南水北调东线穿黄河隧洞工程检测检修方案研究

刘晓娜，窦常青，洪 松

(1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250014；2.山东易方达建设项目管理有限公司，山东 济南 250041；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

南水北调东线一期穿黄河工程是南水北调东线一期工程的重要组成部分，穿黄隧洞工程是该工程的关键性、控制性项目。

穿黄隧洞位于黄河主河道下近70m岩层，自2013年通水至今已运行6年，常年处于满水状态，检测检修存在较大困难。随着穿黄隧洞工程运行时间的延长，必然会出现一些工程缺陷，如未能及时发现，让隧洞带病运行，会导致问题逐年累积，严重时可能会危害隧洞的整体性和稳定性，使隧洞的安全运行受到严重威胁。工程虽然自建成以来一直开展工程监测工作，但工程监测断面为分散型布置，无法全面反映隧洞可能发生的破坏情况，而工程检测检修是工程安全平稳运行的重要保障，故每年对穿黄隧洞开展全面检测检修是必要的。工程检测检修可以达到对输水隧洞结构破损破坏、裂缝、错位、渗漏、淤积、结垢等情况及时掌控、修复的目的，以保障工程安全、调水安全。目前国内大埋深有压隧洞工程的检测检修研究开展较少，笔者在已开展的工程监测和检测基础上，对检测检修方法进行了研究探讨，对检测实践进行了经验总结。

1 工程概况及运行情况

1.1 工程概况

穿黄河工程是南水北调东线的关键性、控制性项目，工程任务是调引长江水从黄河南岸输送至北岸，向黄河以北地区供水，工程设计年输水量为4.42亿m3。工程从东平湖引水，经南岸输水渠段、穿黄枢纽段、北岸穿引黄渠埋涵段，入鲁北输水干渠，自东平湖出湖闸至黄河北岸出口闸总长7.87km，其中穿黄枢纽段包括子路堤埋管进口检修闸、滩地埋管、穿黄隧洞，穿黄隧洞总长度585.38m，进、出口高程均为27.3m，进、出口埋管长度分别为31.42m和29.93m，隧洞衬砌采用钢筋混凝土结构，圆形断面，内径7.5m，全洞固结灌浆。穿黄隧洞典型横断面图如图1所示[1]。

图1 穿黄隧洞典型横断面图

1.2 工程运行情况

穿黄河工程于2007年7月28开工，2011年11月底全部主体工程完工，2013年6月10日试通水，2013年11月15日正式通水，迄今已安全运行近6年。穿黄隧洞设计输水能力为100m3/s，一期输水量一般在50m3/s以下。

1.3 工程监测开展情况

穿黄隧洞工程建设时共布设4个监测断面，用于施工、运行期的日常监测。其中一个断面用于施工期监测；另外三个断面用于运行期监测。监测项目包括围岩变形、围岩压力、接缝开合度、外水压力、混凝土应力应变、锚杆应力等。三个断面共埋设多点位移计、渗压计、压力计、测缝计、钢筋计、应变计、无应力计、锚杆应力共计76支，截至目前，60支运行良好。

2 检测方案探讨

每年对穿黄隧洞开展一次全面检测，对于年度全面检测中发现的一般问题，或进、出口检修闸水位与流量出现差值；测缝仪、应力计等监测仪器测值发生突变；出口闸出口水质、浊度发生变化时，可根据需要尽快开展专项检测。

目前国内对于输水隧洞采用的检测方式可分为人工检测和水下机器人检测两类[2]。

2.1 人工检测方案研讨

人工检测是指隧洞排空检测或潜水员潜入检查。

(1)穿黄隧洞工程埋深较大，常年承受内水压力，经过多年运行，隧洞围岩和护砌已达到相对平衡状态，如每年的全面检测都采用排空检测，会改变压力平衡状态，为较不利工况，可能造成安全隐患，且工期长，会影响南水北调工程的正常调水运行，同时排水费用过高，不经济。

(2)穿黄隧洞为圆形，且隧洞内未布置照明设施，能见度低，运行至今，洞壁必然有淤泥或水生物附着，底板湿滑，行走困难，检测现场条件较差，恶劣的水文条件会对潜水员的生命安全造成威胁，存在人员安全隐患。而潜水员水下检测效率低，不能对水下结构进行全面检测，再加上潜水员可能不具备专业背景，检测结果可靠性差[3]。

因此，无论隧洞排空还是人工潜入检测都费时、费力，动用人力资源大，且精度受控于逐一测量时的精度，又因环节多，不易控制整体检测质量，都不适合每年一次的全面检测和时间紧迫的专项检测。

2.2 水下机器人检测方案

水下机器人可搭载相关设备完成水下检测项目，如高分辨率红外热成像仪、高精度三维激光扫描仪、辅以测距仪定位、数字地质雷达等。水下机器人检测具有检测工期短、速度快、数据采样率高、数字化等特点，操作灵活、检测费用低、对建筑物完全无损的特点，可应用于定期年度检测和专项检测[4- 7]。

