南水北調(diào)穿黃隧洞運行安全預警監(jiān)控指標研究

　　摘要：穿黃隧洞是南水北調(diào)中線與黃河的交叉建筑物，是中線工程中建設(shè)規(guī)模最大、技術(shù)最復雜的工程之一，也是保障中線工程穩(wěn)定輸水的關(guān)鍵節(jié)點;隧洞采用雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)型式，外襯承受外部水土壓力，內(nèi)襯承受內(nèi)水壓力，該結(jié)構(gòu)型式在我國水利行業(yè)尚屬首次，如何確定隧洞安全預警監(jiān)控指標是工程運行管理的重點和難點。本文基于以往研究成果，提出了工程結(jié)構(gòu)監(jiān)控指標及監(jiān)控閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑;根據(jù)雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點，開展穿黃隧洞可能破壞模式分析;基于破壞模式與監(jiān)測量的敏感性分析，提出層間滲壓作為穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)核心監(jiān)控指標，內(nèi)襯處的鋼筋計測值以及外襯處的測縫計測值作為輔助監(jiān)控指標，為穿黃隧洞安全運行提供借鑒和參考。

　　關(guān)鍵詞：穿黃隧洞;安全預警;監(jiān)控指標;破壞模式

　　1研究背景

　　輸水隧洞監(jiān)測信息可為工程安全分析評估提供科學依據(jù)，目前輸水隧洞安全監(jiān)控大多借鑒壩工領(lǐng)域工程安全監(jiān)測的相關(guān)經(jīng)驗，輸水隧洞安全監(jiān)控有關(guān)的研究相對滯后[1]。何勇軍等[2]在輸水隧洞監(jiān)測方法、工程運行安全影響因素的基礎(chǔ)上，基于統(tǒng)計學原理提出了輸水隧洞動態(tài)監(jiān)控指標的擬定方法;符志遠等[3]基于穿黃隧洞受力特點，提出了隧洞運行若干風險因子，并未給出明確的監(jiān)控指標;靳瑋濤、胡長華等[4-5]給出了穿黃隧洞安全運行的若干警戒值，包括滲壓值、滲漏量及測縫值等，但是這些指標未能體現(xiàn)“分級監(jiān)控、逐級預警”的現(xiàn)代監(jiān)控理念。穿黃隧洞是南水北調(diào)中線工程與黃河的交叉建筑物，是中線工程上建設(shè)規(guī)模最大、技術(shù)最復雜的工程之一，也是保障中線工程穩(wěn)定輸水的關(guān)鍵節(jié)點[6]。

　　水利論文范例：水利工程中圍堰技術(shù)的應用分析

　　穿黃隧洞采用雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)型式[7]，這種新型結(jié)構(gòu)型式體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)聯(lián)合、功能獨立”的新型輸水隧洞設(shè)計理念，解決了穿越黃河多相復雜軟土地層高壓輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力和高壓內(nèi)水外滲導致圍土失穩(wěn)破壞難題，較好地適應河床游蕩作用引起的縱向動態(tài)大變形[8]。這種位于軟基上的新型水工隧洞結(jié)構(gòu)型式，在我國水利行業(yè)尚屬首次，如何通過監(jiān)測信息準確把控隧洞運行安全是一個值得研究的問題。鑒于此，本文提出了調(diào)水工程監(jiān)控指標及監(jiān)控閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑，以穿黃隧洞為具體案例研究提出了其監(jiān)控預警指標體系，可為穿黃隧洞安全運行提供借鑒和參考。

　　2安全監(jiān)控指標確定方法

　　2.1安全監(jiān)控指標確定原則

　　工程安全監(jiān)控指標是對工程結(jié)構(gòu)的荷載或效應量所規(guī)定的安全界限 值。這種指標用以衡量工程結(jié)構(gòu)的運用是否正常、安全，當實測值在指標規(guī)定范圍以內(nèi)或數(shù)值以下時，一般可認為工程結(jié)構(gòu)是安全或正常的，否則認為工程結(jié)構(gòu)可能是不安全的或不正常的。安全監(jiān)控指標應對結(jié)構(gòu)運行過程中出現(xiàn)異常情況有較為敏感的響應或與工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)具有緊密聯(lián)系的特征。在實際工程中，安全監(jiān)測項目和測點數(shù)量通常都很多，為了及時有效地進行安全監(jiān)控，應選擇一部分有控制作用的項目和有代表性的測點建立監(jiān)控指標。在確定監(jiān)控指標之后，為便于實際操作，通常需要對監(jiān)控指標進行分級處理，目的就是為了全面監(jiān)控結(jié)構(gòu)運行期的工作性態(tài)。

