南水北調(diào)穿黃隧洞運(yùn)行安全預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)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(fù)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(diǎn);隧洞采用雙層復(fù)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(guó)水利行業(yè)尚屬首次，如何確定隧洞安全預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)是工程運(yùn)行管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文基于以往研究成果，提出了工程結(jié)構(gòu)監(jiān)控指標(biāo)及監(jiān)控閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑;根據(jù)雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，開(kāi)展穿黃隧洞可能破壞模式分析;基于破壞模式與監(jiān)測(cè)量的敏感性分析，提出層間滲壓作為穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)核心監(jiān)控指標(biāo)，內(nèi)襯處的鋼筋計(jì)測(cè)值以及外襯處的測(cè)縫計(jì)測(cè)值作為輔助監(jiān)控指標(biāo)，為穿黃隧洞安全運(yùn)行提供借鑒和參考。

　　關(guān)鍵詞：穿黃隧洞;安全預(yù)警;監(jiān)控指標(biāo);破壞模式

　　1研究背景

　　輸水隧洞監(jiān)測(cè)信息可為工程安全分析評(píng)估提供科學(xué)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(cè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，輸水隧洞安全監(jiān)控有關(guān)的研究相對(duì)滯后[1]。何勇軍等[2]在輸水隧洞監(jiān)測(cè)方法、工程運(yùn)行安全影響因素的基礎(chǔ)上，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理提出了輸水隧洞動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)的擬定方法;符志遠(yuǎn)等[3]基于穿黃隧洞受力特點(diǎn)，提出了隧洞運(yùn)行若干風(fēng)險(xiǎn)因子，并未給出明確的監(jiān)控指標(biāo);靳瑋濤、胡長(zhǎng)華等[4-5]給出了穿黃隧洞安全運(yùn)行的若干警戒值，包括滲壓值、滲漏量及測(cè)縫值等，但是這些指標(biāo)未能體現(xiàn)“分級(jí)監(jiān)控、逐級(jí)預(yù)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(fù)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(diǎn)[6]。

　　水利論文范例：水利工程中圍堰技術(shù)的應(yīng)用分析

　　穿黃隧洞采用雙層復(fù)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(dú)立”的新型輸水隧洞設(shè)計(jì)理念，解決了穿越黃河多相復(fù)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(dǎo)致圍土失穩(wěn)破壞難題，較好地適應(yīng)河床游蕩作用引起的縱向動(dòng)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(guó)水利行業(yè)尚屬首次，如何通過(guò)監(jiān)測(cè)信息準(zhǔn)確把控隧洞運(yùn)行安全是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。鑒于此，本文提出了調(diào)水工程監(jiān)控指標(biāo)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(yù)警指標(biāo)體系，可為穿黃隧洞安全運(yùn)行提供借鑒和參考。

　　2安全監(jiān)控指標(biāo)確定方法

　　2.1安全監(jiān)控指標(biāo)確定原則

　　工程安全監(jiān)控指標(biāo)是對(duì)工程結(jié)構(gòu)的荷載或效應(yīng)量所規(guī)定的安全界限 值。這種指標(biāo)用以衡量工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)用是否正常、安全，當(dāng)實(shí)測(cè)值在指標(biāo)規(guī)定范圍以內(nèi)或數(shù)值以下時(shí)，一般可認(rèn)為工程結(jié)構(gòu)是安全或正常的，否則認(rèn)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(biāo)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常情況有較為敏感的響應(yīng)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(shí)際工程中，安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)量通常都很多，為了及時(shí)有效地進(jìn)行安全監(jiān)控，應(yīng)選擇一部分有控制作用的項(xiàng)目和有代表性的測(cè)點(diǎn)建立監(jiān)控指標(biāo)。在確定監(jiān)控指標(biāo)之后，為便于實(shí)際操作，通常需要對(duì)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)處理，目的就是為了全面監(jiān)控結(jié)構(gòu)運(yùn)行期的工作性態(tài)。

