí)增加并退還河道生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。該工程的年引水量最高可達(dá)1.029×1010m3，水流量設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)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(dá)到133.98 km，同時(shí)管線長度為129.47 km。該工程規(guī)模大，且供水結(jié)構(gòu)繁雜，所包含的超長有壓隧洞穿越灰?guī)r溶洞及地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，在試充水后需做好安全監(jiān)測(cè)工作。

3 安全監(jiān)測(cè)重點(diǎn)項(xiàng)目

壓力輸水隧洞工程在輸水工程中占據(jù)重要地位，但此類工程復(fù)雜性較高，為保證隧洞工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要在試充水后加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)。在實(shí)際的安全監(jiān)測(cè)工作開展中，需結(jié)合隧洞工程實(shí)際情況合理布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，并同步安裝安全監(jiān)測(cè)儀器，擇優(yōu)選擇光纜敷設(shè)方式，保證對(duì)安全監(jiān)測(cè)信息實(shí)現(xiàn)全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地采集與傳遞，為后續(xù)信息分析奠定技術(shù)基礎(chǔ)[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(jiān)測(cè)中，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍巖變形監(jiān)測(cè)、鋼絞線應(yīng)力監(jiān)測(cè)、外水壓力監(jiān)測(cè)、圍巖壓力監(jiān)測(cè)、襯砌應(yīng)力監(jiān)測(cè)、襯砌伸縮縫變形情況監(jiān)測(cè)。該工程中因應(yīng)變計(jì)周邊沒有預(yù)先埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)，所以，該檢測(cè)儀器所測(cè)數(shù)值為混凝土總應(yīng)變。結(jié)合監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，該隧洞工程預(yù)先埋設(shè)、安裝多種類型的檢測(cè)儀器，儀器數(shù)量共205支，包括差阻式測(cè)縫計(jì)（64支）、差阻式應(yīng)變計(jì)（41支）、差阻式鋼筋計(jì)（43支）、錨索測(cè)力計(jì)（9支）、多點(diǎn)變位計(jì)（5支）、振弦式滲壓計(jì)（20支）、土壓力計(jì)（23支）。其中，差阻式測(cè)縫計(jì)主要對(duì)襯砌伸縮縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，差阻式應(yīng)變計(jì)主要對(duì)襯砌混凝土應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，差阻式鋼筋計(jì)主要對(duì)襯砌鋼筋應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，錨索測(cè)力計(jì)主要對(duì)鋼絞線應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，多點(diǎn)變位計(jì)主要對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，振弦式滲壓計(jì)主要對(duì)外水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，土壓力計(jì)主要對(duì)圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析

4.1 預(yù)應(yīng)力襯砌段監(jiān)測(cè)值分析

4.1.1 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)值分析

在該隧洞工程中，預(yù)應(yīng)力襯砌段分布在第2號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)支洞以及A出口洞段，預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)模型圖如見圖1所示。預(yù)應(yīng)力襯砌段在還未張拉鋼筋之前，溫度變化是影響鋼筋應(yīng)力的關(guān)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(huán)向鋼筋應(yīng)力顯著小于縱向應(yīng)力[3]。在不同斷面中，2號(hào)支洞斷面鋼筋呈現(xiàn)出最大拉應(yīng)力，最高達(dá)到71.86 MPa。完成襯砌張拉工作后，鋼筋應(yīng)力主要體現(xiàn)在壓變反應(yīng)方面，尤其是環(huán)向應(yīng)力在受壓過程中出現(xiàn)明顯變化，監(jiān)測(cè)值降低30～60 MPa，而縱向應(yīng)力在此過程中并未出現(xiàn)明顯變化，監(jiān)測(cè)值改變幅度約10 MPa。在張拉結(jié)束后，各斷面相比，2號(hào)支洞斷面鋼筋依舊最大，且監(jiān)測(cè)值達(dá)到66.72 MPa。

