CN117128869A - 高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统及方法。所述监测系统包括含诱导缝的钢筋混凝土衬砌、环形带孔塑料板和固结灌浆圈。固结灌浆圈位于环形带孔塑料板的外侧，与高压隧洞围岩紧密结合，环形带孔塑料板位于固结灌浆圈和含诱导缝的钢筋混凝土衬砌之间。本发明通过含诱导缝的钢筋混凝土衬砌和环形带孔塑料板，引导高压隧洞钢筋混凝土衬砌在预定位置即诱导缝处开裂，并通过布置在诱导缝附近的测缝仪，监测在高内水作用下衬砌裂缝的开裂宽度值。本发明可实时有效地监测隧洞从充水‑运行‑排空全工况衬砌裂缝的开裂宽度及开裂全过程，为高压隧洞钢筋混凝土衬砌的限裂优化设计和现行规范修订提供科学准确的参考。

Description

高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种实时监测高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度的监测系统及方法。本发明属于高压水工隧洞施工监理技术领域。

背景技术

高压水工隧洞作为抽水蓄能电站重要的引水系统，其运行过程中要承受高水头压力作用，工作压力水头普遍超过500m，故，高压水工隧洞衬砌结构的选型与设计是工程建设的关键。目前，高压水工隧洞设计中采用的衬砌型式主要有两种：一种是钢板衬砌，另一种是钢筋混凝土衬砌，相比钢板衬砌而言，钢筋混凝土衬砌是高压隧洞设计中优选的衬砌结构型式，其不仅具有施工方便和工期短的特点，还兼具技术性和经济性的优势。目前在我国华南地区，高压隧洞普遍采用钢筋混凝土衬砌设计，给工程建设带来了巨大的经济效益。

但是，在大量的工程实践中发现，在高水头作用下，高压隧洞钢筋混凝土衬砌不可避免地普遍出现开裂透水现象，因此，工程中为了减小隧洞渗漏量以满足工程正常极限使用状态，需要对高压隧洞钢筋混凝土衬砌采用限裂设计，即允许衬砌开裂，但需限制衬砌裂缝的开裂宽度。目前，我国现行《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)中，规定衬砌裂缝允许的开裂宽度为0.25mm～0.30mm。但从部分工程实测结果来看，高压水工隧洞放空后实测的裂缝宽度值均远超规范允许值，甚至个别工程放空后实测的衬砌裂缝宽度达到了2mm，而工程仍可正常安全运行，说明现行规范中规定的衬砌裂缝宽度范围值是不合理的，其值偏小。

因此，准确了解高压水工隧洞运行期高内水作用下衬砌裂缝的真实开裂宽度，为制定合理的衬砌裂缝控制标准，指导高压隧洞科学合理的设计具有重要工程意义和应用价值。

然而，由于工程实际中受围岩复杂地质条件和地应力分布以及施工质量的影响，在高内水作用下高压隧洞钢筋混凝土衬砌的开裂具有很大的随机性，导致实际中很难提前准确预判衬砌的开裂位置，因无法提前预判开裂位置也就无法布设用于监测的仪器来获得衬砌裂缝的开裂宽度，因此，目前工程只能在隧洞排水放空后来测量裂缝的宽度，即无内水压力作用下衬砌裂缝的开裂宽度，而并非充水运行期高内水作用下衬砌裂缝的开裂宽度，测量的开裂宽度对工程设计参考意义不大！

发明内容

鉴于上述原因，本发明的主要目的是提供一种实时监测高压隧洞在充水-运行-放空全工况内，在高内水作用下隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂的真实宽度值及开裂全过程。

本发明的另一目的是提供一种实施高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度实时监测的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，它包括含诱导缝的钢筋混凝土衬砌、环形带孔塑料板和固结灌浆圈；

所述固结灌浆圈位于所述环形带孔塑料板的外侧，与高压隧洞围岩紧密结合，其渗水系数小于高压隧洞围岩的渗水系数；所述环形带孔塑料板位于所述固结灌浆圈和含诱导缝的钢筋混凝土衬砌之间，在所述固结灌浆圈和钢筋混凝土衬砌之间形成一环向接触缝隙；

所述含诱导缝的钢筋混凝土衬砌上有且只有一条诱导缝，该诱导缝沿高压隧洞轴向布设；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，该诱导缝布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，该诱导缝布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部；在所述诱导缝的附近布设有至少两组测缝仪。

进一步地，所述含诱导缝的钢筋混凝土衬砌内埋设有内层钢筋网、外层钢筋网、一条长条状铁板；所述外层钢筋网靠近所述环形带孔塑料板，所述长条状铁板沿高压隧洞轴向布设在所述内层、外层钢筋网之间且更靠近所述内层钢筋网，所述内层钢筋网的环向钢筋穿过所述长条状铁板，与所述长条状铁板固连，所述外层钢筋网与所述长条状铁板不接触；所述长条状铁板起到辅助制作所述钢筋混凝土衬砌诱导缝的作用，引导钢筋混凝土衬砌将来只从所述诱导缝处开裂；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，所述长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，所述长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部。

