北疆长距离输水隧洞施工期安全监测设计

［文章编号］1009-2846(2019)04-0019-03

吉林水利2019年04月

北疆长距离输水隧洞施工期

安全监测设计

林

芳

乌鲁木齐

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆830000）

［摘要］新疆地区经济及灌溉农业的发展，已成为内陆盆地水资源配置的重要因素，其中北疆准葛尔盆地长距

离输水KS隧洞，建设规模大，地质条件各异，结构型式多样，承受荷载复杂。因此除了采取先进有效的工程措施外，布设完善、先进的安全监测系统，也是工程安全施工和优化设计的重要保证。本文通过分析KS隧洞的地质条件和结构特点，研讨KS隧洞施工期安全监测及检测仪器选型，通过监测数据信息反馈，可及时调整隧洞支护参数，从而优化KS隧洞设计，以期为今后类似工程设计提供参考。［关键词］长距离输水隧洞；安全监测；监测项目［中图分类号］TV672.1

［文献标识码］B

DOI:10.15920/j.cnki.22-1179/tv.2019.04.006

引言

KS长距离输水隧洞为1级建筑物，工程投资

巨大，建设周期长，因此保证工程的安全性特别重要。从目前情况来看，尽管前期已采用了现代先进的勘探技术，在工程设计中采取了周密详尽的研究解决方法仍难以彻底掌握隧洞工程地质、水文、地下水温度梯度等情况，所以在施工期合理设置监测项目，可以及时应对施工中现场开挖揭示的实际地质情况和设计制定的施工方法不一致时可进行适时调整，避免施工中因施工方法不当，控制条件变化，而引发一系列工程质量问题，进而引发一定的事故，为了能够在事故之前和设计中，对KS隧洞在施工期进行围岩变形、内应力、震动、外部

150―650m，平均埋深428m，最大埋深774m，为无压洞，设计流量为40.00m3/s，洞底纵坡采用1/2583，隧洞进口底板高程为638.229m，出口底板高程528.494m。

隧洞通过的岩性复杂多变，共有华力西期花

岗岩、石英闪长岩、片理化凝灰岩、凝灰质砂岩以及泥岩夹砂砾岩、砂岩等二十余种岩性及四种围岩类别。隧洞沿线通过了78条断层破碎带，累计长度2.543km，其中5条区域性断裂累计长度

裂缝等不同性态测量和研究，并了解建筑物在施工期工作状况等安全性，从而为反馈和优化设计、优化施工程序、指导施工、为运行期提供管理依据。

1.19km，73条次级断层破碎带累计长度1.353km。

隧洞采用TBM全断面掘进机结合钻爆法进行施工。工程施工设计中，选用11台TBM施工段总长227.08km，钻爆法施工段总长56.33km。KS隧洞全线共布置有17条施工支洞，TBM进入洞6条，均布置为缓斜井；TBM中间洞5条，其中4条缓斜井，1条竖井；钻爆段支洞6条，其中3条缓斜井，3条竖井。为满足施工通风需要，沿线布置了6条通

风竖井。

根据不同施工分段：TBM施工段采用圆形断面，开挖洞径为7.00m；钻爆法施工段采用马蹄形

1工程建设基本概况

KS隧洞总长为283.41km，洞身埋深一般在

断面或城门洞形断面，开挖洞径6.56―9.06m。隧洞喷护、衬砌后过流洞径为5.84―7.40m。

［收稿日期］2018-01-29

［作者简介］林芳（1967-），女，汉族，新疆乌鲁木齐人，大专，主要从事水利水电勘测设计研究工作。

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吉林水利北疆长距离输水隧洞施工期安全监测设计林芳2019年04月

2

监测项目的选择及数据传输

2.1

隧洞工程施工监测项目选择

KS隧洞安全监测以施工阶段为主，项目选择根据《水利水电工程安全监测设计规范》（SL725-2016）、《水工安全监测》等的有关规定及KS隧洞工程中可能出现的各种不利局面：1）软岩洞段围岩稳定；2）宽大断层破碎带洞段围岩稳定问题；3）