　　在進(jìn)行監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)時(shí)需處理好兩個(gè)問(wèn)題，一是監(jiān)控指標(biāo)需劃分為多少個(gè)等級(jí)，二是每個(gè)等級(jí)監(jiān)控指標(biāo)對(duì)應(yīng)著什么樣的工作狀態(tài)或安全狀態(tài)。通常，監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)按照“概念清晰，層次分明，標(biāo)準(zhǔn)一致，工程實(shí)用”的原則進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)過(guò)少，監(jiān)控指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性態(tài)識(shí)別度不高;分級(jí)過(guò)多，雖然可以全面把控結(jié)構(gòu)工作性態(tài)但不便于實(shí)際操作。在確定監(jiān)控指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之后，需要給出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)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(biāo)預(yù)警閾值和多指標(biāo)預(yù)警閾值，如單指標(biāo)預(yù)警閾值可采用變形監(jiān)控，多指標(biāo)預(yù)警閾值可綜合變形、應(yīng)力、滲壓等因素。閾值取值有固定閾值、波動(dòng)閾值，各監(jiān)控指標(biāo)預(yù)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(yīng)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(biāo)確定技術(shù)途徑

　　根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)確定原則，本文團(tuán)隊(duì)提出了工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控指標(biāo)及閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑[9]，具體步驟如下：(1)通過(guò)調(diào)研梳理破壞模式及破壞路徑;(2)開(kāi)展現(xiàn)有監(jiān)測(cè)量綜合分析，包括監(jiān)測(cè)對(duì)象、部位及項(xiàng)目，確定監(jiān)測(cè)物理量;(3)基于監(jiān)測(cè)物理量與破壞模式的敏感程度，進(jìn)而確定監(jiān)控指標(biāo);(4)開(kāi)展典型建筑物工作性態(tài)與易損性分析，基于工程運(yùn)行特點(diǎn)和破壞機(jī)理提出監(jiān)測(cè)效應(yīng)量監(jiān)控指標(biāo)等級(jí)的劃分方法，即監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)問(wèn)題;(5)基于監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用統(tǒng)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)分析方法等多種方法，確定監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)控制閾值，即監(jiān)控閾值。

　　3穿黃隧洞受力及破壞機(jī)理分析

　　3.1穿黃隧洞受力特點(diǎn)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(fù)雜，內(nèi)水壓達(dá)0.51MPa。針對(duì)上述環(huán)境特點(diǎn)，穿黃隧洞采用盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。外襯為盾構(gòu)施工過(guò)程形成的管片環(huán)，內(nèi)襯為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，車道平臺(tái)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(tái)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(dú)受力考慮。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，外襯由管片(寬1.6m，厚0.4m)通過(guò)螺栓拼裝成整體，管片之間(簡(jiǎn)稱縱縫)以及環(huán)與環(huán)之間(簡(jiǎn)稱環(huán)縫)均設(shè)有軟墊層，通過(guò)螺栓連接;內(nèi)襯為C40預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑7.0m，厚度45cm，標(biāo)準(zhǔn)分段長(zhǎng)度9.6m，每段環(huán)縫長(zhǎng)23.4m(算至止水銅片中心)。

　　穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按1級(jí)建筑物考慮;設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格限制外襯結(jié)構(gòu)變形和接縫張開(kāi)量，以滿足正常使用與防水要求，其控制指標(biāo)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(kāi)不大于6mm。另外，對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足承載要求和限裂要求;對(duì)于預(yù)應(yīng)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(yīng)力，但應(yīng)滿足抗裂要求。

　　這種雙層復(fù)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(kāi)受力，外襯承擔(dān)外部水、土荷載，內(nèi)襯承擔(dān)內(nèi)部水壓力，內(nèi)外分開(kāi)，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(dú)立”的新型輸水隧洞設(shè)計(jì)理念，解決了穿越黃河多相復(fù)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(dǎo)致圍土失穩(wěn)破壞難題，較好地適應(yīng)河床游蕩作用引起的縱向動(dòng)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(huì)產(chǎn)生較大水壓力，該水壓力對(duì)內(nèi)襯受力有利但對(duì)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(huì)產(chǎn)生張拉變形，若接縫完全張開(kāi)并超過(guò)變形限值，PE膜會(huì)失去隔水功能，可能會(huì)導(dǎo)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(jì)算模型進(jìn)行破壞模式及破壞路徑研究。

