杭州市第二水源千岛湖配水工程施工期观测分析

魏海云 ，杨立新 ，宋汉耀 ，卢 立 ，许孝臣 ，徐 刚 ，赵震波

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2. 浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310018；4. 杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009）

1 监测背景

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水洞线全长113.22 km，起点进水口位于淳安县金竹牌村附近，沿途经淳安县、建德市、桐庐县、富阳市，在杭州市余杭区桦树村接入闲林水库，其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.39 km，圆形断面，衬后直径6.70 m，输水隧洞开挖采用钻爆法掘进。杭州市第二水源千岛湖配水工程原型安全观测工程分成4个观测标段，其中观测1标线路长达40.00 km，地质条件复杂、观测项目种类多，本次重点介绍观测1标监测成果。观测1标监测区域范围为：千岛湖进水口—山岗坞支洞控制段K0+000.0～K39+265.0 m（施工1～5标），穿过岩层有灰岩、砂岩、局部夹薄层的粉砂质泥岩等软岩，围岩类别为Ⅰ～Ⅴ类，以Ⅱ～Ⅳ类为主，主要地质不良现象有岩溶、风化、坍塌等。

隧洞开挖采用新奥法施工，充分维护和利用围岩自承能力，初期支护采用钢拱架、锚喷等柔性支护体系，使围岩与支护形成共同承载的结构体系。隧洞施工过程中，主要工程地质问题有软岩大变形、边坡塌方以及岩溶与涌突水等。为了掌握围岩和初期支护的动态信息并及时反馈、指导施工作业，在洞挖中对洞脸边坡、隧洞围岩及初期支护进行观测，将监测成果反馈于设计与施工过程，以确保工程施工安全和经济性[1-4]。

2 隧洞施工监测内容

本工程主要监测项目包括：洞脸边坡变形、爆破振动、收敛变形、拱顶下沉、地表变形、地下水位、钢拱架应变、锚杆应力、锚索测力、深层水平位移、围岩松动圈监测、岩溶区围岩完整性检测和溶洞段衬砌应力应变监测等[5-8]，以及隧洞安全监测管理云平台软件开发。主要观测设备布置见表1。

表1 原型安全观测项目汇总表

2.1 洞脸边坡变形监测

通过埋设多点位移计定期对洞脸边坡位移进行水平位移和垂直位移监测，对边坡稳定性作出评价。本单位工程洞脸边坡变形监测布置19组多点位移计，其中进水口边坡布置7组，其余洞口洞轴线上方边坡1/2高度处各布置1组。进水口边坡等3组孔深15.00 m，在深度为14.00，7.00，3.00 m处各布置1个测点，每孔共3个测点；其余12组孔深20.00 m，在深度为19.00，13.00，8.00，4.00，1.50 m处各布置1个测点，每孔共5个测点。

2.2 爆破振动监测

对地质条件较复杂的洞段爆破掘进施工进行爆破振动监测，主要监测开挖面爆破对周边围岩及支护结构的震动影响，获得爆破振动衰减规律，根据围岩条件和被保护对象的不同拟定爆破安全振动标准，为设计和施工提供爆破安全距离建议。本监测标段布置38个质点振动速度测点。

2.3 收敛变形监测

主要监控隧洞掘进过程中平面内空尺寸的变化情况。本工程设计隧洞内收敛变形（收敛测点）监测断面布置原则：Ⅰ～ Ⅲ类围岩各2个断面，施工支洞各布置1个断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩中，按间距50 m布置。本监测标段共布置77个收敛变形监测断面，每个监测断面布置5个收敛测点，共计385个收敛测点，用铟钢尺收敛计量测。

2.4 拱顶下沉监测

拱顶下沉监测主要监控隧洞掘进过程中竖向尺寸的变化情况，指导施工期的支护。拱顶下沉及底板隆起监测断面主要布置在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，按间距50 m布置，每个监测断面布置1个测点，并与拱顶的收敛点结合使用。本监测标段共布置140个监测断面，共计140个拱顶下沉测点，用水准仪量测。

2.5 地表变形监测

在各施工支洞口和浅埋钢衬洞段两端或中部，通过埋设表面变形测点进行水平位移和垂直位移监测。各施工支洞口布置3个表面变形测点和2个工作（起测）基点；浅埋钢衬段在洞轴线布置1个监测横断面，布置3个测点和2个工作（起测）基点；在两侧岸坡稳定位置各设2个水准基点。采用三角交汇法测量，需满足通视条件，表面变形测点可根据实际地形进行调整。本监测标段共布置80个表面变形测点，38个工作（起测）基点、6个水准基点。

