崔 磊

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

山西省中部引黃工程總干4號輸水隧洞安全監(jiān)測設(shè)計

崔 磊1，2

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

山西省中部引黃工程總干4號輸水隧洞沿線高低起伏，穿越山川河流，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，為確保4號隧洞安全施工順利運行，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范及以往的工程實例，選取最不利的監(jiān)測斷面，布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測儀器。通過自動化采集系統(tǒng)，實時監(jiān)控斷面的各種應(yīng)力變形，分析數(shù)據(jù)成果及時發(fā)現(xiàn)問題，驗證設(shè)計成果。

輸水隧洞；監(jiān)測斷面；監(jiān)測儀器；安全監(jiān)測；中部引黃工程

1 概述

山西省中部引黃工程總干4號輸水隧洞樁號為總166+319.88—總200+217.14，隧洞始于離柳地下分水閘，洞線自離石區(qū)和中陽縣東部繞過煤礦井田范圍，在離石區(qū)田家會鎮(zhèn)地下42m穿過東川河，止于中陽縣東部邢家?guī)X東西干進水閘處，全長31.99km。4號隧洞洞線地面高低起伏很大，沿線穿越高山峽谷河流，地面高程1016～1415m，洞底埋深55～452m。洞線地質(zhì)情況極為復(fù)雜，局部巖溶地下水位位于洞底以上，洞段巖溶較發(fā)育，可能遇到溶洞，樁號197+300附近隧洞穿過Fc1逆斷層，處于斷層破碎帶及影響帶，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，圍巖工程地質(zhì)主要為Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類，局部有土洞段。

鑒于總干4號輸水隧洞沿線特殊的地質(zhì)條件，洞線設(shè)計縱坡1/2500～1/3000，其中總166+319.88—總168+475.3段縱坡為1/2500，總168+475.3—總200+ 217.14段縱坡為1/3000，進口洞底高程964.88m，出口洞底高程954.07m，設(shè)計流量15.52m3/s。穿越東川河段采用馬蹄形斷面，頂拱內(nèi)緣為半徑2.0m的半圓弧，側(cè)墻及底板內(nèi)緣為半徑4.0m的半圓弧，洞身凈寬與凈高相等，均為4.0m，設(shè)計水深2.88m。巖洞段中地下水位較高的地段采用圓形斷面，洞徑4.1m，設(shè)計水深3.0m，其余均采用城門洞形斷面，巖洞段凈寬3.6m，凈高4.6m，直墻段高2.8m，設(shè)計水深2.83～3.04m，頂拱中心角180°，半徑1.80m。

總干4號輸水隧洞全部采用鉆爆法施工，為保證施工階段的順利實施以及建成后的安全運行，對總干4號隧洞的安全監(jiān)測進行了設(shè)計，通過監(jiān)測各個最不利斷面，采用現(xiàn)代化的通信設(shè)備，將采集到的實時數(shù)據(jù)進行整理分析，以確保整個工程安全順暢，同時達到校核驗證設(shè)計的目的。

2 隧洞安全監(jiān)測布置

總干4號輸水隧洞全長31.99km，沿線共設(shè)置41號，42號，43號，44號，45號，46號，47號，48號，49號，50號和末端交通洞共計11條施工支洞。

根據(jù)隧洞沿線的工程地質(zhì)情況以及沿線所保留的永久施工支洞，經(jīng)綜合分析，最終在總干174+900，179+480，197+300以及交通洞0+050布設(shè)4個監(jiān)測斷面，相應(yīng)的監(jiān)測站分別布設(shè)在43號，45號，50號施工支洞及交通洞洞口處。各個監(jiān)測斷面上的監(jiān)測儀器通過四芯屏蔽雙絞電纜和八芯屏蔽雙絞電纜，經(jīng)由施工支洞與洞口處監(jiān)測站內(nèi)的自動化測量單元MCU相連接。各監(jiān)測站的監(jiān)測信息通過光纜匯集到各個監(jiān)測分站，最后并網(wǎng)到監(jiān)測總站，通過自動化系統(tǒng)實時監(jiān)測整個輸水工程的安全運行。為保證監(jiān)測信息實時暢通，并盡可能采用自動化監(jiān)測，各監(jiān)測站采用兩套供電系統(tǒng)。監(jiān)測站周圍有可用的交流電源時，采用220V交流電供電；監(jiān)測站附近沒有可用交流電源或架設(shè)新的供電線路費用太高時，采用48V太陽能供電。

3 隧洞監(jiān)測斷面布置

總干4號輸水隧洞監(jiān)測斷面主要選擇在局部地應(yīng)力較大，圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞均可能發(fā)生的Ⅳ，Ⅴ類圍巖處；洞段巖溶較發(fā)育，隧洞外地下水位較高處；土洞、砂卵石混合土洞處；穿河且洞頂以上覆土較少處；穿斷層及斷層破碎帶處。

總干4號輸水隧洞共選擇3個監(jiān)測斷面，分別設(shè)在總干174+900處，斷面形式為圓形，圍巖類別為Ⅴ類，且地下水位較高，位于洞頂以上約100m；總干179+480處，斷面形式為馬蹄型，洞底埋深較淺，隧洞周圍為卵石混合土，地下水位位于洞底以上，圍巖類別為Ⅴ類；總干197+300處，斷面形式為城門洞型，樁號197+300附近隧洞穿過Fc1逆斷層，處于斷層破碎帶及影響帶，圍巖類別為Ⅴ類。以上所選的監(jiān)測斷面可根據(jù)隧洞開挖后的實際情況進行調(diào)整。

4 監(jiān)測項目及儀器布設(shè)

