劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院新疆烏魯木齊830000）

1 工程概況

新疆某工程為Ⅰ等大（1）型工程，其中SS 段隧洞為無(wú)壓輸水隧洞，總長(zhǎng)92 km，隧洞前后接進(jìn)出口埋涵。SS 隧洞位于中低山區(qū)，海拔685～1 003 m，地形呈兩頭深、中間淺的特征，各段平均埋深分別為197 m、71 m，157 m，全線平均埋深為156 m，最大埋深為295 m。隧洞洞身段揭露的地層巖性以泥盆系和石炭系凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)角礫巖為主，中后部24 km 分布有侏羅系、白堊系、第三系軟巖地層。SS 隧洞根據(jù)地質(zhì)及地形條件，隧洞前半段采用2 臺(tái)TBM 全斷面掘進(jìn)機(jī)結(jié)合鉆爆法進(jìn)行施工，SS 隧洞后半段采用3 盾構(gòu)機(jī)結(jié)合鉆爆法進(jìn)行施工，TBM 施工段總長(zhǎng)46 km，盾構(gòu)施工段總長(zhǎng)19 km，鉆爆法施工段總長(zhǎng)27 km。

2 監(jiān)測(cè)目的

該工程極為重要，而SS 段是該工程的重要組成部分，對(duì)該工程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的就是根據(jù)建筑物的類型和級(jí)別，合理選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并結(jié)合地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行合理的監(jiān)測(cè)布置，獲取建筑物在施工期和運(yùn)行期的安全性、工作狀況等信息，從而為指導(dǎo)施工、反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)運(yùn)行期的安全提供依據(jù)。

作為現(xiàn)代化信息施工理念的重要組成部分，施工期安全監(jiān)測(cè)可以對(duì)施工中可能出現(xiàn)的重大質(zhì)量、安全問(wèn)題進(jìn)行及早識(shí)別和判斷，為工程提前采取預(yù)防、處理措施提供依據(jù)，保證工程進(jìn)度與安全[1]。同時(shí)，安全監(jiān)測(cè)結(jié)果和信息也可以反饋設(shè)計(jì)，豐富設(shè)計(jì)參數(shù)和基礎(chǔ)資料，對(duì)改善施工工藝、提高設(shè)計(jì)水平有著重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)各類監(jiān)測(cè)成果資料的分析整理，可以歸納總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)和變化規(guī)律，也兼顧了工程科研的需要。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則

監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)建筑物的特點(diǎn)，合理設(shè)置監(jiān)測(cè)內(nèi)容，獲取建筑物在施工期和運(yùn)行期的安全性、工作狀況等信息，對(duì)攔河樞紐、分水閘、泵站、埋涵等建筑物的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)主要是永久期監(jiān)測(cè)，而SS 隧洞部分既需要掌握運(yùn)行期的工作狀態(tài)也需要了解施工期的安全性及施工期至運(yùn)行期的變化情況，則其監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧施工期和運(yùn)行期兩個(gè)階段[1][2]。

1）施工期安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則

（1）滿足施工期安全監(jiān)測(cè)需要，并兼顧后期永久監(jiān)測(cè)；

（2）根據(jù)不同圍巖特征布置，突出重點(diǎn)（如斷層、軟巖、巖爆、涌水等）；

（3）結(jié)合施工分段、施工方法的特點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)斷面；（4）監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)類型的選擇應(yīng)充分、可靠。

2）永久期安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則

（1）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)按照突出重點(diǎn)、兼顧全局的原則，合理布置；

（2）新技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合，有針對(duì)性，能有效、合理、可靠地監(jiān)控工程安全運(yùn)行狀態(tài)；

（3）施工期監(jiān)測(cè)與永久期監(jiān)測(cè)相結(jié)合，充分發(fā)揮工程安全監(jiān)測(cè)的作用；

（4）不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)x器集中布置，便于監(jiān)測(cè)結(jié)果相互印證解釋；同時(shí)，還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)全局整體穩(wěn)定分析的需要；