　　計(jì)算選取正常運(yùn)行工況，并在此基礎(chǔ)上特別考慮發(fā)生內(nèi)水外滲時(shí)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(yīng)力分布、外襯管片接縫開(kāi)合狀態(tài)及接縫開(kāi)度過(guò)程線。當(dāng)隧洞出現(xiàn)內(nèi)水外滲時(shí)，墊層處將產(chǎn)生水壓力，該水壓力對(duì)內(nèi)襯受力有利而對(duì)外襯不利。由內(nèi)襯環(huán)向應(yīng)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(yīng)力始終為壓應(yīng)力，并且隨著墊層水位增加而不斷增大;而外襯環(huán)向應(yīng)力則由受壓轉(zhuǎn)向受拉，并且環(huán)向拉應(yīng)力逐漸增大。

　　結(jié)合不同水位下外襯接縫開(kāi)合狀態(tài)分布圖可知，當(dāng)墊層內(nèi)無(wú)滲水時(shí)，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(dāng)墊層內(nèi)出現(xiàn)水位為70m左右的滲水時(shí)，管片內(nèi)壁處部分接縫出現(xiàn)張開(kāi)，雖然接縫能夠釋放部分環(huán)向應(yīng)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(yīng)力仍超過(guò)1MPa，此時(shí)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(kāi)，受螺栓錨固影響，管片內(nèi)壁環(huán)向拉應(yīng)力逐漸增大;當(dāng)墊層內(nèi)水位達(dá)到80m時(shí)，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(kāi)外，管片徑向接縫大部分張開(kāi)并貫通，環(huán)向接縫大部分已經(jīng)張開(kāi)但未貫通，此時(shí)內(nèi)壁大部分區(qū)域環(huán)向應(yīng)力已超過(guò)2MPa，外壁環(huán)向也出現(xiàn)拉應(yīng)力。

　　當(dāng)墊層內(nèi)水位達(dá)到90m時(shí)，管片環(huán)向接縫已基本貫通，內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力已達(dá)到3MPa;當(dāng)墊層內(nèi)水位達(dá)到100m時(shí)，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(kāi)外，管片所有接縫均張開(kāi)并貫通，管片徑向接縫開(kāi)度達(dá)到6mm。綜合以上分析，穿黃隧洞這種雙層復(fù)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(dǎo)致洞內(nèi)高壓水外滲→墊層內(nèi)水位達(dá)到100m→外襯接縫全部張開(kāi)且寬度超出限值，導(dǎo)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(cè)物理量分析

　　4.1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、布置及頻次

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

　　在通水運(yùn)行初期各監(jiān)測(cè)物理量監(jiān)測(cè)頻次分別為：滲壓計(jì)2次/d、隧洞滲漏量2次/d、測(cè)縫計(jì)1次/2d、鋼筋計(jì)應(yīng)變計(jì)錨索測(cè)力計(jì)1次/d。目前監(jiān)測(cè)頻次為：滲壓計(jì)1次/d、隧洞滲漏量1次/d、其余儀器1次/7d。4.2監(jiān)測(cè)物理量分析根據(jù)穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及破壞模式分析可知，要確保穿黃隧洞運(yùn)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(shí)，導(dǎo)致層間產(chǎn)生滲壓作用在外襯上，進(jìn)而誘發(fā)洞外圍土滲透破壞。因此，滲壓監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，這里選取某典型監(jiān)測(cè)斷面外襯管片處2支滲壓計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