　　在進行監(jiān)控指標分級時需處理好兩個問題，一是監(jiān)控指標需劃分為多少個等級，二是每個等級監(jiān)控指標對應著什么樣的工作狀態(tài)或安全狀態(tài)。通常，監(jiān)控指標分級按照“概念清晰，層次分明，標準一致，工程實用”的原則進行分級。分級過少，監(jiān)控指標對結(jié)構(gòu)工作性態(tài)識別度不高;分級過多，雖然可以全面把控結(jié)構(gòu)工作性態(tài)但不便于實際操作。在確定監(jiān)控指標的分級標準之后，需要給出相應的監(jiān)測閾值，用于判斷工程所處的安全狀態(tài)，根據(jù)具體情況確定出需要采取的處理措施。監(jiān)控閾值一般有單指標預警閾值和多指標預警閾值，如單指標預警閾值可采用變形監(jiān)控，多指標預警閾值可綜合變形、應力、滲壓等因素。閾值取值有固定閾值、波動閾值，各監(jiān)控指標預警閾值的確定方法不同。工程中常用于確定閾值的方法有：置信區(qū)間法、典型效應量小概率法、結(jié)構(gòu)分析法、極限狀態(tài)法等。

　　2.2安全監(jiān)控指標確定技術(shù)途徑

　　根據(jù)監(jiān)控指標確定原則，本文團隊提出了工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控指標及閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑[9]，具體步驟如下：(1)通過調(diào)研梳理破壞模式及破壞路徑;(2)開展現(xiàn)有監(jiān)測量綜合分析，包括監(jiān)測對象、部位及項目，確定監(jiān)測物理量;(3)基于監(jiān)測物理量與破壞模式的敏感程度，進而確定監(jiān)控指標;(4)開展典型建筑物工作性態(tài)與易損性分析，基于工程運行特點和破壞機理提出監(jiān)測效應量監(jiān)控指標等級的劃分方法，即監(jiān)控指標分級問題;(5)基于監(jiān)控指標分級標準，采用統(tǒng)計理論、結(jié)構(gòu)分析方法等多種方法，確定監(jiān)控指標分級控制閾值，即監(jiān)控閾值。

　　3穿黃隧洞受力及破壞機理分析

　　3.1穿黃隧洞受力特點分析

　　穿黃隧洞地處黃河典型游蕩性河段，該河段所處圍土為飽和砂土地層，地質(zhì)條件復雜，內(nèi)水壓達0.51MPa。針對上述環(huán)境特點，穿黃隧洞采用盾構(gòu)隧洞預應力復合襯砌結(jié)構(gòu)。外襯為盾構(gòu)施工過程形成的管片環(huán)，內(nèi)襯為現(xiàn)澆預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，車道平臺上方的內(nèi)、外襯之間由7mm的彈性排水墊層分隔，內(nèi)、外襯于車道平臺下方有插筋相連且整體澆筑(60°范圍內(nèi))，內(nèi)、外襯砌按單獨受力考慮。在盾構(gòu)施工過程中，外襯由管片(寬1.6m，厚0.4m)通過螺栓拼裝成整體，管片之間(簡稱縱縫)以及環(huán)與環(huán)之間(簡稱環(huán)縫)均設(shè)有軟墊層，通過螺栓連接;內(nèi)襯為C40預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑7.0m，厚度45cm，標準分段長度9.6m，每段環(huán)縫長23.4m(算至止水銅片中心)。

　　穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)安全等級按1級建筑物考慮;設(shè)計時嚴格限制外襯結(jié)構(gòu)變形和接縫張開量，以滿足正常使用與防水要求，其控制指標為：襯砌圓環(huán)直徑變形不大于6‰D(D為隧洞直徑)，管片接縫張開不大于6mm。另外，對于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應滿足承載要求和限裂要求;對于預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，要求在基本荷載組合下，滿足全截面受壓要求;在特殊荷載組合下，允許出現(xiàn)拉應力，但應滿足抗裂要求。

　　這種雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)型式是在外襯和內(nèi)襯之間增設(shè)彈性墊層，使兩層襯砌完全分開受力，外襯承擔外部水、土荷載，內(nèi)襯承擔內(nèi)部水壓力，內(nèi)外分開，受力明確，剪力和變形在兩層襯砌間不相傳送，內(nèi)襯不得產(chǎn)生滲水裂縫，彈性墊層既要隔離兩層襯砌又要方便施工。這種體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)聯(lián)合、功能獨立”的新型輸水隧洞設(shè)計理念，解決了穿越黃河多相復雜軟土地層高壓輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力和高壓內(nèi)水外滲導致圍土失穩(wěn)破壞難題，較好地適應河床游蕩作用引起的縱向動態(tài)大變形。

