延安黄河引水工程杨家山隧洞安全监测方案

张引平

（延安市黄河引水工程建设管理处 陕西 延安 716000）

1 概况

杨家山隧洞是延安黄河引水工程黄高主干线最重要的输水工程，也是全线最长的输水隧洞。隧洞起点在柏树坬山塬上，终点在清涧河左岸坡。杨家山输水隧洞全长11.342km，设计引水流量0.83m3/s。纵比降1/2000，进口高程766.67 m，出口高程761.00 m。沿途布置两处施工支洞和两处明挖暗涵段，共设置10个工作面。两处施工斜井分别为陈家河斜井和李家沟斜井，为永临结合检修洞。明挖涵洞段分别布置在园则沟和淤地坝库区。杨家山输水隧洞施工是整个黄河引水工程的关键工程，采用传统钻爆法，开挖断面为圆拱直墙式。工程施工难度较大，危险系数较高。

2 实施安全监测的必要性和监测难点

2.1 必要性

本工程监测的建筑物为杨家山输水隧洞和进、出口边坡，主要为变形监测。重点是11.342km长的输水隧洞。由于隧洞穿越的地层地质条件较复杂，隧洞开挖时会对支护结构及周围地层产生一定的位移和变形，这些位移超出一定范围，必然对支护结构及周围的地层产生破坏。一方面，在施工以前，对隧洞地质等的评价有不完善的地方，设计和施工方案及细节在施工中有需要改进之处，而施工期监测正是使施工顺利进行和积极改进支护措施的一个关键环节，也是确保施工安全和经济性的重要手段；另一方面在运行期实施监测，也是降低工程风险、减少事故的重要手段。除此之外，使用观测仪器和设备对杨家山隧洞进行长期和系统的监测，还是诊断、预测、研究等三个方面的需要。一是诊断的需要，包括验证杨家山隧洞设计参数改进未来的设计；对新的施工技术优越性进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断病采取措施进行加固；验证建筑物运行处于持续良好的工作状态。二是预测的需要，运用长期积累的观测资料掌握变化规律，对隧洞的未来性态做出及时有效的预报。三是研究的需要，为未来设计提供定量信息，可改进施工技术，利于设计概念的更新和对破坏机理的了解。因此，对延安黄河引水工程的输水隧洞进行监测，非常重要。

2.2 监测难点

延安黄河引水工程安全监测实施自动化方案的难点主要在近13km杨家山输水隧洞。输水隧洞由于其洞线长，无永久供电，测点断面分布较散，且断面间及断面与监控中心距离较远，数据少等特点，采用普通的水工电缆，信号衰减过快，达不到自动化监测的要求，电话通讯系统又受国家控制。同时，由于输水隧洞全长近11.34km，致使在项目竣工以后，人员再次进入隧洞比较困难，这就给长期维护、维修工作带来不便，从而，也就给安全监测仪器提出了更高的要求。

3 工程安全监测设计

3.1 基本原则

在安全监测设计中，应以保证建筑物安全为基础，通过对需要研究的部位和问题设立必要的监测项目以验证工程设计的合理可靠性，并为改进和提高设计、施工水平提供依据。监测项目的设立应注重实用、有效、简单、可行的原则；各监测仪器、设施的布置应密切结合工程具体条件，以安全监测为主，既能较全面地反映工程施工期和运行期的状态，又要突出重点、少而精，统筹安排，合理布置；尽可能采用多种监测手段，以便相互补充，相互校核验证，保证监测资料的完整性、可靠性、全面系统的掌握建筑物的运行状态。

3.2 输水枢纽监测

根据有关规范和要求，并结合延安黄河引水工程的实际情况，引水枢纽安全监测的内容主要有环境量（包括水位、气温及降水量监测）、变形监测（隧洞进出口边坡）和围堰及混凝土的应力、应变监测等项目。

3.2.1 环境量监测

在输水枢纽进出水口水流平顺、水面平稳、受风浪和泄流影响较小处，分别设置一套自动水位计，对进出口水位进行监测，共两套。在管理站设置一套百叶箱，百叶箱内设置一套自记温湿度计，进行温、湿度监测。另外，在管理站适当位置设置一套自记雨量计，监测降水量。

3.2.2 变形监测

进、出口边坡表面变形测点水平位移采用极坐标法监测。表面变形测点的竖向位移采用精密水准法监测；内部位移监测采用便携式测斜仪监测。在输水洞进、出口边坡分别布设12个表面变形点、2个工作基点，共布设24个表面变形监测点、4个工作基点；表面位移监测与竖向位移的测点共用一个监测墩，形成一个完整的监测点。为监测进、出口边坡的竖向位移变形，在进、出口边坡约1km左右的合适部位设置1组（3个点）水准基准点，其坐标、高程由临近的国家基准点接测。该基准点同时也可以校测水平位移工作基点的稳定性，为整个变形监测系统提供基准值。在输水隧洞进出口边坡各设1个测斜孔，孔深40 m，采用便携式测斜仪进行监测。

