盾构输水隧洞安全监测设计方案探讨

2022-11-30李敏华

陕西水利 2022年12期

李敏华

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东广州 510000）

0 引言

广东属于热带和亚热带季风气候区,雨量较充沛,雨热同期,但水资源逐年减少,且存在水资源分布不均、开发利用不平衡、应急备用水源不足等问题,部分地区缺水严重。根据2021 年广东省水资源公报,全省水资源比2020 年减少24.9%,比常年偏少33.7%,水资源日益短缺,通过引调水工程配置水资源,提高水资源的利用率尤为迫切。随着引调水工程的兴起,盾构输水隧洞的安全监测是工程安全运行的重要部分,本文主要探讨了环北部湾水资源配置工程某盾构隧洞段的永久监测方案,为同类工程监测设计提供参考。

1 盾构隧洞的特点及监测设计技术难点

1.1 盾构隧洞的特点

盾构隧洞是采用盾构法掘进并拼装预制管片衬砌的隧洞。盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法[1],在钢壳体保护下完成隧道掘进、出渣、管片拼装等作业,采用机械为由主机和后配套设备组成的全断面推进式隧道施工机械设备。

盾构法施工具有施工效率高、对围岩扰动小、环保等优点,适合长距离隧道建设,主要缺点是遇复杂地质需做超前处理或辅以钻爆法开挖,二次衬砌与掘进无法同时施工,施工周期较长。

1.2 安全监测的技术难点

安全监测的主要目的是：通过仪器监测和巡视检查等手段来了解和掌握建筑物的工作状态,以便综合分析建筑物的安全状况；根据监测资料对建筑物的结构特性进行分析,用以检验施工质量和验证设计,为提高设计、施工和运行水平提供科学依据。

由于盾构输水隧洞采用全机械化掘进的施工方式,在掘进的同时拼接安装衬砌管片块,隧洞结构与传统钻爆法隧洞迥然不同,盾构隧洞监测仪器安装的工作空间、时间及埋设条件等十分有限,如何根据盾构隧洞的结构、施工方法及地形地质等条件确定安全监测项目、布置及监测仪器的安装方法是盾构输水隧洞安全监测的主要技术难点。

2 盾构输水隧洞监测设计方案

2.1 工程概况

环北部湾水资源配置工程某盾构隧洞段的盾构隧洞级别为2 级。盾构隧洞长约10 km,起于库区取水口,经长约7.7 km的盾构隧洞,后衔接约3.7 km 的PCCP 管道,管道后接约2.4 km的盾构隧洞,输水至泵站进水前池。盾构输水隧洞外衬采用预制钢筋混凝土管片,外径为5.8 m,内径5.2 m,衬砌管片厚0.3 m,衬砌环宽1.5 m,衬砌管片通过螺栓连接；内衬采用钢筋混凝土衬砌,衬砌厚0.4 m；输水隧洞内径为4.6 m,隧洞最大埋深约280 m。该段引水线路盾构隧洞所经不良地质情况主要有断层、节理、溶洞段、富水段等。

2.2 监测项目的选择

环北部湾水资源配置工程某盾构隧洞为管片+钢筋混凝土衬砌结构,隧洞整体主要承受竖向及侧向土压力、竖向及侧向水压力、地层水平抗力、竖向地层反力、上覆荷载、内水压力、自重等荷载,盾构隧洞运行期的结构安全主要通过混凝土的承载力安全系数、抗浮稳定性抗力系数、裂缝宽度、接缝张开量、螺栓抗拉允许应力、收敛变形量等指标判别（见表1）,相应需掌握隧洞实际土压力、钢筋应力、混凝土应力应变、外水压力、接缝开合度、螺栓应力、隧洞收敛等情况,通过仪器监测及巡视检查实现监测[2]。

表1 盾构隧洞结构设计安全标准值

综合考虑以上因素,并根据规范要求,确定仪器监测项目为：围岩收敛变形、衬砌管片接缝开合度、隧洞外水压力、隧洞衬砌的渗透压力、隧洞承受的土压力（界面压力）、盾构隧洞及内层衬砌的钢筋应力及混凝土应力应变等项目。

2.3 监测仪器型式的选择

岩土工程监测仪器主要有传统的电测类传感器（振弦式/差阻式等）及新型的光纤传感器（光纤光栅传感器/分布式光纤等）。电测传感器的主要特点是：应用广泛,技术成熟,监测数据较稳定,经济性好,但信号传输距离较短,仅实现局部定点测量,存在零点漂移的问题,对电缆绝缘有较高的要求。光纤传感器的主要特点是：测量范围广,可实现隧洞的全程监测,无绝缘要求,信号传输距离长,不受电磁干扰,全程光纤铺设对施工进度影响较大,维护工作量较大,施工和运行维护技术要求较高[3],易损坏,光纤解调时间较长,精度受温度、解调仪、安装工艺等因素影响,存在零点漂移等问题[4]。

由于隧洞监测断面与测站（设于盾构井）的距离为1000 m左右,传统电测传感器信号传输距离能满足要求。鉴于盾构隧洞设计使用年限为100年,考虑监测仪器的稳定性、可靠性、施工与运维难度以及经济性原则,监测仪器采用传统电测传感器。

2.4 监测布置方案

为掌握盾构输水隧洞在运行期的安全性态,为输水隧洞的安全运行提供依据,根据隧洞结构及布置、地形地质条件,选取不良地质洞段、深埋段、浅埋段及过铁路、公路段等重点或关键部位设置监测断面进行仪器监测,共设置10 个监测断面,并对隧洞进行巡视检查。