　　3.2穿黃隧洞可能破壞路徑分析

　　穿黃隧洞外襯為盾構(gòu)施工的分塊拼裝結(jié)構(gòu)，管片接縫眾多，而內(nèi)襯又承受高內(nèi)水壓力;如發(fā)生內(nèi)水外滲，滲漏量超出層間排水能力或局部排水失效，墊層處會產(chǎn)生較大水壓力，該水壓力對內(nèi)襯受力有利但對外襯受力極為不利，將使外襯受拉，外襯環(huán)向和徑向接縫會產(chǎn)生張拉變形，若接縫完全張開并超過變形限值，PE膜會失去隔水功能，可能會導致洞外砂土滲透破壞，危及隧洞安全。為此，本文建立穿黃隧洞有限元計算模型進行破壞模式及破壞路徑研究。

　　計算選取正常運行工況，并在此基礎(chǔ)上特別考慮發(fā)生內(nèi)水外滲時產(chǎn)生不同層間滲壓的影響，即墊層處考慮不同滲壓水位。墊層內(nèi)不同水位下外襯環(huán)向應力分布、外襯管片接縫開合狀態(tài)及接縫開度過程線。當隧洞出現(xiàn)內(nèi)水外滲時，墊層處將產(chǎn)生水壓力，該水壓力對內(nèi)襯受力有利而對外襯不利。由內(nèi)襯環(huán)向應力分布云圖可知，隨著墊層內(nèi)水位不斷增加，內(nèi)襯環(huán)向應力始終為壓應力，并且隨著墊層水位增加而不斷增大;而外襯環(huán)向應力則由受壓轉(zhuǎn)向受拉，并且環(huán)向拉應力逐漸增大。

　　結(jié)合不同水位下外襯接縫開合狀態(tài)分布圖可知，當墊層內(nèi)無滲水時，外襯內(nèi)外壁環(huán)向基本處于受壓狀態(tài)，環(huán)向與徑向接縫處于接觸狀態(tài);當墊層內(nèi)出現(xiàn)水位為70m左右的滲水時，管片內(nèi)壁處部分接縫出現(xiàn)張開，雖然接縫能夠釋放部分環(huán)向應力，但受到螺栓錨固影響，管片內(nèi)壁處部分區(qū)域的環(huán)向拉應力仍超過1MPa，此時外壁環(huán)向仍處于受壓狀態(tài);隨著墊層內(nèi)水位逐漸增大，管片接縫逐漸張開，受螺栓錨固影響，管片內(nèi)壁環(huán)向拉應力逐漸增大;當墊層內(nèi)水位達到80m時，除外襯底部即內(nèi)襯行車道以下區(qū)域的管片接縫未張開外，管片徑向接縫大部分張開并貫通，環(huán)向接縫大部分已經(jīng)張開但未貫通，此時內(nèi)壁大部分區(qū)域環(huán)向應力已超過2MPa，外壁環(huán)向也出現(xiàn)拉應力。

　　當墊層內(nèi)水位達到90m時，管片環(huán)向接縫已基本貫通，內(nèi)壁環(huán)向應力已達到3MPa;當墊層內(nèi)水位達到100m時，除外襯底部即內(nèi)襯行車道以下區(qū)域的管片接縫未張開外，管片所有接縫均張開并貫通，管片徑向接縫開度達到6mm。綜合以上分析，穿黃隧洞這種雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能路徑如下：內(nèi)襯接縫止水破壞導致洞內(nèi)高壓水外滲→墊層內(nèi)水位達到100m→外襯接縫全部張開且寬度超出限值，導致洞外砂土滲透破壞→隧洞局部破壞失穩(wěn)。

　　4穿黃隧洞監(jiān)測物理量分析

　　4.1監(jiān)測項目、布置及頻次

　　根據(jù)《南水北調(diào)東中線一期工程運行安全監(jiān)測技術(shù)要求NSBD21-2015》規(guī)定，穿黃隧洞主要監(jiān)測項目包括隧洞滲水壓力監(jiān)測(滲壓計)、隧洞接縫變形監(jiān)測(測縫計)、混凝土應力應變監(jiān)測(鋼筋計、應變計)、裂縫監(jiān)測(測縫計)、滲漏監(jiān)測等。