进一步地，所述长条状铁板的宽度w和长度h满足如下公式：

式中：w和h分别为长条状铁板的宽度和长度；L为选取的高压隧洞监测段长度；l为诱导缝深度；

所述诱导缝的深度l应满足如下关系：

αd＜l＜β(d-l_g) (2)

式中：α为诱导缝最小长度系数，取0.05；d为混凝土衬砌厚度；l为诱导缝深度；β为高压灌浆灌浆压力下的安全系数，取1.2；l_g为固结灌浆压力下避免衬砌开裂的最小衬砌厚度，l_g可由如下公式计算：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径；P_g为高压灌浆灌浆压力值；[σ_t]为混凝土衬砌的抗拉强度。

进一步地，在预形成的所述诱导缝处选取至少两个监测断面；在所述长条状铁板上对应每个监测断面处固设有一组所述测缝仪，每组测缝仪中的一支垂直穿过长条状铁板，另一支测缝仪包裹在所述长条状铁板附近混凝土衬砌内；在浇筑混凝土衬砌时，预留出线孔，将所述测缝仪的数据传输电缆引出至高压隧洞内，待电缆引出后用混凝土砂浆封堵出线孔周围缝隙。

进一步地，所述环形带孔塑料板的表面开有若干个的圆孔，所述圆孔孔径为2～3mm；环形带孔塑料板长度大于等于选取的高压隧洞被监测洞段的长度，壁厚2～3mm。

进一步地，所述固结灌浆圈的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍；其长度大于等于选取的高压隧洞被监测洞段的长度。

本发明公开的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测方法，包括如下步骤：

S1、选择监测洞段，根据地应力场类型确定钢筋混凝土衬砌诱导缝的布设位置；

若被监测洞段应力场分布类型属于自重应力场，则钢筋混凝土衬砌诱导缝布设位置为衬砌顶部；若被监测洞段应力场分布类型属于构造应力场，则钢筋混凝土衬砌诱导缝布设位置为衬砌左侧或右侧腰部；

S2、确定现场监测断面；

垂直于诱导缝设置至少两个监测断面；

S3、铺设环形带孔塑料板，使其紧贴隧洞洞壁；

S4、根据诱导缝的布设位置及现场监测断面位置，铺设内外层钢筋网、长条状铁板和测缝仪；

外层钢筋网靠近环形带孔塑料板，长条状铁板沿高压隧洞轴向布设在内层、外层钢筋网之间且更靠近内层钢筋网，内层钢筋网的环向钢筋穿过长条状铁板，与长条状铁板固连，外层钢筋网与长条状铁板不接触；

当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部；

长条状铁板的宽度w和长度h满足如下公式：

式中：w和h分别为长条状铁板的宽度和长度；L为选取的高压隧洞监测段长度；l为诱导缝深度；

所述诱导缝的深度l应满足如下关系：

αd＜l＜β(d-l_g) (2)

式中：α为诱导缝最小长度系数，取0.05；d为混凝土衬砌厚度；l为诱导缝深度；β为高压灌浆灌浆压力下的安全系数，取1.2；l_g为固结灌浆压力下避免衬砌开裂的最小衬砌厚度，l_g可由如下公式计算：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径；P_g为高压灌浆灌浆压力值；[σ_t]为混凝土衬砌的抗拉强度；

在长条状铁板上对应步骤S2确定的每个监测断面处固设有一组测缝仪，每组测缝仪中的一支垂直穿过长条状铁板，另一支测缝仪包裹在长条状铁板附近混凝土衬砌内；

在浇筑混凝土衬砌时，预留出线孔，将测缝仪的数据传输电缆引出至高压隧洞内，待电缆引出后将混凝土砂浆封堵出线孔周围缝隙；

S5、浇筑混凝土衬砌形成含诱导缝的钢筋混凝土衬砌，待养护完成后，进行高压固结灌浆形成固结灌浆圈；

待钢筋混凝土衬砌成形、养护完成后，垂直衬砌内壁向隧洞围岩内钻设若干灌浆孔，往灌浆孔内灌注混凝土砂浆形成固结灌浆圈；

固结灌浆圈的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍；

S6、往高压隧洞内充水，高压隧洞充水运行，通过测缝仪实时监测高压隧洞充水-运行-放空全过程中衬砌诱导缝的开裂宽度，绘制裂缝宽度变化曲线。

进一步地，所述监测洞段的长度为两段衬砌施工缝的间距，优选6m≤L≤12m；所述环形带孔塑料板和固结灌浆圈的长度大于等于所述监测洞段的长度。

进一步地，所述钢筋混凝土衬砌内的内层钢筋网为半径r₁的环形柱状，其长度为被监测洞段的长度L，外层钢筋网为半径r₂的环形柱状，其长度为被监测洞段的长度L，r₁与r2由下式确定：