2.6 地下水位监测

主要监测敏感地段地下水位在地下洞室开挖前后变化情况，对地下水受影响程度作出评价。测压孔埋设深度应视岩石裂隙的情况适当加长，能穿过一定数量的裂隙，测到孔隙水为宜，测点位置可根据实际地形进行调整。

本监测标段共布置15根测压管，莲花溪埋管段埋设12根测压管，下包钢衬段埋设3根测压管。

2.7 钢拱架应变监测

根据支护情况选择钢拱架布置钢拱架应变计，监测支护结构受力。施工期钢拱架应变计监测断面主要布置在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，依断面位置可根据开挖时实际地质情况进行调整。

本监测标段共布置25个钢拱架应变监测断面，除清溪坞K27+001.0 m断面布置3支应变计，其余断面布置6支应变计，共147支钢拱架应变计。

2.8 锚杆应力监测

根据支护情况选择锚杆布置锚杆应力计，监测支护结构受力。锚杆应力计施工期主洞监测断面布置原则：Ⅳ、Ⅴ类围岩中，按间距100 m布置，主支洞交汇处1个断面，断面位置可根据开挖时实际地质情况进行调整。

本监测标段共布置26个监测断面，除进水口检修闸断面布置8支锚杆应力计，其余断面布置4支锚杆应力计，共计108支锚杆应力计。

2.9 锚索测力监测

锚索测力计用于监测预应力锚索的受力情况，布置于进水口基坑预应力锚索上，共计16支。

2.10 深层水平位移监测

通过埋设测斜管和活动式测斜仪监测边坡变形，对边坡稳定性作出评价。本监测标段共布置21根测斜管。

进水口水平位移监测：为了判别滑坡深度和方向，设置CX1～CX6等6根测斜管，每孔深入基岩5.00 m，观测方向为东西、南北2个方向；其余5根测斜管观测方向为基坑内外一个方向，每孔深入基岩1.00～2.00 m。

埋管段监测：基坑支护结构变形情况，沿基坑高喷防渗墙中心线布置，莲花溪埋管段基坑测斜管孔深15.00 m，深入基岩1.00 m。

洞脸边坡监测：采用活动式测斜仪，监测支洞口高边坡深层水平位移。

2.11 围岩松动圈监测

围岩松动圈监测采用声波探测仪及单孔超声波测试法，在金竹牌NK2+019.4 m、石毛畈K4+614.3 m、洪秋塘K7+637.7 m、莲花溪K10+199.4 m、K11+862.0 m、许村2#主洞K19+275.0 m各取1个断面，共计6个监测断面，每个断面5个测孔， 共计30个测孔。

2.12 岩溶区围岩完整性检测

岩溶区围岩完整性检测采用地质雷达测试法。主要探测洞壁20.00～30.00 m深度范围内的岩溶发育情况、地层岩性界面、较大节理与构造、富水带及地下水等，判断不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度。隧洞二衬之前进行隧洞围岩完整性检测，在进水口下游至许村2#主洞对已开挖隧洞洞顶、左右两侧壁、洞底左右侧各布置1条测线，共计55.00 km。

2.13 溶洞段衬砌应力应变监测

根据已揭露的地质条件，洪秋塘支洞上游施工段发现桩号K7+852.0～K7+867.0 m、K8+166.0～K8+152.0 m两处大型溶洞，莲花溪埋管上游施工段发现桩号K11+796.0～K11+803.0 m、K11+557.0～K11+560.0 m两处小型溶洞，拟对溶洞空腔进行回填后，采用预应力混凝土衬砌加固。在洪秋塘1#溶洞K7+853.0 m、2#溶洞K8+166.0 m预应力混凝土衬砌段各布置1个典型监测断面，混凝土应力应变监测采用埋入式应变计，钢筋应力监测使用钢筋应力计，仪器接线采用四芯屏蔽水工电缆自锚具槽引出。每个断面布置5支混凝土应变计，2支钢筋应力计，共计10支混凝土应变计，4支钢筋应力计。

2.14 观测频率

根据不同测点的任务，隧洞开挖全过程中需要监测的测点，影响施工期按42个月估算；隧洞洞挖过程中需要监测的测点，影响施工期按24个月估算；基坑开挖过程中需要监测的测点，影响施工期按24个月估算。各测点在符合埋设条件后即进行埋设，埋设后24 h内进行观测。存在断面数据变化较大、超设计预警值的情况时加密监测。监测次数达到设计要求或监测断面被二衬掩埋后停止监测。