　　5穿黃隧洞預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)研究

　　5.1監(jiān)控指標(biāo)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(xué)模型法中的確定性模型來(lái)建立穿黃隧洞運(yùn)行期監(jiān)控指標(biāo)。基于穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式與監(jiān)測(cè)物理量的敏感程度可知，鋼筋計(jì)測(cè)值、應(yīng)變計(jì)測(cè)值、滲壓計(jì)測(cè)值及測(cè)縫計(jì)測(cè)值均可作為穿黃隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)控指標(biāo);但是鋼筋計(jì)測(cè)值、應(yīng)變計(jì)測(cè)值及測(cè)縫計(jì)測(cè)值均是局部監(jiān)測(cè)量，而滲壓計(jì)測(cè)值則可較全面反映層間滲壓變化情況。因此，選擇滲壓計(jì)測(cè)值是核心監(jiān)控指標(biāo)，鋼筋計(jì)測(cè)值和測(cè)縫計(jì)測(cè)值是輔助監(jiān)控指標(biāo)。

　　5.2監(jiān)控指標(biāo)分級(jí)基于上述破壞階段，按照“概念清晰，層次分明，標(biāo)準(zhǔn)一致，工程實(shí)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(jí)，即一級(jí)狀態(tài)需要引起關(guān)注，二級(jí)狀態(tài)需要進(jìn)行干預(yù)處理，三級(jí)狀態(tài)則是比較緊急的狀況。具體分級(jí)如下：一級(jí)監(jiān)控，對(duì)應(yīng)內(nèi)襯或外襯出現(xiàn)滲漏通道導(dǎo)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(jì)測(cè)值和鋼筋計(jì)測(cè)值作為監(jiān)控指標(biāo);二級(jí)監(jiān)控，對(duì)應(yīng)外襯管片接縫全部張開(kāi)并貫通的工作狀態(tài)，可選擇滲壓計(jì)測(cè)值作為監(jiān)控指標(biāo);三級(jí)監(jiān)控，對(duì)于外襯破壞、層間水位達(dá)到100m工作狀態(tài)，可選擇滲壓計(jì)測(cè)值和測(cè)縫計(jì)測(cè)值作為監(jiān)控指標(biāo)。

　　6結(jié)論

　　通過(guò)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(biāo)及閾值確定的統(tǒng)一技術(shù)路徑，即先開(kāi)展建筑物破壞模式與破壞路徑識(shí)別，結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測(cè)物理量分析，進(jìn)行安全監(jiān)控指標(biāo)初選，然后開(kāi)展典型建筑物性態(tài)與易損性分析，進(jìn)行安全監(jiān)控指標(biāo)的分級(jí)，最后采用統(tǒng)計(jì)理論與結(jié)構(gòu)分析方法確定相應(yīng)的監(jiān)控閾值。其中，破壞模式及路徑識(shí)別、現(xiàn)有監(jiān)測(cè)量分析是基礎(chǔ);安全監(jiān)控指標(biāo)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(biāo)分級(jí)是關(guān)鍵;監(jiān)控閾值確定是核心。

　　(2)基于穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，提出了雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)可能破壞路徑，即內(nèi)襯接縫止水破壞導(dǎo)致洞內(nèi)高壓水外滲→墊層內(nèi)水位達(dá)到100m→外襯接縫全部張開(kāi)且超出設(shè)計(jì)限值，導(dǎo)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(cè)量之間的敏感性關(guān)系可知，鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)及測(cè)縫計(jì)測(cè)值均可作為穿黃隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)控指標(biāo)，其中鋼筋計(jì)測(cè)值、應(yīng)變計(jì)測(cè)值及測(cè)縫計(jì)測(cè)值均是局部監(jiān)測(cè)量，而滲壓計(jì)測(cè)值則可較全面反映層間滲壓變化情況;綜合分析來(lái)看，層間滲壓作為穿黃隧洞雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)核心監(jiān)控指標(biāo)，外襯處鋼筋計(jì)測(cè)值及外襯處測(cè)縫計(jì)測(cè)值作為輔助監(jiān)控指標(biāo)。本文建立的監(jiān)控指標(biāo)閾值可為工程運(yùn)行提供參考。

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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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