高围岩应力洞段的岩爆；4）TBM在不良地质段施工中的安全问题；5）长距离数据传输和信息传递问题。确定隧洞施工期的安全监测项目为围岩收

敛变形监测、结构支护应力监测、围岩内部变形监测、岩爆预测技术研究、安全监测自动化等，以便能及时对施工措施进行安全检测并预测预报工程安全问题。

2.2监测项目的数据传输

KS隧洞工程为大型输水工程，输水距离长，各

施工支洞地面洞口之间的距离也均为几十公里。如此长远距离，不论是对现场监测施工，还是对仪器信号传输，都带来很大的难度与挑战。一方面，监测施工人员、物资要花费很长时间往返现场，工作效率低下，也不利于施工期安全监测的及时性；另一方面，水利工程中目前多采用电测仪器类型，电测类的信号传输的有效距离只有1—2km，无法满足本工程的需要。选择一种可直接用于现场安全监测而又能远距离进行信号传输的新型仪器设备光纤光栅仪器。光纤光栅式仪器传输距离长，信号以光缆传输为主，对于长距离输水隧洞监测仪器选型应与洞内信号传输相适应，故KS输水隧洞在条件具备处可选择不同类型监测仪器相互印证，如在竖井埋深相对较小，对应主洞段同时设置光纤光栅式仪器监测断面和常规振弦式仪器监测断面，以便相互印证。

3

施工期重要项目监测设计

3.1

围岩收敛变形监测

KS隧洞施工期安全监测的重点是围岩变形监

测，围岩变形监测包括收敛监测和拱顶沉降监测两部分。依据围岩收敛、顶拱沉降结合不同施工段的特点，采用相应的监测手段。钻爆段由于其掘进速度相对较慢，结构断面又以平底为主，有充分的

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时间和空间布置常规监测仪器，因此钻爆段采用

预埋收敛标点结合收敛计、全站仪的监测方式。对

TBM掘进段，由于其掘进速度快，监测作业空间狭

窄，拟采用阵列式位移计进行相应监测。

根据《水利水电工程安全监测设计规范》（SL725-2016）第9.2.2条规定，Ⅲ类围岩监测断面间距不大于50m；Ⅳ类围岩不大于40m；V类围岩不大于30m，断层破碎带为5―10m。KS隧洞按照

Ⅲ类围岩50m；Ⅳ类围岩30―40m（断层影响带以

及较软岩洞段监测间距取30m，其余中硬岩Ⅳ类围岩洞段监测间距取40m）；V类围岩10―25m（断层带Ⅴ类围岩间距取10m，出口无水三叠系软岩洞段间距取25m。按照以上原则KS隧洞全线共

监测3748个断面，其中钻爆段监测断面1152个，TBM段监测断面2596个。

3.2围岩内部变形监测

多点位移计监测。由于KS隧洞平均埋深

428m，没有洞外钻设的条件（成本高，且竖向偏差

大），多点位移计只能是洞内向外钻进埋设。考虑到多点位移计施工对TBM掘进施工影响大，KS隧洞多点位移计大部分在钻爆段设置，分别在断层

带、断层影响带以及部分Ⅲ类围岩断面设置（用于松动圈量测），其中断层带Ⅴ围岩段、断层影响带在顶拱和左右侧90°布置，Ⅲ类围岩洞段在顶拱布置一组、TBM段在隧道F49断层处顶拱45处各设

置一组。全洞线共设置12个监测断面，共设27组光纤光栅式5点位移计，其精度要求为0.1%F.S。

3.3支护结构应力监测

为保证软弱围岩洞段及宽大断层破碎带的顺

利开挖，除了后期的永久衬砌支护外，工程上还需要及时采取喷锚支护；对于Ⅳ、Ⅴ类围岩段，一次喷锚支护设计增加了钢筋格栅或钢拱架等进行加强支护。为了判别隧洞围岩及一次喷锚支护的安全稳定状态，及时检查发现施工中的安全隐患，有必要对一次支护结构状态进行监测，所选的监测项目主要有岩体内锚杆应力及拱架应力监测。