式中：r₁为内层钢筋网半径；r₂为外层钢筋网半径；R₁为钢筋混凝土衬砌内壁半径；l为诱导缝深度；d为钢筋混凝土衬砌厚度。

进一步地，所述穿过长条状铁板的测缝仪和包裹在混凝土衬砌内的测缝仪距混凝土衬砌内壁的距离d₁、d₂分别为：

式中：d₁为穿过长条状铁板的测缝仪距离混凝土衬砌内壁的距离；d₂为包裹在混凝土衬砌内的测缝仪距离混凝土衬砌内壁的距离；l为诱导缝深；d为钢筋混凝土衬砌厚度。

本发明的优点：

1、本发明通过在钢筋混凝土衬砌内预先设置诱导缝引导衬砌在预定位置开裂，并通过布置在预定位置的监测仪器，获得高压隧洞从充水-运行-排水放空全工况内衬砌裂缝的开裂宽度及衬砌裂缝的动态演化过程，测量数据准确，具有代表性，为高压隧洞钢筋混凝土衬砌的限裂优化设计和现行规范修订提供参考。

2、本发明通过在钢筋混凝土衬砌内预设诱导缝，使衬砌在预定的诱导缝位置开裂，因其他部位衬砌受力小于衬砌的抗拉强度，确保衬砌其他部位不会再产生新裂缝，从而，减少衬砌开裂的裂缝条数，确保快速准确地捕捉到高压隧洞钢筋混凝土衬砌的开裂位置，提高衬砌的整体性和安全性。

3、本发明通过对开裂位置钢筋进行防腐保护处理，有效降低水流冲刷对衬砌内钢筋的腐蚀，延长钢筋混凝土衬砌的使用年限。

附图说明

图1是本发明高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统布设示意图；

图2是图1的纵剖立体结构示意图；

图3是本发明高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统主视图；

图4是图3的纵剖结构示意图；

图5是本发明双层钢筋网及长条状铁板布设方案一示意图；

图6是本发明双层钢筋网及长条状铁板布设方案二示意图；

图7是本发明双层钢筋网、长条状铁板及衬砌位置关系环向示意图；

图8是本发明双层钢筋网、长条状铁板及衬砌位置关系轴向示意图；

图9是本发明长条状铁板及监测仪器布设结构示意图；

图10是本发明环形带孔塑料板结构示意图；

图11是本发明环形带孔塑料板工作原理图；

图12是无诱导缝衬砌受力示意图；

图13是含诱导缝衬砌诱导缝裂纹尖端受力示意图；

图14A是本发明钢筋混凝土衬砌受内外压主视示意图；

图14B是本发明钢筋混凝土衬砌受内外压侧视示意图；

图15是本发明诱导缝I型裂纹尖端应力受力分析图；

图16是自重应力场与诱导缝布置关系示意图；

图17是构造应力场与诱导缝布置关系示意图；

图18是本发明衬砌内各组成部分尺寸及布置图；

图19是本发明衬砌承受灌浆压力下的受力示意图。

其中，1、含诱导缝的钢筋混凝土衬砌，11、内层钢筋网，12、外层钢筋网，13、长条状铁板，14、测缝仪，15、裂缝，16-裂纹尖端；2、环形带孔塑料板，21-梅花孔；3、固结灌浆圈；4、高压隧洞围岩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图1-图4所示，本发明公开的用于实时监测高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度的监测系统包括含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1、环形带孔塑料板2和固结灌浆圈3。固结灌浆圈3位于环形带孔塑料板2的外侧，与高压隧洞围岩4紧密结合，环形带孔塑料板2位于固结灌浆圈3和含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1之间。

当隧洞开挖成形后，紧贴隧洞内壁铺设一圈环形带孔塑料板2(如图10所示)，然后，浇筑含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1，待钢筋混凝土衬砌1成形后，垂直洞壁向围岩4内钻设若干灌浆孔，往灌浆孔内灌注混凝土砂浆，砂浆沿灌浆孔填充围岩内的缝隙形成固结灌浆圈3。通常，固结灌浆圈3的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍。

本发明通过含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1和环形带孔塑料板2，引导高压隧洞钢筋混凝土衬砌在预定位置开裂，并通过布置在诱导缝附近的测缝仪，监测在高内水作用下钢筋混凝土衬砌裂缝的开裂宽度值及开裂全过程，为高压隧洞钢筋混凝土衬砌的限裂优化设计和现行规范修订提供科学准确的参考。

本发明含诱导缝的钢筋混凝土衬砌上有且只有一条诱导缝，如图1-图9所示，钢筋混凝土衬砌1内埋设有内层钢筋网11、外层钢筋网12、一条长条状铁板13和若干个测缝仪14。外层钢筋网12靠近环形带孔塑料板2，长条状铁板13沿隧洞轴向布设在内层、外层钢筋网之间，内层钢筋网11的环向钢筋穿过长条状铁板13，与长条状铁板13固连，外层钢筋网12与长条状铁板13不接触。长条状铁板13用于在混凝土衬砌浇筑凝固过程中辅助形成诱导缝，引导衬砌将来只从该诱导缝处开裂。为不影响衬砌诱导缝的产生，建议内层钢筋网与长条状铁板相连部分不铺设纵向钢筋，只布设环向钢筋。

