城市深埋隧洞安全监测设计

2024-07-06黄永涛郑栋李少林杜泽快张存慧

人民长江 2024年13期

黄永涛郑栋李少林杜泽快张存慧

摘要：为保障城市深埋输水隧洞施工期和运行期安全，对可能出现的安全隐患进行及时发现和预报，对城市深埋输水隧洞安全监测设计展开研究。针对罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程输水距离长、隧洞埋深大、内外水头高的工程特点，并考虑到安全监测仪器的先进性和稳定性，对城市深埋输水隧洞安全监测设计方案和关键技术进行探讨。结果表明：采用FBG仪器和振弦式仪器综合布置的方法，并结合光电复核传感技术，可保证安全监测数据传输的长期稳定性、精确性和有效性。研究结果可为同类工程安全监测设计提供参考。

关键词：城市深埋隧洞；安全监测；输水工程；罗田水库；铁岗水库

中图法分类号： TV554

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.030

0引言

为了解决水资源供需矛盾，保障城市用水安全，越来越多的城市输水隧洞工程开始建设。输水隧洞埋深较大、输水线路长、内外水压力较大，一旦隧洞失事将对人民的生命财产安全造成严重威胁。为了保证输水工程的安全，实现对施工期和运行期可能出现的安全隐患的及时发现和预报，众多学者对输水隧洞安全监测设计展开了研究。张晏明［1］根据引滦工程的工程状况，对比了钢弦式、光纤式、电感式等多种监测传感器，确定了监测断面、监测项目、内容、仪器选型以及实现监测自动化所采取的手段；杜泽快等［2］在充分考虑监测技术发展与监测系统自动化的前提下，将适合信号长距离传输的光纤仪器应用于引大济湟引水隧洞安全监测设计中；李峰等［3］以南水北调中线吴庄隧洞为例，对输水隧洞的安全监测设计原则、监测项目以及布置进行了总结；杨双龙等［4］采用光纤光栅传感新技术与电测仪器结合的监测仪器布置方式，确保数据采集有效性，为长距离、有压输水隧洞的安全监测设计提供了新思路。

城市深埋隧洞作为穿越城市建成区的一类特殊长距离输水工程，一旦失事将造成严重的后果，因此保证工程的安全性特别重要。本文以深圳市罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程（以下简称“罗铁工程”）为例，综合考虑了该工程埋深大（城区段埋深大于50 m）、内外水压力较高、隧洞沿线地层岩性多样、地质条件复杂以及采用TBM为主、钻爆法为辅的施工手段的工程特点，结合光电复合传感技术，将FBG仪器和振弦式仪器综合布置的方法应用到罗田水库—铁岗水库输水隧洞安全监测设计中，确保监测数据的长期稳定、有效、可靠，为城市深埋隧洞安全监测设计提供了一种新的设计思路。

1罗铁工程安全监测设计项目

罗铁工程安全监测分为永久安全监测和施工期第三方安全监测两方面内容。其中永久安全监测一般由专业监测单位负责施工和运行管理，主要为保障工程长期运行安全服务，并尽量兼顾施工期的临时监测需要；施工期第三方安全监测服务于施工安全及施工过程控制，仅在施工期间临时开展［5］。根据该工程的各建筑物布置、水文地质条件、结构及运行特点以及毗临重要建筑物分布，确定该工程干线隧洞的主要监测项目有变形监测、渗流渗压监测、应力应变监测、沉降监测以及收敛变形监测。

2罗铁工程安全监测布置设计

2.1干线TBM施工段安全监测设计

干线输水隧洞采用圆形断面，分为4段进行TBM施工开挖。如图1所示，干线输水隧洞第1段、第2段采用双模式TBM施工，第3段采用双护盾TBM施工，第4段采用敞开式TBM施工。

干线隧洞TBM施工段安全监测，主要是对干线罗田下游阀室-铁岗工作井之间单线TBM隧洞进行永久监测。根据干线隧洞工程布置及沿线地形地质条件，拟在隧洞地质条件较差、不同地质交互部位、埋深较大、隧洞下穿重要建筑物等部位，共设置15个综合监测断面，其中干线护盾式TBM施工段涵盖的监测断面为断面1-1至断面13-13，干线敞开式TBM施工段涵盖的监测断面为断面14-14至断面15-15。按照监测断面距离附近监测站的距离，考虑监测设施布置的先进性、可靠性和全面性，其中11个监测断面布置振弦式仪器，4个监测断面布置FBG仪器，各综合监测断面分布情况见图2。

