遥控远程监测在引滦输水隧洞重点洞段中的应用

　　摘要：引滦输水隧洞是引滦入津输水工程的关键性工程，对于运行期间的安全监测和安全评估非常重要，本文主要通过对引滦输水隧洞的三个重点洞段进行远程遥控测试，对隧洞运营期的结构健康和安全使用状态进行有效的监控和评估；为隧洞的养护维修提供科学依据。
　　关键词：引滦，隧洞，远程遥控测试，安全
　　前言
　　引滦入津输水工程是为解决天津市工农业用水及民用水而修建的跨流域大型调水工程，而引滦输水隧洞又是关键性工程，它的安全运行将对正常输水产生直接影响。尽管隧洞的安全监测和安全评估已经做了许多试验并取得了不少很有创新性的成果，但这些成果基本上在隧洞施工中取得的。对于运行期间的安全监测和安全评估，特别是像引滦隧洞这样已经运行多年的隧洞进行的安全评估却很少。
　　随着无线技术的成熟，无线应用的推广，无线检测产品在各领域应用的深入，越来越多的新方案和新计划提上日程，并付诸实施。在隧洞结构监测和健康监测方面，远距离遥控的长期使用成为遥控远程检测的发展方向。本文主要通过对引滦输水隧洞的三个重点洞段进行远程遥控测试，对隧洞运营期的结构健康和安全使用状态进行有效的监控和评估；为隧洞结构的养护维修提供依据，辅助隧洞管理者制定高效、经济、及时的管理养护措施，最大限度延长隧洞的使用年限；提高运营期隧洞的数字化和信息化管理养护水平，为隧洞的养护维修提供科学依据。
　　一、引滦输水隧洞三个重点洞段的基本情况
　　引滦输水隧洞至今已运行二十多年年。在这二十多年的运行中由于水文地质条件及输水侵蚀和外部工矿占压等影响，隧洞内部出现裂缝、麻面，强度分布不均，伸缩缝漏水等问题。为此，近年来对引滦隧洞进行了整体补强加固处理。为了了解隧洞目前的工作状态和加固补强后的效果，非常有必要对隧洞进行一次全面的检测与安全评估。本项目重点针对三个洞段进行遥控检测：
　　（1）横河埋管段（桩号2++730~3+330），由于冶金工业路的兴建，大中型车辆在在埋管段上方的公路上来往频繁，对隧洞的安全构成一定的威胁，增加了隧洞埋管段上方的动荷载，根据工程需要需对此段进行安全监测与风险评估。
　　图1-1测试断面一上方公路
　　（2）隧洞9号洞至11号洞之间的洞段（桩号7+109～8+385），此段工程现状：原来的地表被津西铁厂征用，在地表新垫了20米高的土，并进行了碾压，堆放了大量的铁粉。
　　图1-2测试断面二上方回填土
　　（3）隧洞出口埋管段（桩号10+500～11+395），此段洞段埋深比较浅，近年来由于出口埋管段左侧山地铁矿蕴藏丰富，建立了铁矿开采厂，并在隧洞洞线40米范围以外建有5处矿井，井深45米～90米不等，井下进行行道开采，严重威胁着隧洞安全，需要进行安全监测与风险评估。
　　图1-3测试断面三上方铁矿厂
　　
　　二、遥控测试的测点布置方案
　　本次测试拟选用无线应变传感器测试系统和无线加速度传感器测试系统，结合通讯技术实现对引滦入津引水隧洞力学状态的远程监控和测量，这是近年来兴起的一种力学测量的新方法，它可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验。这种测试方法具有使用简单方便的特点，极大地节约了测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，其无线数字信号的传输方式消除了电缆传输带来的噪声干扰，广泛应用于桥梁、建筑物、飞机、船舶、车辆等结构静力测试，疲劳测试，载荷实验等。
　　第一个检测断面需要测量应变和加速度，且离隧洞进口位置相对较近，所以在此断面安装一个无线应变节点和一个无线加速度节点，并在进口处安装网关接收数据，进行远程实时监控。
　　第二个检测断面只需要测量应变，且离隧洞进口和出口位置均较远，所以在此断面安装一个大容量存储型应变节点，将测试周期内的数据全部记录下来，以备后续研究。
　　第三个检测断面需要测量应变和加速度，且离隧洞出口位置较近，所以在此断面安装一个无线应变节点和一个无线加速度节点，并在出口处安装网关接收数据，进行实时监控。
　　2.1测点布置方案
　　图2-4无线应变测点
　　第一个检测断面，在隧洞顶部和左右两侧沿环项布置4个无线应变测点，并且在隧洞顶部布置1个无线加速度传感器，以检测地表的冲击载荷引起的振动；
　　第二个检测断面，在隧洞顶部和左右两侧沿环项布置4个无线应变测点；
　　第三个检测断面，在隧洞顶部和左右两侧沿环项布置4个无线应变测点，并且在隧洞顶部布置1个无线加速度传感器，以检测地表的冲击载荷引起的振动；
　　
　　图2-5检测断面一测点示意图