长条状铁板13沿隧洞轴向布置，靠近混凝土衬砌1内壁一侧，起到辅助制作钢筋混凝土衬砌结构中的诱导缝的作用。长条状铁板的布设位置根据隧洞地应力场类型而确定，布设在隧洞衬砌顶部(如图2、图4、图5所示)，或衬砌腰部两侧(如图6所示)。

本发明通过埋设在钢筋混凝土衬砌内的长条状铁板13引导钢筋混凝土衬砌在预定位置开裂。如图2、图4、图9所示，长条状铁板13的宽度w和长度h满足如下公式：

式中：w和h分别为长条状铁板的宽度和长度；L为选取的高压隧洞监测段长度；l为诱导缝深度。

诱导缝的深度l应满足如下关系：

αd＜l＜β(d-l_g) (2)

式中：α为诱导缝最小长度系数，取0.05；d为混凝土衬砌厚度；l为诱导缝深度；β为高压灌浆灌浆压力下的安全系数，取1.2；l_g为固结灌浆压力下避免衬砌开裂的最小衬砌厚度，l_g可由如下公式计算：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径(参见图18)；P_g为高压灌浆灌浆压力值；[σ_t]为混凝土衬砌的抗拉强度。钢筋混凝土衬砌1承受灌浆压力P_g下的受力示意图如图19所示。

长条状铁板的长度h等于选取的监测洞段的长度，建议优选6m≤h≤12m。

为了能够实时准确地测量在高内水作用下，整个充排水过程中衬砌裂缝(即诱导缝位置处)的开裂宽度，需要在形成的诱导缝处选取至少两个监测断面，如图1-图4中的监测断面A-A和B-B。如图9所示，本发明在长条状铁板13上对应每个监测断面固设有一组测缝仪，其中，测缝仪141和143垂直穿过长条状铁板13，另一支测缝仪142和144包裹在混凝土衬砌内；在浇筑混凝土衬砌时，预留出线孔，将测缝仪的数据传输电缆引出至高压隧洞内，以便后续进行数据采集。

如图1-图4所示，本发明在钢筋混凝土衬砌1与隧洞周围围岩4之间设有一圈固结灌浆圈3，该固结灌浆圈通过对高压隧洞周围一定深度内的岩体(简称围岩)进行高压灌浆，填充岩体内部裂隙而形成的一环向封堵圈。固结灌浆圈3的透水性比固结灌浆圈外的围岩的透水性小，其主要作用是：1、减小钢筋混凝土衬砌开裂后隧洞内的水流向围岩中；2、减少高压隧洞周围山体内部地下水的高外水压力对高压隧洞内部衬砌等支护结构造成的不良影响。由于固结灌浆圈具有较小的渗透系数，当衬砌开裂后可以将固结灌浆圈作为一层隔水层，防止隧洞内的高内水透过衬砌后沿着高压隧洞周围岩体裂隙大量的流入周围山体中，影响周围山体地下水水位。

如图1-图4、图10所示，本发明在钢筋混凝土衬砌1和固结灌浆圈3之间还设有一环形带孔塑料板2，环形带孔塑料板2的表面开有大量孔径为2～3mm的圆孔21，圆孔21可以规则排布(如呈梅花型排布)，也可以非规则排布。环形带孔塑料板长度大于等于选取的高压隧洞被监测段长度，壁厚2～3mm。由于环形带孔塑料板的材质为塑料，故，其既可以将隧洞钢筋混凝土衬砌与周围岩体物理隔离，又因为有大量梅花孔分布在其表面，使其具有快速导水功能。本发明环形带孔塑料板的作用是将含诱导缝钢筋混凝土衬砌1与固结灌浆圈3隔离开，在两者之间形成一个环向接触缝隙。在钢筋混凝土衬砌开裂后引导水流快速充满衬砌与灌浆圈间的环向接触缝隙，使钢筋混凝土衬砌处于受压状态不会再产生新的裂缝。

如图11所示，在高压隧洞充水运行期间，当含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1开裂后，高压隧洞内的高内水沿着钢筋混凝土衬砌开裂的裂缝15流出高压隧洞，经环形带孔塑料板2进入到钢筋混凝土衬砌1与固结灌浆圈3之间的环向接触缝隙区域。由于固结灌浆圈具有较小的渗透系数，相当于一圈隔水层，阻隔了高内水的流出，高内水沿着环形带孔塑料板2快速充满整个钢筋混凝土衬砌1和固结灌浆圈3之间的环向接触缝隙，使钢筋混凝土衬砌1处于双向受压状态。

本发明含诱导缝的钢筋混凝土衬砌只在诱导缝处产生裂缝，不会在其它部位产生新的裂缝，从而实现本发明准确监测充排水过程中高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度的目的，其理论原理如下：

