安全监测系统在有压隧洞工程中的实施方案

刘锐

摘 要：为了确保输水隧洞工程安全、及时预报险情，除了对隧洞进行加固、维护之外，对输水隧洞工程的安全和稳定状态的监测和评估显得十分重要。建立起隧洞结构安全监测系统对隧洞工程进行监测、评估和预测以趋利避害，已经成为现代隧洞工程发展的迫切要求。此外，随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测的重要认识的不断深入，以及国家相关工程安全法规的实施，输水隧洞结构安全监测得到了迅速发展，成为隧洞工程的一个重要研究课题。

关键词：系统建模 有压隧洞 信息光学 通信技术

中图分类号：TV698 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0035-02

1 隧洞结构安全监测系统建模

水利工程中的长距离有压输水隧洞不同于其他工程中的隧洞或隧道，有着自身的特点：即距离较长，通常要达到在数十公里以上，输水隧洞在投运使用时，隧洞内充盈通过的是有压液态水。这些特点决定了隧洞结构安全监测系统在隧洞施工及运营期间实施难度较大。该文在介绍隧洞结构安全监测系统的基础上，探讨了隧洞结构安全监测系统在长距离有压输水隧洞施工及运行其间的设计及实施。

1.1 建立隧洞结构安全监测系统的意义

隧洞结构安全关系着施工人员的生命安全和社会经济活动。多数隧洞所要经过的路径存在着地质环境复杂，不确定因素多的特点，容易发生由于地质条件恶化、结构损伤等原因造成的事故。严重威胁着隧洞的安全施工和正常运营。1999年2月27日绍兴市小舜江输水工程出水隧洞在开挖过程中出现洞顶塌方，28日塌方加剧，直至“冒顶”。影响工程整体施工进度，造成了巨大经济损失。2004年8月12日印度特里水电站的输水隧洞在施工期间突然坍塌，造成至少28名施工人员死亡。2012年2月7日，日本冈山县一家炼油厂为铺设输油管而挖掘的隧洞当天发生塌方事故，造成正在施工的5名工人失踪。诸多隧洞事故，以血的教训告诉世人，隧洞的稳定直接关系到国家财产和人民生命安全。

如何避免输水隧洞施工及正常使用中时安全事故的发生，隧洞的安全监测技术无疑已经成为输水隧洞施工过程中以及后期安全运行故障的重要手段。

1.2 传统技术在工程中的应用

隧洞工程中选择的监测项目主要有：围岩变形、收敛变形、顶拱下沉、围岩应力、隧洞内外水压力、水位、钢筋应力、砼应力应变、裂缝及渗漏情况等。所对应的传统监测设备有高精度全站仪、收敛计、多点位移计、压力盒、频率计、钢筋应力计、频率计等。

1.3 新技术在输水洞隧洞结构安全监测系统中的应用

光纤传感器具有防水、抗腐蚀、抗电磁干扰性强、耐久性长、轻便等特点，光纤传感器体积小、重量轻，易于野外工程安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小。光纤传感技术具有分布式，长距离、抗干扰性强和实时性等优点，因而逐渐成为隧洞结构安全监测的重要手段和隧洞结构安全监测技术的研究新方向。

1.4 隧洞结构安全监测系统建模组成

隧道结构安全监测系统包括4个系统，即：传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统、数据分析和处理系统。各系统间通过导线网络联系而进行运作。其典型构成如图1所示。

传感器系统是与隧道直接接触，掌握隧道动态信息最关键的部分之一。通过监控测量，可以了解和掌握隧道的大部分信息，如隧道的围岩收力和变形状态等，由于各种隧道的情况不同，所以传感器系统内部组成也不同。

数据通信与传输系统可采用无线通信系统和光纤通信系统。无线通信系统的代表为GPRS数据采集系统。GPRS数据采集系统具有实时在线，系统无延时的特点，很好地满足了系统对数据采集和传输的实时性要求；GPRS数据采集系统可应用在输水隧洞施工期间。此时隧洞还未通水，GPRS数据采集系统可将隧洞安全监测数据实时上传。可以很好的完成输水隧洞施工期间的隧洞安全监测系统所需数据传输功能。

2 隧洞结构安全监测系统模型的方案实施

2.1 隧洞结构安全检测系统的监测节点的设定

开凿长距离输水隧洞时，经常会遇到对隧洞围岩稳定影响较大的断层或是破碎带。为保证隧洞工程的正常施工以及运营的安全，需根据断层、破碎带的影响带的宽幅，集中设置安全检测传感器，采集该段隧洞岩层数据，并将数据上传到数据分析和处理系统。该段隧洞的数据采集及数据传输设备可作为整个隧洞结构安全检测系统的一个监测节点。目前，一个监测节点涵盖范围最大可达几公里。图2为1个监测节点布置图。

采用掘进机施工法时，首先需要在选定地点开凿支洞，当支洞深度达到主隧洞高程后，纵向拓宽空间，形成掘进机安装洞室，为掘进机安装与调试拓展空间（见图3）。由于支洞和掘进机安装洞室的开挖只能采用传统的爆钻法，易造成周围岩系的松动和变形，所以支洞及掘进机安装洞室应作为隧洞结构安全检测系统的1个监测节点。

支洞附近具有电源可靠且选取方便，可利用的空间较大的特点，可将各监测节点需配电的数据采集设备及通信传输设备布置在支洞里。

2.2 隧洞结构安全检测系统的管线敷设

2.2.1 管线沿输水隧洞的纵向敷设

根据输水隧洞的横剖结构图。隧洞结构安全监测系统的数据传输线缆及现地监测单元工作电源线缆宜预先埋设在输水隧洞内侧，即隧洞管片和隧洞岩石壁之间的注浆及钢筋防护层。

2.2.2 特殊节点管线敷设

当隧洞结构安全检测的监测节点的设定在两支洞之间时，则会出现就地监测设备和数据传输设备的供电电源难以解决的问题。以某工程输水隧洞为例，当隧洞结构安全检测的监测节点设在以钻爆法施工的隧洞中间段时。监测节点距离两边支洞口均有10 km左右。如采用有源监测设备和数据传输设备时电源可取自某支洞口，由于距离较远（10 km左右）则需要选配变电设备。受输水隧洞结构及功能所限，对所选设备的体积及安全使用寿命要求极其严格，还需在隧洞一侧开凿耳室放置上述设备。输水隧洞投入使用后，该耳室还需要进行密封防水处理。另一种方案是采用布里渊散射系统光纤传感器，传感测试距离可以达到几十公里，但受其工作原理所限，该传感器功能相对单一，并不能满足隧洞结构安全检测系统所需的全部数据的采集。

3 结语

随着科学技术的进步，会有越来越多的新产品和新技术应用到输水隧洞结构安全系统中来，为水利工程中的输水隧洞顺利安全施工及运营提供更加准确及时的预测和分析。

参考文献

[1] 张青青，胡明，王雅莉.城门洞断面有压隧洞流速分布的数值模拟[J].水利水电科技进展，2014（2）：16-21.

[2] 李红英，罗永钦.工模型多条有压隧洞联合泄流糙率校正方法[J].水利水电科技进展，2011（6）：14-15，34.

[3] 张有天.论有压水工隧洞最小覆盖厚度[J].水利学报，2002（9）：1-5，13.endprint