本文摘要：摘要：穿黃隧洞是南水北調中線與黃河的交叉建筑物，是中線工程中建設規模最大、技術最復雜的工程之一，也是保障中線工程穩定輸水的關鍵節點;隧洞采用雙層復合襯砌結構型式，外襯承受外部水土壓力，內襯承受內水壓力，該結構型式在我國水利行業尚屬首次，如何
摘要：穿黃隧洞是南水北調中線與黃河的交叉建筑物，是中線工程中建設規模最大、技術最復雜的工程之一，也是保障中線工程穩定輸水的關鍵節點;隧洞采用雙層復合襯砌結構型式，外襯承受外部水土壓力，內襯承受內水壓力，該結構型式在我國水利行業尚屬首次，如何確定隧洞安全預警監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，提出了工程結構監控指標及監控閾值確定的統一技術路徑;根據雙層復合襯砌結構受力特點，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構核心監控指標，內襯處的鋼筋計測值以及外襯處的測縫計測值作為輔助監控指標，為穿黃隧洞安全運行提供借鑒和參考。
關鍵詞：穿黃隧洞;安全預警;監控指標;破壞模式
1研究背景
輸水隧洞監測信息可為工程安全分析評估提供科學依據，目前輸水隧洞安全監控大多借鑒壩工領域工程安全監測的相關經驗，輸水隧洞安全監控有關的研究相對滯后[1]。何勇軍等[2]在輸水隧洞監測方法、工程運行安全影響因素的基礎上，基于統計學原理提出了輸水隧洞動態監控指標的擬定方法;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“分級監控、逐級預警”的現代監控理念。穿黃隧洞是南水北調中線工程與黃河的交叉建筑物，是中線工程上建設規模最大、技術最復雜的工程之一，也是保障中線工程穩定輸水的關鍵節點[6]。
水利論文范例：水利工程中圍堰技術的應用分析
穿黃隧洞采用雙層復合襯砌結構型式[7]，這種新型結構型式體現了“結構聯合、功能獨立”的新型輸水隧洞設計理念，解決了穿越黃河多相復雜軟土地層高壓輸水隧洞結構受力和高壓內水外滲導致圍土失穩破壞難題，較好地適應河床游蕩作用引起的縱向動態大變形[8]。這種位于軟基上的新型水工隧洞結構型式，在我國水利行業尚屬首次，如何通過監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，本文提出了調水工程監控指標及監控閾值確定的統一技術路徑，以穿黃隧洞為具體案例研究提出了其監控預警指標體系，可為穿黃隧洞安全運行提供借鑒和參考。
2安全監控指標確定方法
2.1安全監控指標確定原則
工程安全監控指標是對工程結構的荷載或效應量所規定的安全界限 值。這種指標用以衡量工程結構的運用是否正常、安全，當實測值在指標規定范圍以內或數值以下時，一般可認為工程結構是安全或正常的，否則認為工程結構可能是不安全的或不正常的。安全監控指標應對結構運行過程中出現異常情況有較為敏感的響應或與工程結構安全狀態具有緊密聯系的特征。在實際工程中，安全監測項目和測點數量通常都很多，為了及時有效地進行安全監控，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控指標。在確定監控指標之后，為便于實際操作，通常需要對監控指標進行分級處理，目的就是為了全面監控結構運行期的工作性態。
在進行監控指標分級時需處理好兩個問題，一是監控指標需劃分為多少個等級，二是每個等級監控指標對應著什么樣的工作狀態或安全狀態。通常，監控指標分級按照“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，監控指標對結構工作性態識別度不高;分級過多，雖然可以全面把控結構工作性態但不便于實際操作。在確定監控指標的分級標準之后，需要給出相應的監測閾值，用于判斷工程所處的安全狀態，根據具體情況確定出需要采取的處理措施。監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：置信區間法、典型效應量小概率法、結構分析法、極限狀態法等。
2.2安全監控指標確定技術途徑
