劉曉娜，竇常青，洪 松

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東易方達(dá)建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，山東 濟(jì)南 250041；3.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

南水北調(diào)東線一期穿黃河工程是南水北調(diào)東線一期工程的重要組成部分，穿黃隧洞工程是該工程的關(guān)鍵性、控制性項(xiàng)目。

穿黃隧洞位于黃河主河道下近70m巖層，自2013年通水至今已運(yùn)行6年，常年處于滿水狀態(tài)，檢測(cè)檢修存在較大困難。隨著穿黃隧洞工程運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，必然會(huì)出現(xiàn)一些工程缺陷，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，讓隧洞帶病運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致問題逐年累積，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危害隧洞的整體性和穩(wěn)定性，使隧洞的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅。工程雖然自建成以來一直開展工程監(jiān)測(cè)工作，但工程監(jiān)測(cè)斷面為分散型布置，無法全面反映隧洞可能發(fā)生的破壞情況，而工程檢測(cè)檢修是工程安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障，故每年對(duì)穿黃隧洞開展全面檢測(cè)檢修是必要的。工程檢測(cè)檢修可以達(dá)到對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)破損破壞、裂縫、錯(cuò)位、滲漏、淤積、結(jié)垢等情況及時(shí)掌控、修復(fù)的目的，以保障工程安全、調(diào)水安全。目前國(guó)內(nèi)大埋深有壓隧洞工程的檢測(cè)檢修研究開展較少，筆者在已開展的工程監(jiān)測(cè)和檢測(cè)基礎(chǔ)上，對(duì)檢測(cè)檢修方法進(jìn)行了研究探討，對(duì)檢測(cè)實(shí)踐進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況及運(yùn)行情況

1.1 工程概況

穿黃河工程是南水北調(diào)東線的關(guān)鍵性、控制性項(xiàng)目，工程任務(wù)是調(diào)引長(zhǎng)江水從黃河南岸輸送至北岸，向黃河以北地區(qū)供水，工程設(shè)計(jì)年輸水量為4.42億m3。工程從東平湖引水，經(jīng)南岸輸水渠段、穿黃樞紐段、北岸穿引黃渠埋涵段，入魯北輸水干渠，自東平湖出湖閘至黃河北岸出口閘總長(zhǎng)7.87km，其中穿黃樞紐段包括子路堤埋管進(jìn)口檢修閘、灘地埋管、穿黃隧洞，穿黃隧洞總長(zhǎng)度585.38m，進(jìn)、出口高程均為27.3m，進(jìn)、出口埋管長(zhǎng)度分別為31.42m和29.93m，隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圓形斷面，內(nèi)徑7.5m，全洞固結(jié)灌漿。穿黃隧洞典型橫斷面圖如圖1所示[1]。

圖1 穿黃隧洞典型橫斷面圖

1.2 工程運(yùn)行情況

穿黃河工程于2007年7月28開工，2011年11月底全部主體工程完工，2013年6月10日試通水，2013年11月15日正式通水，迄今已安全運(yùn)行近6年。穿黃隧洞設(shè)計(jì)輸水能力為100m3/s，一期輸水量一般在50m3/s以下。

1.3 工程監(jiān)測(cè)開展情況

穿黃隧洞工程建設(shè)時(shí)共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，用于施工、運(yùn)行期的日常監(jiān)測(cè)。其中一個(gè)斷面用于施工期監(jiān)測(cè)；另外三個(gè)斷面用于運(yùn)行期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍巖變形、圍巖壓力、接縫開合度、外水壓力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、錨桿應(yīng)力等。三個(gè)斷面共埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、滲壓計(jì)、壓力計(jì)、測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力共計(jì)76支，截至目前，60支運(yùn)行良好。

2 檢測(cè)方案探討

每年對(duì)穿黃隧洞開展一次全面檢測(cè)，對(duì)于年度全面檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的一般問題，或進(jìn)、出口檢修閘水位與流量出現(xiàn)差值；測(cè)縫儀、應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值發(fā)生突變；出口閘出口水質(zhì)、濁度發(fā)生變化時(shí)，可根據(jù)需要盡快開展專項(xiàng)檢測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于輸水隧洞采用的檢測(cè)方式可分為人工檢測(cè)和水下機(jī)器人檢測(cè)兩類[2]。