圖1 預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)模型圖

4.1.2 混凝土總應(yīng)變監(jiān)測(cè)值分析

溫度變化是影響混凝土總應(yīng)變的關(guān)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(yīng)變均呈現(xiàn)負(fù)值。環(huán)向總應(yīng)變?cè)趶埨蛩赜绊懴?，主要朝著受壓方向延伸，?yīng)變?cè)黾臃缺３衷?0～200 με，總應(yīng)變約為-600 με。相比之下，縱向總應(yīng)變保持著比較穩(wěn)定的變化狀態(tài)，基本上和鋼筋應(yīng)力變化狀態(tài)統(tǒng)一。

4.1.3 襯砌外側(cè)土壓力監(jiān)測(cè)值分析

斷面處設(shè)置的土壓力計(jì)在監(jiān)測(cè)期間，其測(cè)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(shù)誤差引起的，這反映出襯砌基本保持不受力狀態(tài)[4]。

4.1.4 預(yù)應(yīng)力襯砌段的襯砌外側(cè)滲透壓力監(jiān)測(cè)值分析

結(jié)合相關(guān)斷面所監(jiān)測(cè)到的滲透壓力值，可發(fā)現(xiàn)2號(hào)、3號(hào)支洞實(shí)際滲透壓一直保持不斷增加的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)所測(cè)得的滲透壓值最大值分別是100 kPa（10 m）、175 kPa（17.5 m），結(jié)合這一結(jié)果，要求在后續(xù)運(yùn)行中尤其要高度關(guān)注3號(hào)支洞狀況。7號(hào)、8號(hào)支洞所測(cè)得的滲透壓值居中，均保持在約50 kPa。另外，5號(hào)及10號(hào)支洞以及A出口支洞所測(cè)得的滲透壓值非常小，可見這幾個(gè)支洞基本保持在無壓狀態(tài)。

4.1.5 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索測(cè)力計(jì)的監(jiān)測(cè)值分析

除了3號(hào)與8號(hào)支洞以外，其他支洞相關(guān)部位均布置1支錨索測(cè)力計(jì)，監(jiān)測(cè)期間，相關(guān)設(shè)備安裝時(shí)間在1 a以內(nèi)。首先要鎖定錨索，之后其會(huì)使應(yīng)力處于逐步緩慢損失狀態(tài)，通常在30 d后進(jìn)入溫度運(yùn)行狀態(tài)[5]。通過對(duì)各處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其最高損失率是3.8%，損失表現(xiàn)比較小，未超出允許范圍，代表錨索保持著良好的張拉狀態(tài)，工程項(xiàng)目獲得預(yù)期錨固效果。

4.2 普通襯砌段監(jiān)測(cè)值分析

在該隧洞工程中，3號(hào)支洞主要設(shè)置為普通襯砌段，該支洞中的溫度比較穩(wěn)定，一直維持在9℃上下，且經(jīng)測(cè)量，伸縮縫均小于1 mm，運(yùn)行中未發(fā)生明顯變化，代表襯砌接縫保持著穩(wěn)定的變形狀態(tài)。由于3號(hào)支洞沒有展開張拉作業(yè)，所以，鋼筋應(yīng)力保持著相對(duì)平穩(wěn)的變化狀態(tài)，其應(yīng)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(yīng)變的關(guān)鍵因素，總應(yīng)變會(huì)隨溫度上升而增加，隨溫度下降而減小，且總應(yīng)變始終呈現(xiàn)負(fù)值。3號(hào)支洞在沒有張拉的情況下，其混凝土總應(yīng)變保持平穩(wěn)變化狀態(tài)。監(jiān)測(cè)過程中，土壓力計(jì)所測(cè)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(tài)。另外，滲壓計(jì)所測(cè)值極其微小，代表該段為無水狀態(tài)。