　　
　　图2-6检测断面二测点示意图
　　
　　图2-8应变测点布置图
　　三、测试结果与分析
　　本次测试周期为2009年9月3日至10月7日，以9月3日数据为初始数据，混凝土等级按照C20标准，弹性模量取34GPa进行计算。工况1为9月3日至9月20日测试数据，工况2为9月20日至10月7日测试数据。
　　测试期间选取了9月30日下午3点至5点观测第一测试面上的过重车情况，在两个小时内平均5分钟会有一辆5轴以上的重型车通过。
　　3.1测试工况1
　　测试断面一应变如图3-12，4个测点的应变幅值分别为2.01με、2.94με、1.32με、2.33με，应力幅值分别为68KPa、99KPa、45KPa、79KPa。
　　图3-12工况1测试断面一应变
　　测试断面一加速度如图3-13，加速度幅值为0.0157g
　　图3-13工况1测试断面一加速度
　　测试断面二应变如图3-14，4个测点的应变幅值分别为2.11με、1.20με、1.63με、1.51με，应力幅值分别为71KPa、41KPa、55KPa、51KPa
　　图3-14工况1测试断面二应变
　　测试断面三应变如图3-15，4个测点的应变幅值分别为4.52με、1.80με、3.27με、1.44με，应力幅值分别为153KPa、61KPa、111KPa、49KPa
　　图3-15工况1测试断面三应变
　　测试断面三加速度如图3-16，加速度幅值为0.0175g
　　图3-16工况1测试断面三加速度
　　3.2测试工况2
　　测试断面一应变如图3-17，4个测点的应变幅值分别为4.96με、1.80με、4.69με、0.07με，应力幅值分别为168KPa、61KPa、159KPa、2.5KPa
　　图3-17工况2测试断面一应变
　　测试断面一加速度如图3-18，加速度幅值为0.0199g
　　图3-18工况2测试断面一加速度
　　测试断面二应变如图3-19，4个测点的应变幅值分别为1.68με、0.015με、0.022με、0.535με，应力幅值分别为57KPa、0.51KPa、0.77KPa、18KPa
　　图3-19工况2测试断面二应变
　　测试断面三应变如图3-20，4个测点的应变幅值分别为7.26με、0με、5.24με、6.99με，应力幅值分别为247KPa、0KPa、178KPa、237KPa
　　图3-20工况2测试断面三应变
　　测试断面三加速度如图3-21，加速度幅值为0.0192g
　　图3-21工况2测试断面三加速度
　　表3-1测试断面检测结果统计表
　　断面 工况 测点 应变（με） 应力（KPa） 加速度（g）
　　测试断面一 工况1 测点1
　　 2.01 68 0.0157
　　  测点2 2.94 99 
　　  测点3 1.32 45 
　　  测点4 2.33 79 
　　 工况2 测点1 4.96 168 0.0175
　　  测点2 1.80 61 
　　  测点3 4.69 159 
　　  测点4 0.07 2.52 
　　测试断面二 工况1 测点1 2.11 71 
　　  测点2 1.20 41 
　　  测点3 1.63 55 
　　  测点4 1.51 51 
　　 工况2 测点1 1.68 57 
　　  测点2 0.015 51 
　　  测点3 0.02 0.7 
　　  测点4 0.53 18 
　　测试断面三 工况1 测点1 4.52 153 0.0199
　　  测点2 1.80 61 
　　  测点3 3.27 111 
　　  测点4 1.44 49 
　　 工况2 测点1 7.26 247 0.0192
　　  测点2 0 0 
　　  测点3 5.24 178 
　　  测点4 6.99 237 
　　四、远程监测检测成果
　　1、本次测试应用了无线传感技术进行远程监控，并且特别制作了防水应变片，测得的应变值未出现明显漂移，监测方法恰当，测试结果稳定可靠；
　　2、测试中三个断面的应变与加速度变化均很小，不会对隧洞结构的安全运行产生影响；
　　3、测试断面一上方有重型车辆经过，隧洞内测得的应变幅值为4-5με，加速度幅值为0.017g，均在振动安全范围内；
　　4、在测试期间，测试断面二上方土没有继续回填，测试断面三附近的铁矿厂也并未开采，这两个断面检测得到的应变值也在零应变附近，验证了隧洞结构运营的安全性和可靠性；
　　5、建议以后测试段二上方继续回填土或测试段三的铁矿开采期间，继续加强施工安全监测，确保隧洞安全运营。