山西省中部引黄工程总干4号输水隧洞安全监测设计

崔 磊

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045）

山西省中部引黄工程总干4号输水隧洞安全监测设计

崔 磊1，2

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045）

山西省中部引黄工程总干4号输水隧洞沿线高低起伏，穿越山川河流，地质情况非常复杂，为确保4号隧洞安全施工顺利运行，根据相应的设计规范及以往的工程实例，选取最不利的监测断面，布设相应的监测仪器。通过自动化采集系统，实时监控断面的各种应力变形，分析数据成果及时发现问题，验证设计成果。

输水隧洞；监测断面；监测仪器；安全监测；中部引黄工程

1 概述

山西省中部引黄工程总干4号输水隧洞桩号为总166+319.88—总200+217.14，隧洞始于离柳地下分水闸，洞线自离石区和中阳县东部绕过煤矿井田范围，在离石区田家会镇地下42m穿过东川河，止于中阳县东部邢家岭东西干进水闸处，全长31.99km。4号隧洞洞线地面高低起伏很大，沿线穿越高山峡谷河流，地面高程1016～1415m，洞底埋深55～452m。洞线地质情况极为复杂，局部岩溶地下水位位于洞底以上，洞段岩溶较发育，可能遇到溶洞，桩号197+300附近隧洞穿过Fc1逆断层，处于断层破碎带及影响带，围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，围岩工程地质主要为Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ类，局部有土洞段。

鉴于总干4号输水隧洞沿线特殊的地质条件，洞线设计纵坡1/2500～1/3000，其中总166+319.88—总168+475.3段纵坡为1/2500，总168+475.3—总200+ 217.14段纵坡为1/3000，进口洞底高程964.88m，出口洞底高程954.07m，设计流量15.52m3/s。穿越东川河段采用马蹄形断面，顶拱内缘为半径2.0m的半圆弧，侧墙及底板内缘为半径4.0m的半圆弧，洞身净宽与净高相等，均为4.0m，设计水深2.88m。岩洞段中地下水位较高的地段采用圆形断面，洞径4.1m，设计水深3.0m，其余均采用城门洞形断面，岩洞段净宽3.6m，净高4.6m，直墙段高2.8m，设计水深2.83～3.04m，顶拱中心角180°，半径1.80m。

总干4号输水隧洞全部采用钻爆法施工，为保证施工阶段的顺利实施以及建成后的安全运行，对总干4号隧洞的安全监测进行了设计，通过监测各个最不利断面，采用现代化的通信设备，将采集到的实时数据进行整理分析，以确保整个工程安全顺畅，同时达到校核验证设计的目的。

2 隧洞安全监测布置

总干4号输水隧洞全长31.99km，沿线共设置41号，42号，43号，44号，45号，46号，47号，48号，49号，50号和末端交通洞共计11条施工支洞。

根据隧洞沿线的工程地质情况以及沿线所保留的永久施工支洞，经综合分析，最终在总干174+900，179+480，197+300以及交通洞0+050布设4个监测断面，相应的监测站分别布设在43号，45号，50号施工支洞及交通洞洞口处。各个监测断面上的监测仪器通过四芯屏蔽双绞电缆和八芯屏蔽双绞电缆，经由施工支洞与洞口处监测站内的自动化测量单元MCU相连接。各监测站的监测信息通过光缆汇集到各个监测分站，最后并网到监测总站，通过自动化系统实时监测整个输水工程的安全运行。为保证监测信息实时畅通，并尽可能采用自动化监测，各监测站采用两套供电系统。监测站周围有可用的交流电源时，采用220V交流电供电；监测站附近没有可用交流电源或架设新的供电线路费用太高时，采用48V太阳能供电。

3 隧洞监测断面布置

总干4号输水隧洞监测断面主要选择在局部地应力较大，围岩不稳定，自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏均可能发生的Ⅳ，Ⅴ类围岩处；洞段岩溶较发育，隧洞外地下水位较高处；土洞、砂卵石混合土洞处；穿河且洞顶以上覆土较少处；穿断层及断层破碎带处。

总干4号输水隧洞共选择3个监测断面，分别设在总干174+900处，断面形式为圆形，围岩类别为Ⅴ类，且地下水位较高，位于洞顶以上约100m；总干179+480处，断面形式为马蹄型，洞底埋深较浅，隧洞周围为卵石混合土，地下水位位于洞底以上，围岩类别为Ⅴ类；总干197+300处，断面形式为城门洞型，桩号197+300附近隧洞穿过Fc1逆断层，处于断层破碎带及影响带，围岩类别为Ⅴ类。以上所选的监测断面可根据隧洞开挖后的实际情况进行调整。