2.1.1变形监测

对于干线护盾式TBM施工段的监测断面，在隧洞环向管片接缝处布置6支测缝计，监测输水隧洞管片之间环向接缝变形状态；在管片与自密实混凝土接缝处、自密实混凝土与内侧钢衬接缝处各布置4支测缝计，监测输水隧洞管片、自密实混凝土、内钢衬三者之间的接缝变形状态；在衬砌管片内弧面的顶部及腰部沿全线纵向布设2条定点式应变感测光缆，监测隧洞沿线的管片外荷载挤压变形情况。

对于干线敞开式TBM施工段的监测断面，在隧洞围岩与混凝土接缝、混凝土与钢衬接缝处各布置4支测缝计；在隧洞衬砌外围岩体中径向钻孔安装3套多点位移计，监测隧洞围岩的岩体变形情况。

在隧洞中心线两侧40～60 m范围以外基础稳固可靠位置布置的基准点作为工作基点，结合水准点和多点位移计，监测隧洞以上地层的分层沉降。

2.1.2渗流监测

对于干线护盾式TBM施工段的监测断面，在隧洞管片外弧面顶部及腰部各布置1支渗压计，监测输水隧洞衬砌管片承受的外水压力分布情况；在隧洞自密实混凝土顶部和腰部共布置3支渗压计，监测衬砌管片内侧渗压。

对于干线敞开式TBM施工段的监测断面，在隧洞衬砌结构外侧的顶部及腰部各布置1支渗压计，监测输水隧洞衬砌承受的外水压力分布情况。

选择重要观测点布置地下水位孔，在每个地下水位孔中布置1支渗压计，监测隧洞以上地层地下水位。在罗田阀室、公明检修排水井、五指耙水厂分水井、长流陂阀室、5号工作井各布置1支压力传感器，监测隧洞钢管承受的沿程内水压力。

2.1.3土压力监测

在每个监测断面衬砌外弧面顶部及腰部位置各布置1支土压力计，监测输水隧洞衬砌结构承受的外侧土压力分布情况。

2.1.4应力应变监测

对于干线护盾式TBM施工段的监测断面，在输水隧洞顶部、腰部和底部的标准块衬砌管片的内、外环钢筋上布置8支钢筋计，监测输水隧洞衬砌管片的钢筋受力情况；在连接相邻管片的螺栓中选取2根各布置1个测点，每个监测断面衬砌管片的环向螺栓布置12支螺栓应力计，监测衬砌管片螺栓的应力状态。

对于干线敞开式TBM施工段的监测断面，在每个监测断面顶部和腰部共选择3根监测锚杆，每根锚杆上安装2支锚杆应力计，监测隧洞支护锚杆的受力变化情况。

在每个监测断面的顶部、腰部和底部沿纵向、环向各布置4支钢板应变计，监测内侧钢衬应力应变变化情况；在输水隧洞每个断面顶部、腰部的标准块衬砌管片混凝土中各布置1支温度计，监测输水隧洞衬砌管片的温度情况；在干线和各分水支线交叉处各布置1个监测断面，每个断面呈环向和流向各布设4支钢板应变计，监测应力复杂的岔管处钢板应力应变。

2.2干线隧洞第三方安全监测

干线隧洞内永久监测设施大部分同时具备施工期监测功能，这些监测设施应在施工期尽早埋设安装，尽可能为施工控制提供所需的施工期监测资料。除此以外，在施工期还应由第三方开展隧洞收敛变形和隧洞沿线沉降监测。

（1）隧洞收敛变形。

为了监测施工期隧洞管片受围岩挤压的变形特性，在隧洞沿线根据围岩类别设置收敛变形监测断面，监测断面间距：Ⅲ类围岩为50 m，Ⅳ类围岩为40 m，Ⅴ类围岩为30 m，断层破碎带为10 m，并在断层破碎带增加收敛变形监测断面。每个收敛监测断面布置5个收敛测点，分别位于顶拱、肩部和腰部，采用反射片配合全站仪进行观测。