根據監控指標確定原則，本文團隊提出了工程結構安全監控指標及閾值確定的統一技術路徑[9]，具體步驟如下：(1)通過調研梳理破壞模式及破壞路徑;(2)開展現有監測量綜合分析，包括監測對象、部位及項目，確定監測物理量;(3)基于監測物理量與破壞模式的敏感程度，進而確定監控指標;(4)開展典型建筑物工作性態與易損性分析，基于工程運行特點和破壞機理提出監測效應量監控指標等級的劃分方法，即監控指標分級問題;(5)基于監控指標分級標準，采用統計理論、結構分析方法等多種方法，確定監控指標分級控制閾值，即監控閾值。
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，地質條件復雜，內水壓達0.51MPa。針對上述環境特點，穿黃隧洞采用盾構隧洞預應力復合襯砌結構。外襯為盾構施工過程形成的管片環，內襯為現澆預應力鋼筋混凝土結構，車道平臺上方的內、外襯之間由7mm的彈性排水墊層分隔，內、外襯于車道平臺下方有插筋相連且整體澆筑(60°范圍內)，內、外襯砌按單獨受力考慮。在盾構施工過程中，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)以及環與環之間(簡稱環縫)均設有軟墊層，通過螺栓連接;內襯為C40預應力鋼筋混凝土結構，內徑7.0m，厚度45cm，標準分段長度9.6m，每段環縫長23.4m(算至止水銅片中心)。
穿黃隧洞雙層復合襯砌結構安全等級按1級建筑物考慮;設計時嚴格限制外襯結構變形和接縫張開量，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構，應滿足承載要求和限裂要求;對于預應力鋼筋混凝土結構，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，允許出現拉應力，但應滿足抗裂要求。
這種雙層復合襯砌結構型式是在外襯和內襯之間增設彈性墊層，使兩層襯砌完全分開受力，外襯承擔外部水、土荷載，內襯承擔內部水壓力，內外分開，受力明確，剪力和變形在兩層襯砌間不相傳送，內襯不得產生滲水裂縫，彈性墊層既要隔離兩層襯砌又要方便施工。這種體現了“結構聯合、功能獨立”的新型輸水隧洞設計理念，解決了穿越黃河多相復雜軟土地層高壓輸水隧洞結構受力和高壓內水外滲導致圍土失穩破壞難題，較好地適應河床游蕩作用引起的縱向動態大變形。
3.2穿黃隧洞可能破壞路徑分析
穿黃隧洞外襯為盾構施工的分塊拼裝結構，管片接縫眾多，而內襯又承受高內水壓力;如發生內水外滲，滲漏量超出層間排水能力或局部排水失效，墊層處會產生較大水壓力，該水壓力對內襯受力有利但對外襯受力極為不利，將使外襯受拉，外襯環向和徑向接縫會產生張拉變形，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，并在此基礎上特別考慮發生內水外滲時產生不同層間滲壓的影響，即墊層處考慮不同滲壓水位。墊層內不同水位下外襯環向應力分布、外襯管片接縫開合狀態及接縫開度過程線。當隧洞出現內水外滲時，墊層處將產生水壓力，該水壓力對內襯受力有利而對外襯不利。由內襯環向應力分布云圖可知，隨著墊層內水位不斷增加，內襯環向應力始終為壓應力，并且隨著墊層水位增加而不斷增大;而外襯環向應力則由受壓轉向受拉，并且環向拉應力逐漸增大。
結合不同水位下外襯接縫開合狀態分布圖可知，當墊層內無滲水時，外襯內外壁環向基本處于受壓狀態，環向與徑向接縫處于接觸狀態;當墊層內出現水位為70m左右的滲水時，管片內壁處部分接縫出現張開，雖然接縫能夠釋放部分環向應力，但受到螺栓錨固影響，管片內壁處部分區域的環向拉應力仍超過1MPa，此時外壁環向仍處于受壓狀態;隨著墊層內水位逐漸增大，管片接縫逐漸張開，受螺栓錨固影響，管片內壁環向拉應力逐漸增大;當墊層內水位達到80m時，除外襯底部即內襯行車道以下區域的管片接縫未張開外，管片徑向接縫大部分張開并貫通，環向接縫大部分已經張開但未貫通，此時內壁大部分區域環向應力已超過2MPa，外壁環向也出現拉應力。
當墊層內水位達到90m時，管片環向接縫已基本貫通，內壁環向應力已達到3MPa;當墊層內水位達到100m時，除外襯底部即內襯行車道以下區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構發生破壞的可能路徑如下：內襯接縫止水破壞導致洞內高壓水外滲→墊層內水位達到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。