1)、含诱导缝的钢筋混凝土衬砌在高内水压力作用下，诱导缝尖端会顺着诱导缝进一步扩展直至贯通衬砌，最终形成一条完整的贯通裂缝。

如图12-图15所示，在钢筋混凝土衬砌1受内水压力P₁与外水压力P₂作用时，根据厚壁圆筒理论，假设无诱导缝存在(参见图12)，在内水压力P₁作用下，混凝土衬砌内部任意一点的环向应力σ_θ为：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径；d为混凝土衬砌厚度；P₁为高压隧洞内水压力；r表示衬砌内任意一点到衬砌横截面圆心的距离。

当存在诱导缝时(参见图13)，根据断裂力学理论，为了更好的描述裂纹尖端附近的应力大小，使用裂纹尖端应力强度因子来描述裂纹尖端16附近的应力水平，裂纹尖端应力强度因子的表达式一般为：

其中，K_α表示α型裂纹尖端应力强度因子，α表示裂纹类型；C_α表示α型裂纹的系数，与裂纹类型α相关；σ_θ表示衬砌内部的拉应力大小；l表示诱导缝深度。

因钢筋混凝土衬砌结构内部裂纹一般概化为Ⅰ型裂纹，故，对于本发明所述实施例α＝Ⅰ，根据断裂力学经典理论，优选的，C_Ⅰ＝1.1215，此时式(5)可进一步确定为下式：

其中，K_Ⅰ表示Ⅰ型裂纹尖端应力强度因子；σ_θ表示衬砌内部的拉应力大小；l表示诱导缝深度。

含诱导缝的钢筋混凝土衬砌在仅受内水压力P₁作用下存在大小为σ_θ的拉应力，当拉应力大于含诱导缝的钢筋混凝土衬砌1的抗拉强度[σ_t]时，含诱导缝的钢筋混凝土衬砌产生拉裂缝，即拉应力σ_θ符合下列条件时，会产生拉裂缝：

σ_θ≥[σ_t] (7)

对应的，对于钢筋混凝土衬砌结构内部裂纹所概化的Ⅰ型裂纹，定义Ⅰ型裂纹抗拉强度因子[K_Ⅰ]，[K_Ⅰ]由下式确定：

其中，[K_Ⅰ]表示Ⅰ型裂纹尖端应力抗拉强度因子，[σ_t]表示含诱导缝的钢筋混凝土衬砌的抗拉强度；l表示诱导缝深度。

如图15所示，裂纹尖端16附近的应力σ_θ由于应力集中为无穷大，则一定存在：

σ_θ＞[σ_t] (9)

联立式(6)、(8)、(9)，则在裂纹尖端16附近一定存在：

K_Ⅰ＞[K_Ⅰ] (10)

根据上述断裂力学应力分析，可知在高内水压力P₁作用下，诱导缝15附近的裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ恒大于引起裂纹扩展的裂纹尖端应力抗拉强度因子[K_Ⅰ]，则含诱导缝的衬砌区域会比不含诱导缝的衬砌区域率先达到钢筋混凝土衬砌的断裂扩展条件，从而产生裂纹扩展，即诱导缝的存在可以诱导裂缝继续沿着长条状铁板预设的诱导缝15的位置进行扩展直至贯通衬砌，形成一条贯通裂缝，杜绝了裂纹从衬砌其他部位开始扩展的可能。

2)当含诱导缝钢筋混凝土衬砌沿诱导缝开裂后，由于内水外渗后水流会通过环形带孔塑料板快速充满含诱导缝钢筋混凝土衬砌和固结灌浆圈之间的环向接触缝隙，在内外水压力共同作用下，含诱导缝钢筋混凝土衬砌因处于双向受压状态，不会在产生新的裂缝。

根据厚壁圆筒理论，当混凝土衬砌同时受到内水压力P₁与外水压力P₂共同作用时，衬砌内部任意一点的环向应力可由如下公式计算：

参见图14B，式中：σ′_θ表示混凝土衬砌内部的环向应力；R₁为混凝土衬砌内半径；R₂表示混凝土衬砌外侧的半径；P₂表示高压隧洞外水压力；P₁为高压隧洞内水压力；r表示衬砌内任意一点到衬砌横截面圆心的距离。

由公式(6)分析可知，当含诱导缝钢筋混凝土衬砌开裂后，若无环形带孔塑料板存在时，高内水无法快速在含诱导缝钢筋混凝土衬砌外侧形成一个环向水流通道，此时外水压力P₂会远小于高内水压力P₁，可令P₂＝0，此时含诱导缝钢筋混凝土衬砌内部任意一点的环向应力为：

式中：表示外水压力为零时衬砌内部任意一点的环向应力；其他变量代表的意义与前述公式一致。

由公式(7)可以看出，对于任意一点均成立，由此表明在内水压力作用下而无外水压力作用下，含诱导缝钢筋混凝土衬砌内部任意一点均会处于受拉状态，在这种情况下含诱导缝钢筋混凝土衬砌其它部位可能还会产生新的裂缝，将会影响测量结果的准确性，故，本发明在含诱导缝的钢筋混凝土衬砌与高压隧洞围岩之间设置一环形带孔塑料板是非常必要的。

