引汉济渭输水隧洞安全监测系统技术分析与研究

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710000)

1 前 言

随着南水北调工程的顺利结束及其良好的示范效应，各省区也相继开始了新一轮调水工程的热潮。但随着地下工程施工技术的迅猛发展，引水隧洞也朝着长距离、大断面方向发展。2009年建成的辽宁大伙房输水隧洞全长达85km[1]，锦屏二级水电站1号、2号引水隧洞开挖直径达12.4～13m[2]。

陕西省引汉济渭工程是从陕南汉江流域调水至渭河流域的关中地区，缓解关中地区水资源供需矛盾，促进陕西省内水资源优化配置，改善渭河流域生态环境，促进关中地区经济社会可持续发展的大型跨流域调水工程。工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞等三大部分组成。

秦岭输水隧洞作为引汉济渭工程的重要组成部分，全长约98km，分为了黄三段和越岭段两部分，特别是越岭段从岭南穿越到岭北，全长81.58km，由于隧洞的距离长，施工过程中会面临各种复杂的地质条件，包括高地应力、高地温、高外水、岩爆、有毒气体等难题[3]，需在施工过程中及通水前后密切关注各类水工建筑物及围岩的稳定性，保证工程施工及运行期的安全。通过安全监测可对地下工程的施工作出安全预报，既可对工程的安全运行作出评价，防患于未然，还可验证地下工程设计的合理性，促进地下工程勘测设计水平的提高和科学技术的进步[4]。因此，做好超长输水隧洞的安全监测尤为重要。

2 输水隧洞安全监测现状

2.1 输水隧洞安全监测断面布设原则

输水隧洞安全监测断面主要布置在围岩稳定性较差、洞室埋深较大的洞段处，这些洞段通常为Ⅳ、Ⅴ类围岩，也就是断层带或断层影响带处。

引汉济渭工程输水隧洞共布设安全监测断面33个，其中，黄三段由于传输距离较短，布设了10个振弦式监测仪器断面。越岭段由于距离长，传统岩土工程安全监测仪器的传输距离受到了限制，因此，部分监测断面采用了光纤传感器。振弦式仪器和光纤仪器的类型选择根据监测断面与洞口的距离确定，距离超3km的监测断面选用光纤仪器，小于3km的监测断面选用振弦式仪器。目前，越岭段共有23个监测断面，其中12个振弦式监测仪器断面和11个光纤仪器监测断面。

2.2 安全监测项目

根据隧洞的地质情况和现有的监测手段，引汉济渭工程输水隧洞的安全监测进行了以下几类监测项目：

a.围岩深部变形监测。在隧洞监测断面的左右拱角、左右拱腰以及拱顶部位安装多点位移计，用于监测输水隧洞围岩的变形范围，多点位移计最深点深入围岩深度大于一倍的拱径。由于TBM施工对周围岩石扰动较小，因此，TBM的最深锚固点要小于钻爆段的最深锚固点。

b.底板变形(隆起)监测。在隧洞监测断面的仰拱围岩内安装1套单点位移计，以监测在各种工况下底板的变形情况。

c.隧洞衬砌与围岩接触缝的监测。在隧洞监测断面的左右拱角、左右拱腰以及拱顶部位安装测缝计，用于监测洞室衬砌后各工况条件下，隧洞衬砌与围岩间接缝开合度变化情况。

d.外水压力监测。在隧洞监测断面的拱角两侧和仰拱上各布置1支渗压计，用于监测各工况条件下，隧洞外水压力的变化情况。

e.围岩支护锚杆应力监测。为监测隧洞的支护效果，在所选隧洞监测断面的拱顶、两拱角及两侧拱墙部位选择锚杆对其应力进行监测。

f.衬砌混凝土的应力应变监测。在隧洞监测断面的拱顶、拱角、拱墙及仰拱等6个部位布设钢筋计、混凝土应变计和无应力计，用于监测衬砌结构混凝土稳定性和结构变化情况，进而推断混凝土衬砌的效果，在围岩发生应力变化时，也可通过钢筋计和应变计进行监测。

g.围岩压力监测。在隧洞监测断面的拱顶、拱角及拱墙各布置1支土压力计，当围岩发生应力变化时，用于监测围岩对衬砌混凝土的压力。

h.环境量监测。环境量监测主要包括输水隧洞的水位监测以及温度监测，通过在监测断面的水位线上下各布设1支水位计进行水位监测，可以矫正大气压强变化对水位计测值的影响，不同桩号的水位计测值，可以反映输水过程中水位沿程变化情况，同时可以换算出输水流量的变化。温度监测通过各类监测仪器自带的测温功能实现。