　　在通水運行初期各監(jiān)測物理量監(jiān)測頻次分別為：滲壓計2次/d、隧洞滲漏量2次/d、測縫計1次/2d、鋼筋計應變計錨索測力計1次/d。目前監(jiān)測頻次為：滲壓計1次/d、隧洞滲漏量1次/d、其余儀器1次/7d。4.2監(jiān)測物理量分析根據(jù)穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點及破壞模式分析可知，要確保穿黃隧洞運行安全，關(guān)鍵要防止洞內(nèi)高壓水從內(nèi)襯向?qū)娱g滲水，層間排水不及時，導致層間產(chǎn)生滲壓作用在外襯上，進而誘發(fā)洞外圍土滲透破壞。因此，滲壓監(jiān)測至關(guān)重要，這里選取某典型監(jiān)測斷面外襯管片處2支滲壓計進行重點分析。

　　5穿黃隧洞預警監(jiān)控指標研究

　　5.1監(jiān)控指標擬定本節(jié)基于3.2節(jié)穿黃隧洞破壞路徑分析成果，采用數(shù)學模型法中的確定性模型來建立穿黃隧洞運行期監(jiān)控指標�；�于穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式與監(jiān)測物理量的敏感程度可知，鋼筋計測值、應變計測值、滲壓計測值及測縫計測值均可作為穿黃隧洞復合襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)控指標;但是鋼筋計測值、應變計測值及測縫計測值均是局部監(jiān)測量，而滲壓計測值則可較全面反映層間滲壓變化情況。因此，選擇滲壓計測值是核心監(jiān)控指標，鋼筋計測值和測縫計測值是輔助監(jiān)控指標。

　　5.2監(jiān)控指標分級基于上述破壞階段，按照“概念清晰，層次分明，標準一致，工程實用”的原則[10]可將穿黃隧洞襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)控狀態(tài)分為三級，即一級狀態(tài)需要引起關(guān)注，二級狀態(tài)需要進行干預處理，三級狀態(tài)則是比較緊急的狀況。具體分級如下：一級監(jiān)控，對應內(nèi)襯或外襯出現(xiàn)滲漏通道導致層間存在一定滲水量，局部產(chǎn)生層間滲壓的工作狀態(tài)，可選擇滲壓計測值和鋼筋計測值作為監(jiān)控指標;二級監(jiān)控，對應外襯管片接縫全部張開并貫通的工作狀態(tài)，可選擇滲壓計測值作為監(jiān)控指標;三級監(jiān)控，對于外襯破壞、層間水位達到100m工作狀態(tài)，可選擇滲壓計測值和測縫計測值作為監(jiān)控指標。

　　6結(jié)論

　　通過以上研究，可得出以下結(jié)論：

　　(1)提出了工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控指標及閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑，即先開展建筑物破壞模式與破壞路徑識別，結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測物理量分析，進行安全監(jiān)控指標初選，然后開展典型建筑物性態(tài)與易損性分析，進行安全監(jiān)控指標的分級，最后采用統(tǒng)計理論與結(jié)構(gòu)分析方法確定相應的監(jiān)控閾值。其中，破壞模式及路徑識別、現(xiàn)有監(jiān)測量分析是基礎(chǔ);安全監(jiān)控指標擬定、典型建筑物性態(tài)與易損性分析是基礎(chǔ);安全監(jiān)控指標分級是關(guān)鍵;監(jiān)控閾值確定是核心。

　　(2)基于穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點，提出了雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)可能破壞路徑，即內(nèi)襯接縫止水破壞導致洞內(nèi)高壓水外滲→墊層內(nèi)水位達到100m→外襯接縫全部張開且超出設(shè)計限值，導致洞外砂土滲透破壞→隧洞局部破壞。

　　(3)基于破壞路徑與監(jiān)測量之間的敏感性關(guān)系可知，鋼筋計、應變計、滲壓計及測縫計測值均可作為穿黃隧洞復合襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)控指標，其中鋼筋計測值、應變計測值及測縫計測值均是局部監(jiān)測量，而滲壓計測值則可較全面反映層間滲壓變化情況;綜合分析來看，層間滲壓作為穿黃隧洞雙層復合襯砌結(jié)構(gòu)核心監(jiān)控指標，外襯處鋼筋計測值及外襯處測縫計測值作為輔助監(jiān)控指標。本文建立的監(jiān)控指標閾值可為工程運行提供參考。

　　參考文獻：

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　　作者：劉毅1，2，3，李海楓2，3，商峰1，2，3

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