（5）動(dòng)態(tài)監(jiān)控工程運(yùn)行期各部位的工作性態(tài)，能夠預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工程運(yùn)行工作性態(tài)，以便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，避免小型事故，杜絕大、中型事故；

（6）選用的監(jiān)測(cè)儀器種類力求統(tǒng)一；在信號(hào)傳輸方面，應(yīng)避免儀器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸而造成的衰減。

4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇

該工程主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇按照《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL725-2016）進(jìn)行，而SS 隧洞屬于2 級(jí)建筑物。規(guī)范規(guī)定的項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 水工隧洞安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類和選項(xiàng)表

5 監(jiān)測(cè)儀器選擇

用于水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣，大部分監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備埋設(shè)完成后難以修復(fù)或更換，因此除了必須具備良好的技術(shù)性能，滿足必要的使用功能外，監(jiān)測(cè)儀器的選型還需滿足以下基本要求[3]：

1）高可靠性：儀器要求精確可靠、耐久、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，易于保護(hù)且不易被人為破壞。

2）耐惡劣環(huán)境：儀器要求能在相對(duì)濕度大于95%的條件下長(zhǎng)期正常工作，并且要求密封性好、耐水防潮能力強(qiáng)，并能具有較好的耐腐蝕性能。

3）便于長(zhǎng)距離傳輸：對(duì)于SS 隧洞中選用的儀器設(shè)備，應(yīng)能適應(yīng)深埋長(zhǎng)隧洞供電條件不足的特定條件，要求選擇信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、信號(hào)衰減慢的儀器。

4）儀器種類力求統(tǒng)一：所選用監(jiān)測(cè)儀器種類應(yīng)力求統(tǒng)一，從而減少信號(hào)采集單元的種類和數(shù)量，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)采集。

5）性價(jià)比高：在滿足相關(guān)的技術(shù)要求的條件下，儀器設(shè)備的采購(gòu)價(jià)格、維修費(fèi)用、安裝費(fèi)用、配套的測(cè)讀儀表、傳輸信號(hào)的電纜等直接和間接費(fèi)用應(yīng)盡可能低廉。

國(guó)內(nèi)用于水工安全監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備按傳感器分類有鋼弦式、差動(dòng)電阻式、電感式、電容式、壓阻式、電位器式、熱電偶式、光纖光柵式、電阻應(yīng)變片式等多種類型，國(guó)內(nèi)較為常用的是鋼弦式和差動(dòng)電阻式儀器。對(duì)于SS 隧洞，由于隧洞埋深大，支洞長(zhǎng)，洞內(nèi)供電條件較差，采用常規(guī)式儀器難以滿足信號(hào)傳輸距離限制要求，為此在SS 隧洞內(nèi)采用以光纖光柵式儀器為主的監(jiān)測(cè)儀器。

6 安全監(jiān)測(cè)布置

6.1 安全監(jiān)測(cè)的布置原則

1）隧洞及埋涵距離較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)斷面布置分散，儀器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體布置以隧洞進(jìn)、出口以及各主要施工平洞等為系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)，支線光纜從隧洞進(jìn)口貫通至出口，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備（光柵解調(diào)儀）通過(guò)以太網(wǎng)雙絞線與通信節(jié)點(diǎn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接后，就近傳送至骨干傳輸節(jié)點(diǎn)的光傳輸設(shè)備上。

2）隧洞安全監(jiān)測(cè)斷面主要布置在隧洞進(jìn)出口、主支洞交叉段、斷層帶、大斷面，軟巖軟土洞段、富水洞段等位置。

3）隧洞變形監(jiān)測(cè)主要布置在胡楊林洼地的泥巖、砂巖、f 92 活斷層、砂土洞段，以及隧洞出口含土角礫洞段。多點(diǎn)位移計(jì)盡量在隧洞埋深較淺的位置布置，僅對(duì)活斷層斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)縫位移監(jiān)測(cè)。總體而言，監(jiān)測(cè)斷面盡量靠近施工支洞布置，以方便數(shù)據(jù)采集。