2.4.1 围岩变形监测

在每个监测断面各布置3 个收敛测点,采用收敛计或全站仪进行监测,用于监测围岩收敛情况。监测精度不低于±2 mm。

2.4.2 接缝开合度监测

在每个监测断面环向管片接缝处布置6 支测缝计,用于监测输水隧洞盾构管片之间环向接缝的开合状态。测缝计监测精度不低于±0.2 mm。

2.4.3 渗流监测

（1）外水压力监测

在每个监测断面盾构管片外弧面顶部及腰部一侧各布置1 支渗压计,用于监测输水隧洞承受的外水压力情况。渗压计精度不低于±0.5%F.S。

（2）渗透压力监测

在每个监测断面的盾构管片内表面底部和腰部一侧各布置1 支渗压计,用于监测输水隧洞内层衬砌的渗透水压力变化情况。渗压计精度不低于±0.5%F.S。

2.4.4 应力应变监测

（1）应力监测。在每个监测断面盾构管片外弧面顶部及腰部两侧位置各布置1 支土压力计,用于监测输水隧洞承受的压应力情况。土压力计监测分辨力不低于±0.05%F.S。

（2）钢筋应力监测。在每个监测断面输水隧洞的管片及混凝土内衬顶部及腰部一侧的环向钢筋上各布置1 支钢筋计,在管片及混凝土内衬顶部的纵向钢筋各布置1 支钢筋计,每个断面6 支钢筋计,用于监测输水隧洞管片及混凝土内衬的钢筋受力情况。钢筋计监测分辨力不低于±0.05%F.S。

（3）混凝土应变监测。在每个监测断面输水隧洞混凝土内衬的顶部、腰部一侧的环向各布置1 支应变计,在内衬的顶部纵向布设1 支应变计,每个监测断面3 支应变计,同时,在每个监测断面输水隧洞混凝土内衬底部布置1 支无应力计,用于监测输水隧洞混凝土内衬的应变情况。应变计监测分辨力不低于±0.15%F.S；无应力计监测分辨力不低于±0.05%F.S。

（4）螺栓应力监测。在每个监测断面6 支环向螺栓的外弧面的中间部位刻槽各布置1 支螺栓应力计,用于监测盾构衬砌管片螺栓的应力状态。

2.4.5 巡视检查

巡视检查主要检查隧洞、进出口建筑物等主要结构有无混凝土碳化、钢筋锈蚀、裂缝的开合/倾斜/错动、结构损伤、排水管堵塞、止水失效等情况；检查边坡有无塌陷、裂缝、渗漏、破损等情况；检查监测设施、电气设备等设施的工作情况。

2.4.6 仪器安装埋设技术要点

根据盾构隧洞的施工特点及施工要求,钢筋混凝土管片对防水及裂缝有较为严格的要求（管片抗渗等级不小于P10,裂缝宽度不得大于0.2 mm[5]）,监测仪器传统钻孔法安装对管片结构破坏性大[6],不能满足工程要求,考虑采用预埋或预制安装套件的方式实现仪器的安装,盾构输水隧洞监测断面见图1。

图1 盾构输水隧洞监测断面图

（1）管片外侧的土压力计：在预制衬砌管片时预留凹槽安装土压力计,土压力计应低于管片外弧面0.5 cm,仪器线缆应沿钢筋用尼龙扎线绑扎好引至尾缆保护筒内保护,避免管片混凝土振捣时损坏仪器尾缆。

（2）管片外侧的渗压计：考虑管片安装后的壁后注浆会损坏渗压计,在管片预制前根据渗压计尺寸制作好渗压计安装不锈钢套筒部件,在预制衬砌管片时预埋渗压计不锈钢套筒,用于衬砌管片拼接完成后安装衬砌管片外侧的渗压计。渗压计在管片壁后注浆完成后进行安装,渗压计透水端应穿过管片外弧面20 cm。渗压计不锈钢套筒和渗压计安装完成后应做好封堵止水措施,确保封堵体能抵抗不低于0.5 MPa的水压,管片外侧渗压计套筒见图2。

图2 管片外侧渗压计套筒示意图

（3）钢筋混凝土衬砌内的钢筋计需在钢筋笼绑扎时对钢筋计进行焊接安装,应变计和无应力计宜在混凝土振捣后及时埋设。

（4）管片内侧的测缝计：测缝计应垂直于管片接缝面安装。在预制管片时,根据仪器安装位置在两块相邻管片之间预留凹槽,并预埋固定测缝计所需的锚杆,仪器安装完成后不应外凸。在管片拼装完成后,对沟槽内外露钢筋进行除锈及涂抹防腐层后再安装测缝计,并考虑采用保护盒对测缝计和尾缆进行密封保护,管片测缝计安装示意图见图3。

图3 管片测缝计安装示意图

（5）螺栓应力计：确定拟安装螺栓应力计的螺栓,利用直螺栓进行刻槽。刻槽的槽内保证光滑,严禁有楞刺等不规整槽型。在螺栓弯曲定型时保证刻槽位置处在弯曲的正上方,防止偏斜。在螺栓安装前,在螺栓槽内安装螺栓应力计和尾缆,螺栓应力计安装在螺纹端头100 mm 处开始,不能超出牙型角底部,防止螺母拧紧时破坏引线。

（6）需对管片上预留的沟槽、开孔和铆钉孔的混凝土结构表面以及对安装完成后的铆钉表面进行防腐防护,并做好防水措施。

（7）在仪器安装埋设时应做好仪器和电缆的保护,确保电缆绝缘。监测仪器的检验率定、安装埋设、监测资料采集分析和枢纽建筑物的巡视检查应满足规范要求。