4.1 隧洞圍巖變形監(jiān)測

隧洞圍巖變形監(jiān)測包括圍巖收斂變形監(jiān)測和圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測。圍巖收斂變形監(jiān)測是指在隧洞施工期采用收斂計測量圍巖表面兩點在連線方向上的相對位移對隧洞內(nèi)部凈空收斂進行監(jiān)測。圍巖收斂變形監(jiān)測是施工期圍巖穩(wěn)定的主要監(jiān)測方法。總干4號輸水隧洞共有城門洞型、圓形、馬蹄型三種斷面形式，收斂測點和基線的布置原則上采用“5點6線式”，也可根據(jù)現(xiàn)場隧洞開挖實際情況作相應(yīng)調(diào)整。圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測是指通過鉆孔在一定深度的圍巖內(nèi)部埋設(shè)觀測儀器，監(jiān)測鉆孔軸向位移變化，常采用的監(jiān)測儀器為多點位移計。本次設(shè)計中，在每個永久監(jiān)測斷面的起拱線、頂拱處布設(shè)3支量程為6m的振弦式多點位移計，每支有3個測點。

4.2 隧洞圍巖壓力監(jiān)測

隧洞圍巖壓力監(jiān)測是在圍巖和襯砌之間埋設(shè)土壓力計測量作用在隧洞上的圍巖壓力和圍巖中的壓力分布。本次設(shè)計中分別在三種永久監(jiān)測斷面的起拱點、拱頂和底板中部布設(shè)3支振弦式土壓力計。

4.3 隧洞外水壓力監(jiān)測

隧洞外水壓力監(jiān)測是在隧洞圍巖內(nèi)鉆孔埋入滲壓計，測量外水壓力的大小。由于4號輸水隧洞為無壓隧洞，洞內(nèi)水頭不高，水壓力不大，故本次監(jiān)測設(shè)計主要考慮隧洞外水壓力，分別在地下水位位于洞頂以上以及埋深較淺的穿河處監(jiān)測斷面的拱頂、起拱點和底板中部布設(shè)3支振弦式滲壓計。

4.4 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的接縫監(jiān)測

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的接縫監(jiān)測包括襯砌和圍巖之間的縫隙監(jiān)測和襯砌之間的伸縮縫監(jiān)測。襯砌和圍巖之間的縫隙監(jiān)測是指在隧洞襯砌和圍巖之間埋設(shè)測縫計，監(jiān)測二者之間接觸面開合度。本次設(shè)計在三種永久監(jiān)測斷面的起拱點和拱頂分別布設(shè)3支振弦式單向測縫計。襯砌與襯砌之間的伸縮縫監(jiān)測是指在伸縮縫內(nèi)埋設(shè)雙向測縫計，測量伸縮縫的開合度。本次設(shè)計僅在馬蹄洞型監(jiān)測斷面前的巖土過渡段連續(xù)取10個伸縮縫，每縫洞頂設(shè)一組雙向（水平和垂直）測縫計。

4.5 隧洞圍巖支護及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

總干4號隧洞Ⅴ類圍巖支護措施主要采用頂拱側(cè)墻內(nèi)掛直徑8mm的鋼筋網(wǎng)，間距150mm×150mm，噴120mm厚的C20混凝土；頂拱范圍內(nèi)設(shè)直徑25mm的系統(tǒng)錨桿，長2m，間排距1.0m，梅花型布置；頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2MPa；局部圍巖特別破碎或土洞段采用鋼拱架支護。綜合考慮各方面設(shè)計因素，本次設(shè)計中隧洞圍巖支護監(jiān)測僅考慮錨桿應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備采用振弦式錨桿應(yīng)力計，在巖洞監(jiān)測斷面的頂拱及其兩側(cè)選擇3根監(jiān)測錨桿布設(shè)3支錨桿應(yīng)力計，土洞監(jiān)測斷面沒有錨桿，不設(shè)錨桿應(yīng)力計。

總干4號隧洞為無壓輸水隧洞，采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，分別在鋼筋混凝土襯砌受拉部位和應(yīng)力集中部位布設(shè)鋼筋計、應(yīng)變計，同時布設(shè)無應(yīng)力計與應(yīng)變計配套使用。應(yīng)變計和鋼筋計均采用單向振弦式，在監(jiān)測斷面襯砌的頂拱、起拱點以及底板與邊墻的交點處，沿切線方向布設(shè)3支應(yīng)變計；在監(jiān)測斷面襯砌縱向受力筋的頂拱、起拱點以及邊墻與底板交點處的內(nèi)外側(cè)鋼筋上分別布設(shè)6支鋼筋計；在監(jiān)測斷面直墻中下部布設(shè)2支無應(yīng)力計，與應(yīng)變計配套使用。

5 隧洞監(jiān)測站分布及監(jiān)測儀器

總干4號隧洞共設(shè)4個監(jiān)測站，分別位于43號，45號，50號施工支洞和交通洞洞口。監(jiān)測斷面分別為圓形、馬蹄型和城門洞型。監(jiān)測儀器總計為：多點位移計12支、土壓力計12支、滲壓計6支、測縫計32支、應(yīng)變計12支、錨桿應(yīng)力計9支、鋼筋計24支、無應(yīng)力計8支、自動化監(jiān)測單元4臺。

6 結(jié)語

本次設(shè)計除凈空收斂變形監(jiān)測為施工期臨時監(jiān)測，其他均為永久監(jiān)測，采用現(xiàn)代化監(jiān)測設(shè)備，通過分析自動化采集系統(tǒng)收集到的實時數(shù)據(jù)，確保總干4號輸水隧洞及整個輸水工程的順利施工，同時為今后設(shè)計提供經(jīng)驗。

TV698.1

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1004-7042（2016）01-0042-02

崔磊（1989-），男，2012年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師。

2015-11-14；

2015-12-18