3 安全监测管理云平台

隧洞安全监测系统由监测数据传输子系统、监测信息发布子系统和监测数据管理子系统3部分组成。监测数据传输子系统对隧洞安全监测数据进行传输，传输监测数据量大、安全性要求高、交互性强、地点固定；监测数据传输子系统界面简单明了，方便使用，可以支持4个监测标段的人员按标准格式将监测数据上传。监测信息发布子系统对隧洞安全监测信息和相关的工程基本图、文信息进行发布，以便支持有权限的远程用户利用浏览器进行浏览查询。监测管理子系统利用传输子系统传输的沉降、变形、振动速度、渗流和应力数据等监测数据，按照预先设定的报警值，实现系统管理、基本资料管理、监测数据管理、图形输出与报表管理、报警功能，并能够根据具体需求生成并打印输出图形和报表等。监测数据传输子系统采用C/S结构，监测信息发布子系统、监测管理子系统采用B/S结构。监测信息发布子系统和监测管理子系统同步支持移动办公功能（用户可通过 iOS 或 Android 系统的手机、PDA 等移动终端访问系统 ）。

通过对施工1标～5标（39.265 km）的隧洞安全监测（探测）、数据分析、监测信息平台开发及维护中关键安全数据分析，及时发现隐患，发布预警，动态控制工程建设过程。多次在第一时间精准预报险情，为工程排险争取时间，为加固方案设计提供关键数据，为配水工程顺利推进提供安全支撑。

3.1 监测数据传输子系统

监测数据传输子系统对隧洞安全监测数据进行传输，支持4个监测标段的人员按标准格式将监测数据上传。

3.2 监测信息发布子系统

监测信息发布子系统将对隧洞安全监测信息和相关的工程基本图、文信息进行发布，以便支持有权限的远程用户利用浏览器进行浏览查询。

3.3 监测信息管理子系统

监测管理子系统主要包括观测值预警功能，资料整编功能，绘制过程线功能，绘制分布图功能，系统管理功能及基本资料管理功能6个模块。

3.3.1 测值预警功能

当测点测值超限时，在测点位置显示预警信息，点击时显示详细报警信息及原因。点击某段线路时显示该段的详细仪器布置图（三维或二维图），包括埋设种类。

3.3.2 资料整编功能

资料整编功能主要实现对测点和数据的管理查询、报表制作等功能，大致可分为数据展示区域、过程线展示区域、测点选择区域、数据查询管理报表制作区域等。可以实现数据的增、删、改、查功能，测点埋设进度查询等功能，报表制作可制作周报、月报、年报。过程线界面如果测值有2个种类应显示2条过程线（如渗压计应显示水头和温度）。

4 监测成果初步分析

本工程观测设施按观测频次进行精密监测和实时预警，精准发布26次超限报警，为工程顺利推进提供安全支撑。下面介绍洞脸边坡变形、爆破振动、收敛变形、拱顶下沉、地表变形、钢拱架应变、锚杆应力、锚索测力、深层水平位移、围岩松动圈、岩溶区围岩完整性和溶洞段衬砌应力应变等监测（检测）成果。

表2为施工期预警断面监测数据汇总表。

表2 施工期预警断面监测数据汇总表

4.1 洞脸边坡变形

各洞脸边坡累计变形为-0.31～22.04 mm，变形速率随时间逐步降低并趋近-0.01～0.03 mm/d，其中最大累计变形发生在进水口边坡测点。各洞脸边坡变形速率较小，变形时程线无突变或继续增大不良变化趋势，表明所监测洞脸边坡变形处在正常范围内。进水口边坡多点位移计变形时程线见图1。

图1 进水口边坡多点位移计变形时程线图

4.2 爆破振动

本监测标段布置38个质点振动速度测点，每个测点观测50次。进水口基坑SM1-1测点最大振动速度为11.80 cm/s，超过相应设计警戒值9.00 cm/s，调整爆破药量及开挖进尺后，最大振动速度低于设计警戒值；其余37个测点最大振动速度均小于相应设计警戒值。表3为进水口基坑SM1-1测点爆破震动监测统计表，图2为SM1-1测点爆破质点振动三分量时程曲线图。

表3 进水口基坑SM1-1测点爆破震动监测统计表

图2 进水口基坑SM1 - 1爆破质点振动三分量时程曲线图

4.3 收敛变形及拱顶下沉

（1）施工1标的进水口检修交通洞断面SJ0+083.0 m、金竹牌主洞断面K3+526.0 m、石毛畈主洞断面（K4+489.0，K4+515.0，K4+537.0，K4+545.0 m）、施工2标的洪秋塘主洞（K8+345.0，K8+349.0 m）、施工3标的许村2#主洞断面K22+497.0 m、施工4标的清溪坞主洞断面（K26+977.0，K26+983.0，K26+991.0，K27+001.0，K27+003.0，K27+011.0，K27+013.0，K27+851.0，K27+870.0，K27+890.0，K27+996.0，K28+035.0，K28+055.0，K28+606.0 m）等23个断面围岩收敛变形或拱顶下沉达到相应设计预警值，采取加固措施后围岩变形速率小，收敛变形及拱顶下沉时程曲线平稳，围岩变形趋于稳定。