2.3 监测资料分析

对监测资料的及时整理与分析，可以反映建筑物的总体状态及其基本规律，并对建筑物的安全稳定性给予总体评价，也是充分发挥安全监测作用、体现安全监测根本目的和意义的关键环节[5]。

引汉济渭输水隧洞的安全监测系统运行至今，已积累了较多的监测数据，在施工中也发挥了一定的作用。

输水隧洞的9+890监测断面位于Ⅴ类围岩洞段IF11-2断层带处,岩体极不稳定。2018年2月初，在初次支护之后钻孔安装了3套多点位移计BX01、BX02和BX03，其中，BX01位于左边墙；BX03位于右边墙。这2套多点位移计的监测数据表明该监测断面的围岩一直处于缓慢变形的状态，至2018年4月20日前后，变形速率和变形量均开始增大。施工方立即进行了加固处理，并加紧进行了二衬，之后多点位移计的变形量趋于平缓。目前，监测断面处于比较稳定的状态。具体的位移计变化量过程线见图1、图2。

图1 三点位移计BX03变化量过程线

图2 三点位移计BX01变化量过程线

由于大部分监测仪器都是二衬之后安装，因此，输水隧洞各个监测断面的应力应变监测数据比较稳定，变形量较小，且总体上与温度成负相关。钢筋计和应变计变化量过程线见图3、图4。

图3 钢筋计变化量过程线

图4 应变计变化量过程线

引汉济渭输水隧洞的黄三段埋深较浅，基本没有外水压力，越岭段由于距离长、埋深大，沿线水系比较发育，各监测断面的渗压计能监测到不同程度的水头，与隧洞内的积水情况相符合。从监测数据来看，输水隧洞越岭段的最大水头曾达到31m左右，随着加固灌浆的处理，外水水头随之下降，见图5。

图5 渗压计变化量过程线

输水隧洞的监测数据可基本反映现场建筑物的工况，并能及时、准确地监测到异常变化量的发生，充分发挥了安全监测的功效。

3 输水隧洞安全监测的不足

输水隧洞由于环境特殊，空间狭小，能够采用的监测手段比较有限，因此，现有的隧洞安全监测系统在某种程度上存在不足之处。

a.缺乏隧洞收敛变形监测。例如输水隧洞监测断面的围岩内部发生较大变形时，没有相应的围岩表面收敛变形数据进行综合分析，无法确定隧洞的变形程度。

b.缺乏施工期的自动化应急监测手段。大多数工程是在工程施工的尾期或者运行期实行安全监测自动化，但当工程施工期发生监测异常，需要加密观测、及时分析时，隧洞的特殊环境约束了监测的频次密度和及时性。因此，对于输水隧洞的安全监测，需要增加在施工期的自动化应急监测手段。

c.增强安全监测新技术、新方法的研究与应用。目前，隧洞安全监测所使用的监测手段均是常规的，监测设备也是常规的，但隧洞施工总会碰到各种复杂的地质条件，给工程带来各种安全隐患。因此，增强安全监测新技术、新方法的研究与应用是必不可少的。

4 结论与建议

本文所介绍的引汉济渭输水隧洞安全监测系统从2016年开始施工，目前仍处于施工阶段，施工过程中的监测数据能及时有效地反映隧洞工程的施工现状，并能对隧洞施工的异常情况进行有效的监测和预警，充分体现了输水隧洞安全监测系统的有效性。

目前，引汉济渭二期工程已陆续展开，二期工程中包含了倒虹吸、渡槽、箱涵等各类输水建筑物以及输水隧洞，为了能让输水隧洞安全监测系统在二期工程中更好地发挥作用，根据引汉济渭输水隧洞安全监测系统的施工和运行状况，建议在二期工程的设计中，积极跟踪现有的隧洞安全监测新技术、新方法，提高隧洞安全监测系统的及时性，监测资料的完整性、连续性，充分发挥安全监测系统在隧洞施工工程中的作用。