4）隧洞水量監(jiān)測(cè)主要布置在隧洞進(jìn)出口、1#、2#、3#、4#、7#、9#施工支洞交叉口，間隔13 km 左右。隧洞進(jìn)出口測(cè)量流量、水位，主支洞交叉口等水流紊亂區(qū)域測(cè)量水位、溫度，組裝洞、檢修洞等擴(kuò)大斷面測(cè)量水位。

5）根據(jù)地質(zhì)勘察成果，SS 隧洞無(wú)巖爆區(qū)，隧洞不做圍巖高應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

6）隧洞監(jiān)測(cè)儀器中的錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼板計(jì)、土壓力計(jì)、滲壓計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)可供施工期臨時(shí)安全監(jiān)測(cè)使用。

7）進(jìn)出口埋涵各布置1 組安全監(jiān)測(cè)斷面，主要測(cè)量埋涵襯砌混凝土、鋼筋應(yīng)力。

8）隧洞進(jìn)口、出口邊坡內(nèi)觀監(jiān)測(cè)，包括進(jìn)口強(qiáng)弱風(fēng)化層邊坡錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)，出口土體邊坡滑移監(jiān)測(cè)。

6.2 隧洞重點(diǎn)、一般監(jiān)測(cè)斷面

SS 隧洞工程重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面考慮以下因素選擇[4][5]：

1）區(qū)域性大斷裂及其影響帶、活斷層是安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。SS 隧洞沿線分F14 斷裂、f 92 活斷層帶等。

2）規(guī)模、分布寬度較大規(guī)模的斷層及斷層影響帶。較大規(guī)模斷層指斷層寬度超過(guò)4 倍開(kāi)挖洞徑，掌子面效應(yīng)趨近于0 的斷層。

3）隧洞橫斷面大于50 m2的大斷面：TBM、盾構(gòu)組裝洞、檢修洞等洞室斷面較大的Ⅲ、Ⅳ類圍巖洞段。

4）隧洞進(jìn)出口等淺埋洞段。

5）大埋深、天然地下水頭較高、可能出現(xiàn)涌水?dāng)鄬訋А?/p>

6）極軟巖、軟土地層：第三系泥巖、新近系泥質(zhì)砂礫巖、第四系含礫黏質(zhì)砂土、含土角礫等。

根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面選擇原則，SS 隧洞永久期監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)置有54 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中：重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面42個(gè)，一般監(jiān)測(cè)斷面12 個(gè)。

SS 隧洞工程一般監(jiān)測(cè)斷面包括：所有一般性斷層帶、侏羅系Ⅳ類砂巖、主支洞交叉段水位測(cè)量或靠近主支洞交叉段便于監(jiān)測(cè)的斷面等，共計(jì)12 個(gè)一般監(jiān)測(cè)斷面。

6.3 隧洞施工臨時(shí)期監(jiān)測(cè)

隧洞在施工過(guò)程中的收斂變形監(jiān)測(cè)一般采用人工觀測(cè)方法，即采取現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的收斂觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)收斂計(jì)人工測(cè)量，在施工期采用在掌子面附近，對(duì)洞周圍圍巖進(jìn)行收斂和拱頂下沉的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀采用收斂?jī)x、全站儀，布置上一般只觀測(cè)隧洞的上半部，為施工期現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于TBM 及盾構(gòu)段選擇采用陣列式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

6.4 隧洞監(jiān)測(cè)主要儀器設(shè)備

1）錨桿應(yīng)力計(jì)

錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)量錨桿應(yīng)力，全線共計(jì)46 個(gè)斷面安裝171 支。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的拱頂中部、拱頂45°、側(cè)拱中部一側(cè)錨桿上布置3～7 支錨桿應(yīng)力計(jì)，儀器安裝在距圍巖表面1 m 處，樁號(hào)隧洞進(jìn)口左右兩側(cè)永久邊坡上各安裝一對(duì)。錨桿應(yīng)力計(jì)量程取-100～400 MPa，精度為不大于1.0（%F.S）。

2）鋼板計(jì)

鋼板計(jì)測(cè)量鋼拱架變形，全線共計(jì)35 個(gè)斷面安裝90 支。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的拱頂中部、側(cè)拱中部一側(cè)鋼拱架上布置2 支鋼板計(jì)，儀器焊接在型鋼表面。錨桿應(yīng)力計(jì)拉伸和壓縮應(yīng)變量測(cè)范圍取±1 500 με，精度為不大于1.0（%F.S）。

3）土壓力計(jì)

土壓力計(jì)測(cè)量土體、極軟巖作用于支護(hù)上的壓力，全線共計(jì)48 個(gè)斷面安裝96 支，主要分布在隧洞進(jìn)出口、F14 大斷裂、f 92 活動(dòng)斷層、較寬斷層、胡楊林極軟巖、軟土洞段。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的拱頂中部、側(cè)拱底部一側(cè)軟巖內(nèi)布置2 支土壓力盒，儀器安裝在土體和噴層的接觸面上。土壓力計(jì)量程取0.7 MPa，分辨率為不大于1.0（%F.S）。

4）洞外滲壓計(jì)

洞外滲壓計(jì)測(cè)量洞周附近地下水壓力，全線共計(jì)41 個(gè)斷面安裝41 支，主要分布在F14 大斷裂、胡楊林極軟巖、軟土洞段。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的拱肩一側(cè)圍巖內(nèi)布置1 支滲壓計(jì)，儀器埋設(shè)在距圍巖表面0.5 m 鉆孔中。滲壓計(jì)量程取0.7 MPa，分辨率為不大于1.0（%F.S）。

5）混凝土應(yīng)變計(jì)

混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)量混凝土外荷載作用下的體積變形，全線共計(jì)41 個(gè)斷面安裝233 支。在隧洞及埋涵監(jiān)測(cè)斷面的仰拱頂部、拱頂45°、拱肩、側(cè)拱底部、底板中部一側(cè)襯砌內(nèi)布置3～5 支混凝土應(yīng)變計(jì)，盾構(gòu)段監(jiān)測(cè)斷面每片管片布置儀器1 支混凝土應(yīng)變計(jì)（共7支）?；炷翍?yīng)變計(jì)應(yīng)變量測(cè)范圍取±1 500 με，精度為不大于1.0（%F.S）。

6）鋼筋計(jì)

鋼筋計(jì)測(cè)量鋼筋應(yīng)力，全線共計(jì)41 個(gè)斷面安裝466 支。在隧洞及埋涵監(jiān)測(cè)斷面的仰拱頂部、拱頂45°，拱肩、側(cè)拱底部、底板中部一側(cè)鋼筋布置3~5 支鋼筋計(jì)，盾構(gòu)段監(jiān)測(cè)斷面每片管片布置儀器2 支鋼筋計(jì)（共14 支），安裝在受拉鋼筋上。鋼筋計(jì)量程取-100～400 MPa，精度為不大于1.0（%F.S）。

7）多點(diǎn)位移計(jì)

本項(xiàng)目采用4 點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量隧洞塑性變形圈位移量，全線共計(jì)7 個(gè)斷面安裝9 組，位于F14 斷裂、胡楊林洼地和隧洞出口。其中胡楊林洼地和隧洞出口由地表向下鉆孔至洞頂1 m，在依次向上按照1 m、2 m、3 m 距離分別安裝位移計(jì)；F14 斷裂由洞內(nèi)的頂拱、拱肩位置埋設(shè)。位移計(jì)量程取300 mm，精度為不大于0.1%F.S。