（2）其余监测断面相对变形量均小于相应围岩类别及埋深下的设计控制指标值。目前各监测断面变形速率均较小，表明监测围岩断面收敛变形及拱顶下沉处于安全可控状态。

图3、图4分别为出清溪坞K27+890.0 m断面收敛变形时程曲线和拱顶下沉时程曲线图。

图3 清溪坞K27+890.0 m断面收敛变形时程曲线图

图4 清溪坞K27+890.0 m断面拱顶下沉时程曲线图

4.4 地表变形监测

（1）进水口右侧边坡，2018年11月开始位移出现加速，12月下旬发出局部边坡失稳预警，并建议土建等相关单位采取边坡加固措施；本次预警得到业主和监理的重视，土建单位及时辙离边坡下方施工设备和作业人员。进水口右侧边坡于2019年2月16日发生局部浅层滑坡，测点 TPBS1-11、TPBS1-12、TPBS1-13、TPBS1-20变形产生突变，测点TPBS1-11塌落损毁无法恢复。边坡加固后，TPBS1-20径向累计变形367.60 mm，变形速率-0.05 mm/d；切向累计变形-479.87 mm，变形速率0.20 mm/d；累计沉降988.10 mm，沉降速率0.22 mm/d；其余测点变形速率均较小，表明边坡趋于稳定。

图5为进水口右侧边坡清溪坞TPBS1-20变形时程曲线图，图6为进水口右侧边坡局部浅层滑坡图。

（2）其余各洞脸表面变形相邻2次测值在±0.10 mm上下波动，各测点相对初始值累计变形量小，无持续增大的不良趋势，表明边坡稳定。

图5 进水口右侧边坡清溪坞TPBS1-20变形时程曲线图

图6 进水口右侧边坡局部浅层滑坡图

4.5 钢拱架应变监测

（1）许村2#主洞断面K19+910.0 m最大应变为-1 174.88 με，相应最大压应力为-234.98 MPa，接近钢拱架工字钢屈服强度235.00 MPa，采取拱脚底部支撑等加固措施后，钢拱架应变趋于稳定。图7为许村2#S1-xz-x2-2钢拱架应变时程曲线图。

（2）清溪坞主洞断面K27+890.5 m因拱架变形，出现鼓包后，采取锚杆加固、底支撑加固、灌浆等措施，钢拱架应变趋于稳定；清溪坞主断面K27+001.0 m经拱架加密处理后趋于稳定。

（3）其余监测断面钢拱架应力在-145.23～-12.51 MPa，位于正常范围内，钢拱架应变时程曲线平稳，无突变或不良变化趋势。

图7 许村2#S1-xz-x2-2钢拱架应变时程曲线图

4.6 锚杆应力监测

洪秋塘K8+345.4 m断面拱顶锚杆压应力较大，最大压应力为-140.01 MPa，分析可能原因为拱顶塑性圈较大所致，经采取一定控制措施后断面趋于稳定；其余各监测断面锚杆应力最大值在-69.84～48.46 MPa，各断面时程线区域平稳，无突变或继续增大不良变化趋势。

4.7 锚索测力监测

进水口基坑边坡共埋设锚索测力计16支。各测点累计损耗介于-49.2～62.2 kN，最大损耗量位于DP1-8测点，均在正常范围内。锚索测力监测数据无明显突变或不良变化趋势。

4.8 深层水平位移监测

（1）进水口基坑边坡各测点累计位移介于-17.32～74.86 mm，速率介于-0.23～0.24 mm/d，最大位移位于CX2测点，该测点变形分布高程为123.207～112.207 m。时程线平稳，数据无异常。

（2）莲花溪埋管起点段测斜管TN1-7累计最大位移62.62 mm，当前最大变形速率1.04 mm/d；测斜管TN1-8累计最大位移35.18 mm，当前最大变形速率0.74 mm/d。该2根测斜管因施工扰动，产生突变，目前变形相对平稳。

（3）各施工支洞深层水平位移，各测点相对初始值的累计变形量小，洞脸边坡深层水平位移正常。

4.9 围岩松动圈监测

围岩松动圈监测采用声波探测仪及单孔超声波测试法，共计6个监测断面，每个断面5个测孔，共计30个测孔。表4为金竹牌NK2+019.4 m、石毛畈K4+614.3 m断面围岩松动圈范围表。