当含诱导缝钢筋混凝土衬砌开裂后，若有环形带孔塑料板存在时，高内水可以沿着环形带孔塑料板水流快速充满含诱导缝钢筋混凝土衬砌和所述固结灌浆圈间的环向接触缝隙，形成一个联通管路，在固结灌浆圈的堵水作用下，使得外水压力P₂可以快速与内水压力P₁达到平衡，即P₂＝P₁，此时所述含诱导缝钢筋混凝土衬砌内部任意一点的环向应力为：

式中：表示内外水压力平衡时衬砌内部任意一点的环向应力；其他变量代表的意义与前述公式一致。

由公式(8)可以看出，对于任意一点均成立，由此表明了当含诱导缝钢筋混凝土衬砌背后设置一个环向透水通道时，衬砌开裂后内外水在快速达到平衡后，所述含诱导缝钢筋混凝土衬砌内部任意一点均会处于受压状态，在这种情况下所述含诱导缝钢筋混凝土衬砌其它部位不会再产生新的裂缝，故而可以准确测量衬砌开裂的真实宽度。

由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度，故本发明固结灌浆圈及环形带孔塑料板可以充分地发挥钢筋混凝土衬砌的抗压性能，且具有较好的保水能力。

在高内水作用下，含诱导缝钢筋混凝土衬砌会沿诱导缝发生开裂，开裂后，高内水沿裂缝发生外渗，在高压水流冲刷下衬砌内的钢筋会发生腐蚀，本发明对位于长条状铁板13左右两侧2m的内、外层钢筋网涂抹环氧树脂，对钢筋网进行防腐处理，有效降低钢筋的腐蚀。

本发明实施现场监测高压隧洞钢筋砼衬砌裂缝开裂宽度的方法为：

S1、选择监测洞段，根据地应力场类型确定钢筋混凝土衬砌诱导缝的布设位置。

S1.1、选择监测洞段，确定监测洞段的地应力场类型。

根据高压隧洞前期设计资料，不同压力洞段的压力等级不同，每个压力等级选取一处高水压洞段作为监测段，一个监测洞段的长度L为两段衬砌施工缝的间距，优选6m≤L≤12m。

测量监测洞段的水平应力和竖向应力，如图16、图17所示，如果竖向应力σ_V大于水平应力σ_H，则该监测洞段为自重应力场；如果水平应力σ_H大于竖向应力σ_V，则该监测洞段为构造应力场。

S1.2、根据地应力场类型，确定钢筋混凝土衬砌诱导缝的布设位置。

常规高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构无诱导缝，在高内水压力P₁的作用下，衬砌结构内部处处受拉力，且由于高压隧洞运行期间的内水压力P₁在衬砌内部造成的拉应力往往大于衬砌结构的抗拉强度，因此衬砌开裂位置难以确定或会产生多条裂缝，不利于高压隧洞衬砌结构的安全运营。若衬砌内部存在一处人工裂缝，控制好裂缝的尺寸及位置即可使衬砌结构开裂位置可控，故，本发明在钢筋混凝土衬砌中预先设置一条诱导缝。

根据理论研究，在内水压力作用下衬砌开裂方向与隧洞地应力状态密切相关，裂缝开裂位置是在大主应力方向上。在确定了需要监测的高压隧洞洞段后，若该监测洞段应力场分布类型属于自重应力场，竖向为大主应力方向，则长条状铁板13的布设位置为衬砌顶部，长条状铁板13与双层钢筋网11、12的空间位置分布图如图5所示；若该监测洞段应力场分布类型属于构造应力场，水平方向为大主应力方向，则诱导缝的布设位置为衬砌腰部，长条状铁板13与双层钢筋网11、12的空间位置分布图如图6所示。

S2、确定现场监测断面。

本发明在每段监测洞段上，垂直于诱导缝至少设置两个监测断面，每个监测断面布置至少两组测缝仪。如图2、图4所示，本发明将每段监测洞段的1/3处A-A和2/3处B-B设置为监测断面。

如图9所示，对应每个监测断面，在长条状铁板上及附近设置一组测缝仪。

S3、铺设环形带孔塑料板，使其紧贴隧洞洞壁。

本发明通过在钢筋混凝土衬砌与围岩之间布设环形带孔塑料板3，以保证衬砌开裂后高内水快速充满衬砌与围岩之间，使得衬砌由受拉的应力状态转变为受压的应力状态。

S4、根据诱导缝布设位置及现场监测断面位置，铺设内外层钢筋网、长条状铁板和测缝仪。

如图6-图9所示，本发明在钢筋混凝土衬砌结构内布设内层钢筋网11、外层钢筋网12、长条状铁板13和测缝仪14。通过长条状铁板13辅助衬砌浇筑成形后在长条状铁板处形成诱导缝，并在长条状铁板处布设测缝仪14。这种设计的优点：不仅可以控制衬砌开裂位置，而且还可以通过布置测缝仪有效地监测隧洞充排水过程中裂缝宽度的变化，实现准确地监测压力隧洞充排水过程中裂缝的开裂宽度以及裂缝开裂的演化过程。