8）雙向測(cè)縫計(jì)

雙向測(cè)縫計(jì)測(cè)量襯砌結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)寬度，全線共計(jì)46 個(gè)斷面安裝146 支，位于F14 斷裂、f 92 活斷層、較寬斷層、隧洞進(jìn)出口、胡楊林極軟巖洞段處。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的仰拱頂部30°結(jié)構(gòu)縫內(nèi)左右各安裝2 支雙向測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)斷面每環(huán)管片上下左右安裝4支雙向測(cè)縫計(jì)。測(cè)縫計(jì)量程取50 mm，精度為不大于0.1%F.S。

9）埋入式測(cè)縫計(jì)

埋入式測(cè)縫計(jì)測(cè)量圍巖與一次支護(hù)間的縫隙，全線共計(jì)29 個(gè)斷面安裝87 支，位于F14 斷裂、f 92 活斷層、較寬斷層、TBM 及盾構(gòu)輔助洞室、胡楊林極軟巖、軟土洞段處。在隧洞監(jiān)測(cè)斷面的頂拱、拱肩兩側(cè)各布置一支埋入式測(cè)縫計(jì)，在結(jié)構(gòu)噴護(hù)前預(yù)埋。測(cè)縫計(jì)量程取50 mm，精度為不大于0.1%F.S。

10）超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)用于測(cè)量進(jìn)出洞流量，布置在隧洞進(jìn)口及出口處，采用八聲道時(shí)差法測(cè)量。超聲波流量計(jì)流速范圍0～5 m/s，精度為不大于0.1%F.S。

11）洞內(nèi)滲壓計(jì)

洞內(nèi)滲壓計(jì)測(cè)量隧洞沿線水深，全線共計(jì)10 個(gè)斷面安裝10 支，位于1#、2#、3#、4#、7#、9#支洞交叉段、1#和3#檢修洞、4#組裝洞、12#組裝洞。在每個(gè)主洞墻腳。洞內(nèi)滲壓計(jì)量程取0.07 MPa，精度為不大于0.1%F.S。

12）溫度計(jì)

溫度計(jì)測(cè)量洞內(nèi)水溫，全線共計(jì)6 個(gè)斷面安裝6 支，位于1#、2#、3#、4#、7#、9#支洞交叉段。在每個(gè)主洞墻腳。溫度計(jì)量程-30℃～+60℃，精度為±0.3℃。

13）測(cè)斜儀

測(cè)斜儀測(cè)量隧洞進(jìn)出口邊坡滑移、傾斜情況，全線共計(jì)2 個(gè)斷面安裝4 支，位于隧洞進(jìn)出口高邊坡上，垂直安裝在永久邊坡上。測(cè)斜儀計(jì)量程取±10°，精度為0.2%F.S。

14）螺栓應(yīng)力計(jì)

螺栓應(yīng)力計(jì)測(cè)量螺栓應(yīng)力，全線共計(jì)23 個(gè)斷面安裝253 支。在隧洞盾構(gòu)段監(jiān)測(cè)斷面每環(huán)管片：環(huán)向布置儀器7 支螺栓應(yīng)力傳感器，縱向布置儀器7 支螺栓應(yīng)力傳感器。應(yīng)力傳感器量程取-100～400 MPa，精度為不大于1.0（%F.S）。

7 總結(jié)

國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離且多種施工方式的輸水隧洞實(shí)例較為罕見(jiàn)，合理的監(jiān)測(cè)布置為工程建設(shè)期的安全可靠提供了有力的保障，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)且進(jìn)一步結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)可有效節(jié)約工程投資或是消除安全隱患，同時(shí)也為管理單位分析、評(píng)價(jià)工程安全和運(yùn)行管理決策提供可靠依據(jù)。其后收集的資料為后續(xù)科研提供有效支撐，也為其它類似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。