2.1 人工檢測(cè)方案研討

人工檢測(cè)是指隧洞排空檢測(cè)或潛水員潛入檢查。

(1)穿黃隧洞工程埋深較大，常年承受內(nèi)水壓力，經(jīng)過多年運(yùn)行，隧洞圍巖和護(hù)砌已達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，如每年的全面檢測(cè)都采用排空檢測(cè)，會(huì)改變壓力平衡狀態(tài)，為較不利工況，可能造成安全隱患，且工期長(zhǎng)，會(huì)影響南水北調(diào)工程的正常調(diào)水運(yùn)行，同時(shí)排水費(fèi)用過高，不經(jīng)濟(jì)。

(2)穿黃隧洞為圓形，且隧洞內(nèi)未布置照明設(shè)施，能見度低，運(yùn)行至今，洞壁必然有淤泥或水生物附著，底板濕滑，行走困難，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件較差，惡劣的水文條件會(huì)對(duì)潛水員的生命安全造成威脅，存在人員安全隱患。而潛水員水下檢測(cè)效率低，不能對(duì)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測(cè)，再加上潛水員可能不具備專業(yè)背景，檢測(cè)結(jié)果可靠性差[3]。

因此，無論隧洞排空還是人工潛入檢測(cè)都費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，動(dòng)用人力資源大，且精度受控于逐一測(cè)量時(shí)的精度，又因環(huán)節(jié)多，不易控制整體檢測(cè)質(zhì)量，都不適合每年一次的全面檢測(cè)和時(shí)間緊迫的專項(xiàng)檢測(cè)。

2.2 水下機(jī)器人檢測(cè)方案

水下機(jī)器人可搭載相關(guān)設(shè)備完成水下檢測(cè)項(xiàng)目，如高分辨率紅外熱成像儀、高精度三維激光掃描儀、輔以測(cè)距儀定位、數(shù)字地質(zhì)雷達(dá)等。水下機(jī)器人檢測(cè)具有檢測(cè)工期短、速度快、數(shù)據(jù)采樣率高、數(shù)字化等特點(diǎn)，操作靈活、檢測(cè)費(fèi)用低、對(duì)建筑物完全無損的特點(diǎn)，可應(yīng)用于定期年度檢測(cè)和專項(xiàng)檢測(cè)[4- 7]。

3 檢修方案研究

對(duì)于年度全面檢測(cè)或?qū)ｍ?xiàng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的較為嚴(yán)重的破損，不及時(shí)檢修將影響到工程安全和正常運(yùn)行，需要實(shí)施排空檢修。穿黃隧洞總長(zhǎng)585.38m，南岸為豎井，北岸為斜井，穿黃隧洞與灘地埋管連接段有檢查孔2孔，隧洞出口閘有通氣孔2孔，孔徑均為2.0m×2.0m方形，可用于排空檢修的工作通道。

3.1 檢修項(xiàng)目

根據(jù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況，所處地形地質(zhì)環(huán)境，以及前期運(yùn)行、檢查情況，依據(jù)SL 713—2015《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》、CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》，穿黃隧洞檢測(cè)檢修項(xiàng)目擬定為結(jié)構(gòu)破損破壞、裂縫、斷裂、淤積、結(jié)垢等[8]。

3.2 檢修中缺陷處理技術(shù)方案[9- 11]

(1)結(jié)構(gòu)混凝土發(fā)生掉塊、斷裂、坍塌等結(jié)構(gòu)破損破壞時(shí)，要對(duì)破損破壞部位進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于掉塊體積小、鋼筋尚未暴露的局部掉塊處，采用環(huán)氧砂漿處理；對(duì)于掉塊體積較大、鋼筋外露處，需立?；謴?fù)結(jié)構(gòu)原輪廓。

(2)穿黃隧洞在斷層部位出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、滲漏或止水帶撕裂時(shí)，一般是結(jié)構(gòu)斷裂破壞。對(duì)于結(jié)構(gòu)失去承載功能的斷裂破壞，應(yīng)先在結(jié)構(gòu)斷裂部位利用洞壁原有固結(jié)灌漿孔進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后分析破壞原因。受壓破壞時(shí)，立模澆筑高標(biāo)號(hào)混凝土；受拉破壞的在受力筋上通長(zhǎng)焊接等直徑鋼筋，然后澆筑同標(biāo)號(hào)混凝土。

(3)結(jié)構(gòu)裂縫主要指超出限裂寬度但不影響結(jié)構(gòu)功能的裂縫，本項(xiàng)檢修工作主要是充填裂縫以恢復(fù)鋼筋保護(hù)層厚度。對(duì)于裂縫寬度大于0.25mm的采用環(huán)氧灌漿處理，環(huán)氧漿液灌漿壓力為0.3～0.4MPa，然后在縱向縫及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)均勻涂抹2mm厚露環(huán)氧膠泥。