4 监测项目及仪器布设

4.1 隧洞围岩变形监测

隧洞围岩变形监测包括围岩收敛变形监测和围岩内部变形监测。围岩收敛变形监测是指在隧洞施工期采用收敛计测量围岩表面两点在连线方向上的相对位移对隧洞内部净空收敛进行监测。围岩收敛变形监测是施工期围岩稳定的主要监测方法。总干4号输水隧洞共有城门洞型、圆形、马蹄型三种断面形式，收敛测点和基线的布置原则上采用“5点6线式”，也可根据现场隧洞开挖实际情况作相应调整。围岩内部变形监测是指通过钻孔在一定深度的围岩内部埋设观测仪器，监测钻孔轴向位移变化，常采用的监测仪器为多点位移计。本次设计中，在每个永久监测断面的起拱线、顶拱处布设3支量程为6m的振弦式多点位移计，每支有3个测点。

4.2 隧洞围岩压力监测

隧洞围岩压力监测是在围岩和衬砌之间埋设土压力计测量作用在隧洞上的围岩压力和围岩中的压力分布。本次设计中分别在三种永久监测断面的起拱点、拱顶和底板中部布设3支振弦式土压力计。

4.3 隧洞外水压力监测

隧洞外水压力监测是在隧洞围岩内钻孔埋入渗压计，测量外水压力的大小。由于4号输水隧洞为无压隧洞，洞内水头不高，水压力不大，故本次监测设计主要考虑隧洞外水压力，分别在地下水位位于洞顶以上以及埋深较浅的穿河处监测断面的拱顶、起拱点和底板中部布设3支振弦式渗压计。

4.4 隧洞衬砌结构的接缝监测

隧洞衬砌结构的接缝监测包括衬砌和围岩之间的缝隙监测和衬砌之间的伸缩缝监测。衬砌和围岩之间的缝隙监测是指在隧洞衬砌和围岩之间埋设测缝计，监测二者之间接触面开合度。本次设计在三种永久监测断面的起拱点和拱顶分别布设3支振弦式单向测缝计。衬砌与衬砌之间的伸缩缝监测是指在伸缩缝内埋设双向测缝计，测量伸缩缝的开合度。本次设计仅在马蹄洞型监测断面前的岩土过渡段连续取10个伸缩缝，每缝洞顶设一组双向（水平和垂直）测缝计。

4.5 隧洞围岩支护及衬砌结构应力应变监测

总干4号隧洞Ⅴ类围岩支护措施主要采用顶拱侧墙内挂直径8mm的钢筋网，间距150mm×150mm，喷120mm厚的C20混凝土；顶拱范围内设直径25mm的系统锚杆，长2m，间排距1.0m，梅花型布置；顶拱100°范围内回填灌浆，灌浆压力0.2MPa；局部围岩特别破碎或土洞段采用钢拱架支护。综合考虑各方面设计因素，本次设计中隧洞围岩支护监测仅考虑锚杆应力监测，监测设备采用振弦式锚杆应力计，在岩洞监测断面的顶拱及其两侧选择3根监测锚杆布设3支锚杆应力计，土洞监测断面没有锚杆，不设锚杆应力计。

总干4号隧洞为无压输水隧洞，采用钢筋混凝土衬砌，根据隧洞衬砌结构计算结果，分别在钢筋混凝土衬砌受拉部位和应力集中部位布设钢筋计、应变计，同时布设无应力计与应变计配套使用。应变计和钢筋计均采用单向振弦式，在监测断面衬砌的顶拱、起拱点以及底板与边墙的交点处，沿切线方向布设3支应变计；在监测断面衬砌纵向受力筋的顶拱、起拱点以及边墙与底板交点处的内外侧钢筋上分别布设6支钢筋计；在监测断面直墙中下部布设2支无应力计，与应变计配套使用。

5 隧洞监测站分布及监测仪器

总干4号隧洞共设4个监测站，分别位于43号，45号，50号施工支洞和交通洞洞口。监测断面分别为圆形、马蹄型和城门洞型。监测仪器总计为：多点位移计12支、土压力计12支、渗压计6支、测缝计32支、应变计12支、锚杆应力计9支、钢筋计24支、无应力计8支、自动化监测单元4台。

6 结语

本次设计除净空收敛变形监测为施工期临时监测，其他均为永久监测，采用现代化监测设备，通过分析自动化采集系统收集到的实时数据，确保总干4号输水隧洞及整个输水工程的顺利施工，同时为今后设计提供经验。

TV698.1

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1004-7042（2016）01-0042-02

崔磊（1989-），男，2012年毕业于华北水利水电学院农业水利工程专业，助理工程师。

2015-11-14；

2015-12-18