表4 金竹牌NK2+019.4 m、石毛畈K4+614.3 m断面围岩松动圈范围表

4.10 岩溶区围岩完整性检测

本次对输水隧洞自金竹牌进水口至许村段穿越岩溶区进行检测。岩溶区围岩完整性检测完成检测隧洞长度11.04 km，测线长度55.00 km，查明了测线范围内存在的岩溶发育情况及岩石裂隙发育情况。图8为左边墙K12+665.0～K12+608.0 m段探地雷达时间剖面图。从起点至30.00 m范围，反射波同项轴出现错断，局部出现弧状反射，反射波信号较强且较乱，局部表现为“花斑状”，推测为岩溶发育，深度为4.00 m左右，往K12+626.0 m方向变深；距起点44～52 m段，反射波同项轴出现错断，双曲线反射弧特征比较明显，反射波信号较强，出现“条带状”反射及多次反射特征，推测为岩溶发育深度6.50 m左右，长度8.00 m左右。

图8 左边墙K12+665.0～K12+608.0 m段探地雷达时间剖面图

岩溶区围岩完整性检测成果如下：

（1）本次检测基本查明测线范围内存在的岩溶发育情况及岩石裂隙发育情况；

（2）本次检测共计推测530处存在岩溶发育情况或裂隙发育情况，其中顶部127处，左墙102处，右墙111处，地面左线89处，地面右线101处；

（3）建议对上述存在缺陷部位采取合理安全加固措施，确保工程质量安全；

（4）岩溶区围岩完整性检测成果为隧洞二衬结构设计提供指导。

4.11 溶洞段衬砌应力应变监测

在洪秋塘1#溶洞K7+853.0 m、2#溶洞K8+166.0 m预应力混凝土衬砌段布置混凝土应力应变监测和钢筋应力监测。图9和图10分别为洪秋塘1#溶洞K7+853.0 m衬砌混凝土应变时程曲线和钢筋应力时程曲线图。

隧洞预应力衬砌段混凝土超过28 d，达设计强度，且完成固结灌浆后，进行锚索张拉。预应力锚索张拉后，衬砌混凝土应变由拉应变转向压应变，构造钢筋应力由拉应力转向压应力，混凝土应变和构造钢筋应力都在设计指标范围内。

图9 洪秋塘1#溶洞K7+853.0 m衬砌混凝土应变时程曲线图

图10 洪秋塘1#溶洞K7+853.0 m衬砌构造钢筋应力时程曲线图

5 结 语

通过杭州市第二水源千岛湖配水工程施工期观测分析，获得如下一些成果和建议：

（1）通过洞脸边坡变形、隧洞围岩变形、支护结构应力应变、围岩松动圈等原型监测，评价洞脸边坡及围岩稳定性、支护安全性，及时发现隧洞开挖穿越不良地质等岩层时可能发生工程异常现象或隐患，并为初期支护、二次衬砌的参数调整和加强支护提供依据，以确保施工安全。

（2）通过收敛变形或拱顶下沉，发现23个监测断面围岩收敛变形或拱顶下沉达到相应设计预警值，实时发布安全预警，采取加固措施后围岩变形得到有效控制，变形速率小，围岩趋于稳定。

（3）通过洞脸边坡变形监测，发现进水口右侧边坡表面变形出现加速，实时发布边坡失稳预警，局部浅层滑坡发生后，采取削坡等加固处理措施，边坡变形速率较小，边坡趋于稳定。

（4）通过钢拱架应变监测，发现许村2#主洞断面K19+910.0 m最大压应力接近钢拱架工字钢屈服强度，采取拱脚底部支撑等加固措施后，钢拱架应变趋于稳定；清溪坞主洞断面K27+890.5 m因钢拱架变形，出现鼓包后，采取锚杆加固、底支撑加固、灌浆等措施，钢拱架应变趋于稳定。

（5）岩溶区围岩完整性检测完成检测隧道长度11.04 km，测线长度55.00 km，查明测线范围内存在的岩溶发育情况及岩石裂隙发育情况；围岩松动圈监测，6个断面，推断各孔的围岩松动圈位置；检测成果为隧洞支护结构设计提供指导。

（6）本工程原型观测项目进行精密监测和实时预警，开发安全监测管理云平台，通过关键安全数据分析，精准发布26次超限报警，为工程排险争取时间，为加固方案设计提供关键数据，为配水工程顺利推进提供安全支撑。