3 检修方案研究

对于年度全面检测或专项检测发现的较为严重的破损，不及时检修将影响到工程安全和正常运行，需要实施排空检修。穿黄隧洞总长585.38m，南岸为竖井，北岸为斜井，穿黄隧洞与滩地埋管连接段有检查孔2孔，隧洞出口闸有通气孔2孔，孔径均为2.0m×2.0m方形，可用于排空检修的工作通道。

3.1 检修项目

根据设计、运行工况，所处地形地质环境，以及前期运行、检查情况，依据SL 713—2015《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》、CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》，穿黄隧洞检测检修项目拟定为结构破损破坏、裂缝、断裂、淤积、结垢等[8]。

3.2 检修中缺陷处理技术方案[9- 11]

(1)结构混凝土发生掉块、断裂、坍塌等结构破损破坏时，要对破损破坏部位进行修复。对于掉块体积小、钢筋尚未暴露的局部掉块处，采用环氧砂浆处理；对于掉块体积较大、钢筋外露处，需立模恢复结构原轮廓。

(2)穿黄隧洞在断层部位出现错台、渗漏或止水带撕裂时，一般是结构断裂破坏。对于结构失去承载功能的断裂破坏，应先在结构断裂部位利用洞壁原有固结灌浆孔进行固结灌浆，然后分析破坏原因。受压破坏时，立模浇筑高标号混凝土；受拉破坏的在受力筋上通长焊接等直径钢筋，然后浇筑同标号混凝土。

(3)结构裂缝主要指超出限裂宽度但不影响结构功能的裂缝，本项检修工作主要是充填裂缝以恢复钢筋保护层厚度。对于裂缝宽度大于0.25mm的采用环氧灌浆处理，环氧浆液灌浆压力为0.3～0.4MPa，然后在纵向缝及其两侧一定范围内均匀涂抹2mm厚露环氧胶泥。

(4)泥沙淤积、杂物沉积、结构情况。泥沙淤积采用高压水枪冲洗、聚集，然后采用泥浆泵排出；杂物沉积采用人工清理、运出；结垢部位采用高压水枪冲洗、破裂，再采用人工清理，运出。

检修过程中需加强安全监测，并及时整理、全面分析评价，排空检修时，可采用全站仪人工观测隧洞放空后及充水前的收敛变形。

4 实例分析

2015年11月，运行管理单位委托山东省水利科学研究院对穿黄隧洞进行了检测。此次检测采用水下摄像和水下声呐相结合的方式，利用水下机器人对穿黄隧洞及滩地埋管工程的管壁、洞壁、伸缩缝、穿黄隧洞断层等部位进行了拍照和扫描，查明了穿黄隧洞内部现实运行情况。

4.1 检测项目及设备

检测项目主要包括水下工程运行状况、伸缩缝运行状态、隧洞淤积情况、沉积物及其他外来物、洞壁情况、洞体完整性判别等。

检测设备平台为水下机器人、电脑及高压供电控制箱、1300m零浮力光纤电缆及线架、发电系统等，搭载检测系统为水下声呐检测和高清水下摄像系统。

4.2 检测方法

水下机器人下潜至管道贴壁行走、拍摄。在拍摄过程中摄像和声呐测速，水下机器人自检测起始点计数器归零，根据电缆标记长度对计数器显示修正。机器人和摄像机保持行走定焦、变焦静止状态。发现缺陷和问题时，在该位置停留至少5s，确保图像清晰。现场记录各种缺陷、特殊结构的详细判断和量测。对影像和声呐资料进行内业分析，做出检测部位是否存在结构性或功能性缺陷的结论。

4.3 检测结论

此次检测查明了穿黄隧洞的实际运行状况，穿黄隧洞工程和运行状况良好，未发现工程隐患问题，但存在个别伸缩缝局部位置密封胶脱落、混凝土细微结垢、2cm内软质淤积的缺陷，建议开展水下年检或重点检测，加强观测混凝土结垢、隧洞淤积现象。穿黄隧洞平洞段伸缩缝影像如图2所示，穿黄隧洞底部淤积影像、声呐扫描图如图3所示，穿黄隧洞异物入侵影像如图4所示[5]。

图2 穿黄隧洞平洞段伸缩缝影像

图3 穿黄隧洞底部淤积影像、声呐扫描图

图4 穿黄隧洞异物入侵影像

4.4 分析

2015年水下机器人及其搭载设备具备了完成全部水下检测项目的能力，对于每年进行一次的全面检测的要求，如果水下机器人更轻便、灵活、耐久，搭载设备更先进、精密、全面，必然能够满足全面检测和专项检测省时、快速、采样率高、数字化的要求。

5 结论

综上所述，南水北调穿黄河隧洞工程检测检修方式可采用水下机器人检测和排空检修两种方式。水下机器人检测因其成本低、见效快，适用于每年一次的全面检测和时间要求较紧迫的专项检测；排空检修虽然耗时长，成本高，但当全面检测和专项检测发现严重问题时，必须进行排空检修。