4.3 進(jìn)出口段監(jiān)測(cè)值分析

在該隧洞工程中，進(jìn)出口段包含4個(gè)斷面，分別有A出口、B出口、C出口和D出口。這4個(gè)出口斷面和輸水支洞表現(xiàn)出不同的伸縮縫變形情況，因出口部位受外界環(huán)境因素影響大，所以溫差也比較大，最低為2℃，最高為20℃，同時(shí)，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(cè)值都在1 mm以上，這一表現(xiàn)顯著超過輸水支洞段[7]。

1）襯砌鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)值分析：鋼筋應(yīng)力在張拉操作之前，會(huì)在溫度持續(xù)下降過程中呈現(xiàn)緩慢受拉狀態(tài)，其拉應(yīng)力最大值約為57 MPa。而鋼筋應(yīng)力在張拉后顯著受壓，和之前相比測(cè)值下降保持在13～130 MPa，且拉應(yīng)力最大值約為21.2 MPa。

2）襯砌外側(cè)滲透壓力監(jiān)測(cè)值分析：B出口、D出口在監(jiān)測(cè)中滲透壓力均非常小，基本保持著無水狀態(tài)。

3）進(jìn)出口段的襯砌預(yù)應(yīng)力錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)值分析：在鎖定錨索后，相應(yīng)應(yīng)力保持著緩慢損失趨勢(shì)，在約30 d后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。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(yù)期張拉狀態(tài)。

5 安全監(jiān)測(cè)反思

由于輸水隧洞空間相對(duì)狹小，環(huán)境比較特殊，可用監(jiān)測(cè)手段有限，所以，目前在對(duì)輸水隧洞展開安全監(jiān)測(cè)時(shí)仍存在一定不足。首先，對(duì)輸水隧洞難以展開收斂變形監(jiān)測(cè)，比如，隧洞監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)斷面圍巖出現(xiàn)較大變形情況，此時(shí)難以結(jié)合有關(guān)圍巖的表面收斂變形測(cè)值展開全面分析，也就無法明確隧洞實(shí)際變形程度[8]。其次，施工期缺乏智能應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前，大部分工程均是在施工尾期及投入運(yùn)行后設(shè)置自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而施工期也可能出現(xiàn)監(jiān)測(cè)異常的情況，要求及時(shí)加密觀測(cè)和動(dòng)態(tài)分析，但是隧洞特殊環(huán)境條件會(huì)對(duì)施工期監(jiān)測(cè)及時(shí)性和頻次密度安排產(chǎn)生限制，所以，輸水隧洞工程要注意結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的科技手段，增加與優(yōu)化施工期智能應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)[9]。最后，要進(jìn)一步研究新方法、新技術(shù)在隧洞安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。目前，在隧洞安全監(jiān)測(cè)中大多使用的是常規(guī)監(jiān)測(cè)手段和檢測(cè)設(shè)備，而輸水隧洞施工及運(yùn)行中會(huì)遇到各種復(fù)雜狀況，需要深入研究安全監(jiān)測(cè)新方法、新技術(shù)，以更全面地消除工程安全隱患。

6 結(jié)語

通過分析，該輸水隧洞內(nèi)溫度保持著穩(wěn)定變化狀態(tài)，基本維持在10℃，且縫隙開合也未出現(xiàn)明顯變化，基本都不超過1 mm。而進(jìn)出口斷面會(huì)受到外界環(huán)境影響，其溫差變化比較大，一般保持在2～20℃，相應(yīng)段的開合度明顯表現(xiàn)出年周期性特點(diǎn)，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(jiān)測(cè)期間，所測(cè)部位相應(yīng)土壓力計(jì)測(cè)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(tài)。工程中大部分錨索實(shí)現(xiàn)約30 d的鎖定之后，均進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，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(tài)，實(shí)際錨固效果符合預(yù)期。在隧洞充水后，通過分析各斷面所監(jiān)測(cè)數(shù)值變化情況，發(fā)現(xiàn)此輸水隧洞保持著優(yōu)良的運(yùn)行狀態(tài)。