锚杆应力：采用锚杆应力计，共计56个断面，每个断面三只锚杆应力计，分别在顶拱和顶拱两侧布置，精度≤0.5%F.S；本项目采用全长粘结型锚杆，理论计算最大应力应发生在围岩表面，考虑到实际围岩表面有应力松弛，拟统一设置在距围岩表面0.5―1.0m处。锚杆应力计满量程取-100―

400MPa，精度为0.2%F.S。

吉林水利北疆长距离输水隧洞施工期安全监测设计林芳2019年04月

拱架应力：采用钢板应力计，拟在断层及断层影响带布置，共计27个断面，精度≤0.3%F.S；采用标距150mm，拉伸和压缩应变量测范围均为0―1

500×10-6。

4

施工期监测关键技术研究

4.1

岩爆预测技术研究

为保证施工安全，提高认识岩爆发生机理及

预测预报分析水平，在可能发生岩爆洞段，拟对本工程采用实测法和理论法相结合的综合法进行岩爆发生的预测预报研究工作。

在本工程开挖岩爆段施工期间，采用孔壁应变解除法（结合空心包体式测力计）和刚性包体应力计法相结合的手段，分别测试围岩的原始地应力及其随开挖变化情况，可以提前预防预测岩爆的发生，还可以研究地下埋深与围岩应力之间的成果关系，提高相关围岩应力的理论研究水平。

4.2隧洞工程施工期安全监测自动化

北疆KS引水隧洞工程距离长、自然交通不

便，安全监测站点众多并且分散，这既不利于监测工程项目本身的管理，也不利于监测数据、报告文件等资料信息的传输。同时，安全监测信息量大，常规的人工处理已不能满足及时、快速、全面、准确、可靠等监测工作要求。为保证安全监测系统的实时性、一致性和运行有效性，施工期监测采用自动化观测及分析手段。从数据采集到分析、反馈等各个环节统一实行信息化管理，充分发挥施工期安全监测工作的突出作用，为工程施工的安全与高效提供优质服务。

5结论

1）通过围岩收敛变形监测分析位移时间曲线

及收敛速率的变化就可以判定围岩变形是否稳定及下一步所采取的施工措施。

2）多点位移计重点设置在断层带、断层影响

带，与收敛计配合布置可以相互校核。

3）为了监测隧洞软岩洞段围岩稳定、TBM在

不良地质段安全及一次喷锚支护的安全稳定状

态，及早发现隧洞的不安全隐患，有必要对工程一

次支护结构进行安全监测，该监测成果也为后续设计、施工提供支护参考数据。

4）岩爆是围岩突然破坏，岩石破碎后从围岩

中突出并伴随着能量的猛烈释放。其破坏效应一方面引起围岩剥落掉块甚至塌方，另一方面，岩爆程度高的，飞出的石块还可能伤人、伤设备甚至是卡机，其破坏程度不容低估，对岩爆的探究必须引起足够的重视。

5)自动化监测系统可以减轻体力劳动、增强劳

动的安全性，提高效率，今后加强自动化监测设计的研究，是适应信息化发展，全面提高隧洞安全管理水平必不可少的项目。

通过上述结论可以看出施工期安全监测可获得围岩的定性、定级和支护设施的工作状态信息,反馈后可修正和调整施工期的开挖和支护参数，

并对施工中可能出现的重大质量、安全问题进行及早识别和判断，为工程提前采取超前预报、处理措施提供依据。同时，监控施工期的安全和工程进度，也可以检验工程完工后工程措施的效果，并为水利水电工程的实践积累经验，且通过对各类监测成果资料的分析整理，可归纳总结工程经验和变化规律，提高监测工作的理论水平，兼顾发展工程科研的需要。□

参考文献：

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[3]王润英．施工期与运行期大坝监测自动化对比分析[J]．人民珠江，2002，6：52-54.

[4]《水工安全监测》水工设计手册第11卷．

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