3.3 围岩监测

包括围岩稳定监测（围岩变形、围岩压力监测、收敛监测）、围岩地下水监测、围岩与衬砌混凝土的接缝开合度监测、衬砌混凝土的应力应变监测，支护锚杆的应力监测。

临时监测项目包括输水隧洞放空后进行周边位移和拱顶下沉量测。断面数量、位置可结合永久监测断面确定，每个断面内可按三点三线式实施量测。由于本工程洞径不大，可采用收敛计施测，采用钢尺式收敛计人工观测。

永久监测项目：隧洞围岩变形通过布设多点位移计进行监测，每个观测断面分别在隧洞顶拱垂直向、两侧竖墙中部水平向各布设一套多点位移计，每个断面布设3套多点位移计。本工程中选择使用二点式多点位移计，采用不锈钢测杆、灌浆型锚头。围岩压力监测通过在围岩和衬砌混凝土之间安装土压力计实现监测。每个断面在隧洞顶拱和两侧墙中部布设，各布设3支土压力计。为监测隧洞运行期间外水压力，即围岩地下水压情况，在隧洞侧墙布设渗压计，渗压计采用在岩体钻孔安装，仪器安装在距开挖面约50cm深处。观测断面在侧墙中部和底部布设4支渗压计。对开挖支护的锚杆布设有锚杆测力计，监测支护锚杆的应力。在拱顶范围内45°角间隔布置5个测点，每个测点位置布设一支锚杆测力计，监测锚杆应力沿轴向的分布情况。在隧洞的监测断面，为监测围岩与衬砌混凝土接缝的开合情况，布设有测缝计进行接缝的开合度监测。一般在隧洞两侧墙中部和底部布设有测缝计。

隧洞衬砌混凝土的应力应变监测，包括衬砌混凝土的应力应变监测和钢筋应力监测。布设的仪器有：混凝土应变计、混凝土无应力计和钢筋计。

3.4 电缆敷设

监测仪器电缆采用四芯屏蔽电缆，所需电缆总长度为3000 m，每个观测断面的监测电缆引至拱腰附近后，进入M C U箱，施工期进行人工观测。M C U箱输出端进行信号转换，转换为光纤传输信号，接入洞内布设的光纤。光纤牵引至出口管理站的观测房内，实现自动化监测。光纤水平敷设时必须用线槽保护，选用D 10线槽。

4 自动化监测系统

4.1 自动化监测系统设计

为了及时、准确地了解杨家山隧洞工程的进展状况，本工程监测系统实施进行自动化，主要由工程安全监测管理中心和现场监测站完成。工程安全监测管理中心设在输水洞出口管理站，主要负责数据的综合处理（即存储与管理）及与现场监测站的通讯。现场监测站由测控单元组成，主要负责数据采集和转换并建立与工程安全监测管理中心控制室的数据通讯和传输。现场监测站通过信号转换后进入洞内布设的光纤，光纤传输至出口管理站安全监测管理中心的上位计算机实现异地远程通讯和远程现场操作。

针对输水隧洞安全监测系统，现场监测站与各测点的距离较远，各个测点的布置也较为分散，输水隧洞监测系统设计为分布式的自动化系统结构。通过数据传输，将监测数据传送的现场监测站的主机。其系统联接为传感器与测控单元及测控单元与监测总站之间采用有线联接，监测站与管理站采用光纤联接。

4.2 系统软件功能设计

在本工程安全监测系统软件设计时，应采用开放设计原理，以增加系统的可变性和可扩充性，并增加容错设计及事故处理能力，以提高系统软件可靠性。同时系统采用层次化、模块化的总体结构设计，整个系统一般分为五大模块，包括数据管理库、数据预处理库、数据分析库、监控库和图表库。每个功能模块下可分为若干子模块、模块的调用采用中文窗口式菜单，人机交互界面，又有功能键激活操作，以方便使用。

5 结语

延安黄河引水工程安全监测方案的难点主要在近13km输水隧洞，其洞线长，地质结构复杂，无永久供电，所以搞好安全监测是保障工程顺利进行的必要前提。通过分析安全监测在工程建设中的重要性、必要性，对工程安全监测的重点、难点进行了深入探讨，提出了科学布设监测点、采用光纤通讯方式等自动化监测手段，确保工程安全顺利实施。