4穿黃隧洞監測物理量分析
4.1監測項目、布置及頻次
根據《南水北調東中線一期工程運行安全監測技術要求NSBD21-2015》規定，穿黃隧洞主要監測項目包括隧洞滲水壓力監測(滲壓計)、隧洞接縫變形監測(測縫計)、混凝土應力應變監測(鋼筋計、應變計)、裂縫監測(測縫計)、滲漏監測等。
在通水運行初期各監測物理量監測頻次分別為：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監測物理量分析根據穿黃隧洞雙層復合襯砌結構受力特點及破壞模式分析可知，要確保穿黃隧洞運行安全，關鍵要防止洞內高壓水從內襯向層間滲水，層間排水不及時，導致層間產生滲壓作用在外襯上，進而誘發洞外圍土滲透破壞。因此，滲壓監測至關重要，這里選取某典型監測斷面外襯管片處2支滲壓計進行重點分析。
5穿黃隧洞預警監控指標研究
5.1監控指標擬定本節基于3.2節穿黃隧洞破壞路徑分析成果，采用數學模型法中的確定性模型來建立穿黃隧洞運行期監控指標。基于穿黃隧洞雙層復合襯砌結構破壞模式與監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構的監控指標;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控指標，鋼筋計測值和測縫計測值是輔助監控指標。
5.2監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構監控狀態分為三級，即一級狀態需要引起關注，二級狀態需要進行干預處理，三級狀態則是比較緊急的狀況。具體分級如下：一級監控，對應內襯或外襯出現滲漏通道導致層間存在一定滲水量，局部產生層間滲壓的工作狀態，可選擇滲壓計測值和鋼筋計測值作為監控指標;二級監控，對應外襯管片接縫全部張開并貫通的工作狀態，可選擇滲壓計測值作為監控指標;三級監控，對于外襯破壞、層間水位達到100m工作狀態，可選擇滲壓計測值和測縫計測值作為監控指標。
6結論
通過以上研究，可得出以下結論：
(1)提出了工程結構安全監控指標及閾值確定的統一技術路徑，即先開展建筑物破壞模式與破壞路徑識別，結合現有監測物理量分析，進行安全監控指標初選，然后開展典型建筑物性態與易損性分析，進行安全監控指標的分級，最后采用統計理論與結構分析方法確定相應的監控閾值。其中，破壞模式及路徑識別、現有監測量分析是基礎;安全監控指標擬定、典型建筑物性態與易損性分析是基礎;安全監控指標分級是關鍵;監控閾值確定是核心。
(2)基于穿黃隧洞雙層復合襯砌結構受力特點，提出了雙層復合襯砌結構可能破壞路徑，即內襯接縫止水破壞導致洞內高壓水外滲→墊層內水位達到100m→外襯接縫全部張開且超出設計限值，導致洞外砂土滲透破壞→隧洞局部破壞。
(3)基于破壞路徑與監測量之間的敏感性關系可知，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構的監控指標，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構核心監控指標，外襯處鋼筋計測值及外襯處測縫計測值作為輔助監控指標。本文建立的監控指標閾值可為工程運行提供參考。
參考文獻：
[1]何勇軍，范光亞，徐海峰，等.輸水隧洞安全監控與預警技術研究進展[J].東北水利水電，2014，32(10)：48-50.
[2]楊陽，何勇軍，徐海峰，等.輸水隧洞動態監控指標擬定方法[J].水利水電科技進展，2018，38(5)：81-85.
[3]符志遠，張傳健.穿黃隧洞運行安全與檢修條件評估[J].人民長江，2011，42(8)：111-118.
[4]靳瑋濤，趙剛毅.南水北調中線全線通水穿黃隧洞安全監測成果分析[J].西北水電，2016(2)：73-79.
[5]胡長華，郝長江.南水北調中線穿黃工程安全監測設計[J].人民長江，2009，40(23)：73-74.
作者：劉毅1，2，3，李海楓2，3，商峰1，2，3
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