如图9、图18所示，根据监测方案中钢筋混凝土衬砌中诱导缝的长度以及深度准备长条状铁板13。长条状铁板的长度h为衬砌中衬砌连接缝的间距，一般为6～12m；长条状铁板的宽度w与含诱导缝钢筋混凝土衬砌中诱导缝的深度l相同；长条状铁板的孔径大小等于环向钢筋的直径；长条状铁板上的孔间距与环向钢筋的间距相同，可允许环向钢筋穿过。

钢筋混凝土衬砌内的环向钢筋及纵向钢筋组成的钢筋网共有两层，一层在内即内层钢筋网11，一层在外即外层钢筋网12。如图18所示，内层钢筋网11的具体分布位置为半径r₁的环向一圈，分布长度为监测段的长度L，外层钢筋网的具体分布位置为半径r₂的环向一圈，分布长度为监测段的长度L，r₁与r2由下式确定：

式中：r₁为内层钢筋网半径；r₂为外层钢筋网半径；R₁为钢筋混凝土衬砌内壁半径；l为诱导缝深度；d为钢筋混凝土衬砌厚度。

本发明在每段监测洞段的每个监测断面布设两个测缝仪；如图9所示，内层测缝仪141和143穿过长条状铁板的预留孔位处，外层测缝仪142和144被混凝土衬砌包裹。

如图18所示，内、外层测缝仪距衬砌内壁的距离d₁、d₂分别由下式确定：

式中：d₁、d₂分别是内、外层测缝仪距离衬砌内壁的距离；l为诱导缝深；d为钢筋混凝土衬砌厚度。

为了避免衬砌注浆时沿着测缝仪的线缆漏浆，因此需在布设测缝仪时将测缝仪的电缆通过细管引出到隧洞内，并在衬砌注浆时将细管封堵，防止衬砌浆液流出。

S5、浇筑混凝土形成含诱导缝的钢筋混凝土衬砌，待养护完成后，进行高压固结灌浆形成固结灌浆圈。

浇筑混凝土衬砌，待钢筋混凝土衬砌成形、养护完成后，垂直衬砌内壁向隧洞围岩内钻设若干灌浆孔，往灌浆孔内灌浆形成固结灌浆圈。固结灌浆圈3的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍。

S6、往高压隧洞内充水，高压隧洞充水运行，通过测缝仪实时监测高压隧洞充水-运行-放空全过程中衬砌诱导缝的开裂宽度，绘制裂缝宽度变化曲线。

本发明可有效地监测高压隧洞在充水-运行-放空全工况内，在高内水作用下隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂的真实宽度值。本发明可应用于抽水蓄能电站新能源领域，用于现场监测高内水作用下钢筋混凝土衬砌裂缝开裂的真实宽度值，为高压隧洞钢筋混凝土衬砌的限裂设计提供参考。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：它包括含诱导缝的钢筋混凝土衬砌、环形带孔塑料板和固结灌浆圈；

所述固结灌浆圈位于所述环形带孔塑料板的外侧，与高压隧洞围岩紧密结合，其渗水系数小于高压隧洞围岩的渗水系数；所述环形带孔塑料板位于所述固结灌浆圈和含诱导缝的钢筋混凝土衬砌之间，在所述固结灌浆圈和钢筋混凝土衬砌之间形成一环向接触缝隙；

所述含诱导缝的钢筋混凝土衬砌上有且只有一条诱导缝，该诱导缝沿高压隧洞轴向布设；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，该诱导缝布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，该诱导缝布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部；在所述诱导缝的附近布设有至少两组测缝仪。

2.根据权利要求1所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：所述含诱导缝的钢筋混凝土衬砌内埋设有内层钢筋网、外层钢筋网、一条长条状铁板；

所述外层钢筋网靠近所述环形带孔塑料板，所述长条状铁板沿高压隧洞轴向布设在所述内层、外层钢筋网之间且更靠近所述内层钢筋网，所述内层钢筋网的环向钢筋穿过所述长条状铁板，与所述长条状铁板固连，所述外层钢筋网与所述长条状铁板不接触；

所述长条状铁板起到辅助制作所述钢筋混凝土衬砌诱导缝的作用，引导钢筋混凝土衬砌将来只从所述诱导缝处开裂；

当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，所述长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，所述长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部。

3.根据权利要求2所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：所述长条状铁板的宽度w和长度h满足如下公式：

式中：w和h分别为长条状铁板的宽度和长度；L为选取的高压隧洞监测段长度；l为诱导缝深度；

所述诱导缝的深度l应满足如下关系：

αd＜l＜β(d-l_g) (2)

式中：α为诱导缝最小长度系数，取0.05；d为混凝土衬砌厚度；l为诱导缝深度；β为高压灌浆灌浆压力下的安全系数，取1.2；l_g为固结灌浆压力下避免衬砌开裂的最小衬砌厚度，l_g可由如下公式计算：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径；P_g为高压灌浆灌浆压力值；[σ_t]为混凝土衬砌的抗拉强度。

4.根据权利要求1-3之一所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：在预形成的所述诱导缝处选取至少两个监测断面；