(4)泥沙淤積、雜物沉積、結(jié)構(gòu)情況。泥沙淤積采用高壓水槍沖洗、聚集，然后采用泥漿泵排出；雜物沉積采用人工清理、運(yùn)出；結(jié)垢部位采用高壓水槍沖洗、破裂，再采用人工清理，運(yùn)出。

檢修過程中需加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)，并及時(shí)整理、全面分析評(píng)價(jià)，排空檢修時(shí)，可采用全站儀人工觀測(cè)隧洞放空后及充水前的收斂變形。

4 實(shí)例分析

2015年11月，運(yùn)行管理單位委托山東省水利科學(xué)研究院對(duì)穿黃隧洞進(jìn)行了檢測(cè)。此次檢測(cè)采用水下攝像和水下聲吶相結(jié)合的方式，利用水下機(jī)器人對(duì)穿黃隧洞及灘地埋管工程的管壁、洞壁、伸縮縫、穿黃隧洞斷層等部位進(jìn)行了拍照和掃描，查明了穿黃隧洞內(nèi)部現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況。

4.1 檢測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備

檢測(cè)項(xiàng)目主要包括水下工程運(yùn)行狀況、伸縮縫運(yùn)行狀態(tài)、隧洞淤積情況、沉積物及其他外來物、洞壁情況、洞體完整性判別等。

檢測(cè)設(shè)備平臺(tái)為水下機(jī)器人、電腦及高壓供電控制箱、1300m零浮力光纖電纜及線架、發(fā)電系統(tǒng)等，搭載檢測(cè)系統(tǒng)為水下聲吶檢測(cè)和高清水下攝像系統(tǒng)。

4.2 檢測(cè)方法

水下機(jī)器人下潛至管道貼壁行走、拍攝。在拍攝過程中攝像和聲吶測(cè)速，水下機(jī)器人自檢測(cè)起始點(diǎn)計(jì)數(shù)器歸零，根據(jù)電纜標(biāo)記長(zhǎng)度對(duì)計(jì)數(shù)器顯示修正。機(jī)器人和攝像機(jī)保持行走定焦、變焦靜止?fàn)顟B(tài)。發(fā)現(xiàn)缺陷和問題時(shí)，在該位置停留至少5s，確保圖像清晰?，F(xiàn)場(chǎng)記錄各種缺陷、特殊結(jié)構(gòu)的詳細(xì)判斷和量測(cè)。對(duì)影像和聲吶資料進(jìn)行內(nèi)業(yè)分析，做出檢測(cè)部位是否存在結(jié)構(gòu)性或功能性缺陷的結(jié)論。

4.3 檢測(cè)結(jié)論

此次檢測(cè)查明了穿黃隧洞的實(shí)際運(yùn)行狀況，穿黃隧洞工程和運(yùn)行狀況良好，未發(fā)現(xiàn)工程隱患問題，但存在個(gè)別伸縮縫局部位置密封膠脫落、混凝土細(xì)微結(jié)垢、2cm內(nèi)軟質(zhì)淤積的缺陷，建議開展水下年檢或重點(diǎn)檢測(cè)，加強(qiáng)觀測(cè)混凝土結(jié)垢、隧洞淤積現(xiàn)象。穿黃隧洞平洞段伸縮縫影像如圖2所示，穿黃隧洞底部淤積影像、聲吶掃描圖如圖3所示，穿黃隧洞異物入侵影像如圖4所示[5]。

圖2 穿黃隧洞平洞段伸縮縫影像

圖3 穿黃隧洞底部淤積影像、聲吶掃描圖

圖4 穿黃隧洞異物入侵影像

4.4 分析

2015年水下機(jī)器人及其搭載設(shè)備具備了完成全部水下檢測(cè)項(xiàng)目的能力，對(duì)于每年進(jìn)行一次的全面檢測(cè)的要求，如果水下機(jī)器人更輕便、靈活、耐久，搭載設(shè)備更先進(jìn)、精密、全面，必然能夠滿足全面檢測(cè)和專項(xiàng)檢測(cè)省時(shí)、快速、采樣率高、數(shù)字化的要求。

5 結(jié)論

綜上所述，南水北調(diào)穿黃河隧洞工程檢測(cè)檢修方式可采用水下機(jī)器人檢測(cè)和排空檢修兩種方式。水下機(jī)器人檢測(cè)因其成本低、見效快，適用于每年一次的全面檢測(cè)和時(shí)間要求較緊迫的專項(xiàng)檢測(cè)；排空檢修雖然耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，但當(dāng)全面檢測(cè)和專項(xiàng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重問題時(shí)，必須進(jìn)行排空檢修。