（2）隧洞沿线沉降监测。

为了监测施工期隧洞沿线的沉降变形状态，在每个隧洞收敛变形监测断面的隧洞底部布置1个沉降监测点，采用精密水准法进行隧洞底板沉降观测。在罗田阀室、公明检修排水井、五指耙水厂分水井、长流陂阀室、铁岗工作井底部各布置1套钢管标（起测基点），作为附近测点沉降观测的工作基点。

3关键技术

罗田水库—铁岗水库输水隧洞全长21.68 km，共设置15个综合监测断面。由于隧洞输水管线较长，监测断面距离观测站的距离较远，在15个综合监测断面所布置的监测仪器需要布设较长的线缆连接到观测站，从而实现监测数据的传输与收集。为避免监测仪器信号传输过程的信号损失，需要通过合理的监测设计和技术手段，确保监测数据的安全性、稳定性以及可靠性。

3.1振弦式仪器和FBG仪器综合布置

振弦式仪器是一种以拉紧的金属弦作为敏感元件的传感器，传感器内部含有一根特质材质和特定尺寸的钢弦，在钢弦四周布置磁感线圈，当传感器所监测的项目发生变化时，钢弦两端的一个拉力也会产生变化，钢弦在受力变化情况下产生形变变化，从而引起钢弦的固有频率变化，通过电磁激励，使钢弦在磁感线圈内部产生振动，通过频率计来测量钢弦的固有频率，就可以根据钢弦的应力-频率关系，通过换算得到位移、应力应变、裂缝等监测项目测值［6］。振弦式仪器由于其结构简单、测量精度高、抗干扰能力强以及长期稳定性较好等特点，在水利工程安全监测项目中得到了广泛应用［7］。但同样受限于其工作原理，振弦式仪器在长距离监测项目测量中其电缆长短也会对传感器的测量精度产生影响［8］，其信号传输的有效距离一般要求不超过2 km，在实际工程中为了满足长期观测的稳定性，一般要求振弦式仪器的电缆引线的距离长度小于1 km［9-10］。

FBG仪器利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法在光纤纤芯内部形成永久性空间的相位光栅，其作用实质是在纤芯形成一个窄带的反射滤波器或反射镜，使光的传播行为在光栅中发生改变［11］。当光栅受到外部应力应变、温度等荷载作用发生改变时，会引起光栅的周期和光纤纤芯的有效折射率等基本参数的变化，通过光谱分析仪检测环境变化前后反射光波长的变化，就可以获得FBG仪器所检测物理量的变化情况［12］。FBG仪器利用光纤传输光波信号，其信号传输相较于振弦式仪器损耗极小，能够满足监测信号长距离传输要求，并且FBG仪器是基于光敏特性，信号安全性高，能够适应复杂环境，不会受到电磁干扰，在水利工程安全监测中具有广泛的应用前景。然而光纤仪器由于原理相对复杂，从目前的国内外光纤传感仪器的研发产品来看，也存在以下不足［13］：① 光纤仪器存在对监测变量之外的变量同时敏感的问题，其中较为突出的是将监测变量与温度分离；② 由于光纤仪器的材料特性，光纤仪器的施工埋入方式以及维护都较为复杂；③ 光纤仪器与其工程岩土体之间的变形耦合、协调问题会对监测结果的准确性造成较大影响。因此，从目前监测仪器的发展现状来看，光纤类仪器存在监测可靠性低于振弦式仪器的弊端，在实际的工程应用中，需要根据实际工程状况，因地制宜、综合考量、扬长避短，充分发挥振弦式仪器和FBG仪器各自的技术优势。

针对罗田水库—铁岗水库输水隧洞的15个监测断面，对振弦监测仪器和FBG仪器的测量精度、稳定性、信号传输距离等技术指标进行综合考量，并考虑到FBG仪器的安装复杂、仪器和光缆的保护难度大以及施工费用较高等问题，根据监测断面距离附近监测站的距离，将15个综合监测断面中11个距离观测站较近监测断面布置振弦式仪器，4个距离观测站较远监测断面布置FBG仪器。