在所述长条状铁板上对应每个监测断面处固设有一组所述测缝仪，每组测缝仪中的一支垂直穿过长条状铁板，另一支测缝仪包裹在所述长条状铁板附近混凝土衬砌内；

在浇筑混凝土衬砌时，预留出线孔，将所述测缝仪的数据传输电缆引出至高压隧洞内，待电缆引出后用混凝土砂浆封堵出线孔周围缝隙。

5.根据权利要求4所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：所述环形带孔塑料板的表面开有若干个的圆孔，所述圆孔孔径为2～3mm；

环形带孔塑料板长度大于等于选取的高压隧洞被监测洞段的长度，壁厚2～3mm。

6.根据权利要求5所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测系统，其特征在于：所述固结灌浆圈的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍；其长度大于等于选取的高压隧洞被监测洞段的长度。

7.一种高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、选择监测洞段，根据地应力场类型确定钢筋混凝土衬砌诱导缝的布设位置；

若被监测洞段应力场分布类型属于自重应力场，则钢筋混凝土衬砌诱导缝布设位置为衬砌顶部；若被监测洞段应力场分布类型属于构造应力场，则钢筋混凝土衬砌诱导缝布设位置为衬砌左侧或右侧腰部；

S2、确定现场监测断面；

垂直于诱导缝设置至少两个监测断面；

S3、铺设环形带孔塑料板，使其紧贴隧洞洞壁；

S4、根据诱导缝的布设位置及现场监测断面位置，铺设内外层钢筋网、长条状铁板和测缝仪；

外层钢筋网靠近环形带孔塑料板，长条状铁板沿高压隧洞轴向布设在内层、外层钢筋网之间且更靠近内层钢筋网，内层钢筋网的环向钢筋穿过长条状铁板，与长条状铁板固连，外层钢筋网与长条状铁板不接触；

当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于自重应力场时，长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的顶部；当被监测的高压隧洞洞段应力场分布类型属于构造应力场时，长条状铁板布设在所述钢筋混凝土衬砌的左侧或右侧腰部；

长条状铁板的宽度w和长度h满足如下公式：

式中：w和h分别为长条状铁板的宽度和长度；L为选取的高压隧洞监测段长度；l为诱导缝深度；

所述诱导缝的深度l应满足如下关系：

αd＜l＜β(d-l_g) (2)

式中：α为诱导缝最小长度系数，取0.05；d为混凝土衬砌厚度；l为诱导缝深度；β为高压灌浆灌浆压力下的安全系数，取1.2；l_g为固结灌浆压力下避免衬砌开裂的最小衬砌厚度，l_g可由如下公式计算：

式中：R₁为混凝土衬砌内半径；P_g为高压灌浆灌浆压力值；[σ_t]为混凝土衬砌的抗拉强度；

在长条状铁板上对应步骤S2确定的每个监测断面处固设有一组测缝仪，每组测缝仪中的一支垂直穿过长条状铁板，另一支测缝仪包裹在长条状铁板附近混凝土衬砌内；

在浇筑混凝土衬砌时，预留出线孔，将测缝仪的数据传输电缆引出至高压隧洞内，待电缆引出后将混凝土砂浆封堵出线孔周围缝隙；

S5、浇筑混凝土衬砌形成含诱导缝的钢筋混凝土衬砌，待养护完成后，进行高压固结灌浆形成固结灌浆圈；

待钢筋混凝土衬砌成形、养护完成后，垂直衬砌内壁向隧洞围岩内钻设若干灌浆孔，往灌浆孔内灌注混凝土砂浆形成固结灌浆圈；

固结灌浆圈的深度为高压隧洞开挖半径的1-2倍；

S6、往高压隧洞内充水，高压隧洞充水运行，通过测缝仪实时监测高压隧洞充水-运行-放空全过程中衬砌诱导缝的开裂宽度，绘制裂缝宽度变化曲线。

8.根据权利要求7所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测方法，其特征在于：所述监测洞段的长度为两段衬砌施工缝的间距，优选6m≤L≤12m；

所述环形带孔塑料板和固结灌浆圈的长度大于等于所述监测洞段的长度。

9.根据权利要求8所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测方法，其特征在于：所述钢筋混凝土衬砌内的内层钢筋网为半径r₁的环形柱状，其长度为被监测洞段的长度L，外层钢筋网为半径r₂的环形柱状，其长度为被监测洞段的长度L，r₁与r2由下式确定：

式中：r₁为内层钢筋网半径；r₂为外层钢筋网半径；R₁为钢筋混凝土衬砌内壁半径；l为诱导缝深度；d为钢筋混凝土衬砌厚度。

10.根据权利要求9所述的高压隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开裂宽度监测方法，其特征在于：

所述穿过长条状铁板的测缝仪和包裹在混凝土衬砌内的测缝仪距混凝土衬砌内壁的距离d₁、d₂分别为：

式中：d₁为穿过长条状铁板的测缝仪距离混凝土衬砌内壁的距离；d₂为包裹在混凝土衬砌内的测缝仪距离混凝土衬砌内壁的距离；l为诱导缝深；d为钢筋混凝土衬砌厚度。