3.2光电复合传感技术

传统监测仪器受限于其工作原理和现阶段仪器研发限制，在大量的工程实践中被证实其有效可靠传输距离一般在1 km以内，虽然光纤仪器弥补了传统监测仪器在传输距离上的缺陷，但光纤仪器的可靠性存在一定不足之处。因此针对传统的传输仪器无法完全满足长距离输水隧洞单洞长、距离远、隐蔽强等特点的监测需求，本文应用的光电复合智能传感技术集监测设施的通讯和供电于一体，实现监测信息的长距离稳定可靠的“感知”和“传输”。光电复合智能传感技术通过融合信息采集与信号传输设备，将隧洞中监测信息的有效传输距离由传统的1 km提升至20 km以上。

3.2.1光电复合缆

在通信线缆中，光缆利用光的反射原理进行信号传输，具有带宽大、损耗低、传输距离长等优点，但光缆仅能作为通信线缆无法提供电力；铜缆作为金属介质，不仅可以利用电磁波原理进行信号传输，还可以进行电力供应，但是在传输过程中会存在热效应，因此损耗较大，不适合于长距离的数据传输。光电复合缆将光纤和铜导线集成在一根线缆中，利用光纤传递数据信号，利用铜缆输送电力，使其具备通讯和供电的双重作用，能够完成长距离数据传输和电力供应。如图3所示，光电复合缆横向上从外层到内层，分别是聚乙烯外护层、绕包层、钢丝铠装、聚乙烯内护层、填充芯、动力单元和光纤单元，通过其独特的结构设计，不仅使其做到光纤信号传输和电缆电力供应的两个过程互不干扰，而且还具有良好的抗拉和防水功能。与分别铺设光缆和电缆相比，光电复合缆成本更低，并且施工更加方便。

3.2.2基于通讯转换和电源管理技术的接驳盒

接驳盒是基于通讯转换和电源管理技术研制而成的集光电分离、电压变换和通讯转接的多功能设备，图4为接驳盒内部功能舱示意图。光电复合传感技术应用光电复合缆进行信号传输和电力供应，而接驳盒负责接入光电复合缆然后向智能数据采集单元MCU提供低压直流电源和RS485通信；图5为接驳盒与光电复合缆、智能MCU直接的一个连接示意图。电源接入接驳盒后，并联分支一路进入接驳盒电压变换电路，将电压变换为低压（24 V）直流电，供电给接驳盒内各模块和外部采集设备。电能变换电路具备故障停机功能；当输出短路或过流时，电能变换电路停止输出，同时输入端不会影响主干网络正常供电和传输；故障移除后，自动恢复输出。接主干缆接入接驳盒后，其中有2芯光纤被剥离出来，熔接成SC接口尾纤，插入光电转换器，经过信号转换后转成以太网电信号，串口服务器再将以太网信号转成两路RS485串口信号，其余光纤和出口处的特制光电缆进行续接，继续往下一个节点传输。电单元在进入接驳盒后，并联分支出一组接线，接入电压转换器输入端，进行电压转换，输出24V低压直流电供内部光电转换器、串口服务器和外部的断面MCU使用，主干电单元继续往下一节点传输。

断面6-6和断面7-7距离附近监测站超过1 km，从传输距离的角度考虑宜布置FBG仪器。考虑到FBG仪器可靠性低于振弦式仪器，断面6-6和断面7-7布置振弦式仪器，在该两个断面和监测站之间通过光电复合缆进行通信和供电，将MCU前移至监测断面附近布设，以减少电缆数量和提高信号传输质量。

4结语

本文以深圳市罗田水库—铁岗水库输水隧洞安全监测设计为例，根据工程特点对工程永久安全监测和施工期第三方安全监测项目进行了设计；针对城市深埋隧洞安全监测中信号传输技术难题，采用FBG仪器和振弦式仪器综合布置的方法，并结合光电复核传感技术，可保证安全监测数据传输的长期稳定性、精确性和有效性。相关经验可为类似城市深埋隧洞安全监测设计提供参考。

参考文献：

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［2］杜泽快，刘洪亮.引大济湟长距离引水隧洞安全监测设计研究［J］.人民黄河，2020，42（5）：116-120.

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