南水北调中线干线穿黄工程是中线总干渠穿越黄河的关键性工程。穿黄隧洞包括过黄河隧洞和邙山隧洞，为双洞平行布置，盾构法施工，采用双层衬砌结构型式，结构新颖、工艺复杂。隧洞内径7 m，外径8． 7m，外部作用水、土荷载，洞内作用大于0． 5 MPa 的内水压力，并需考虑地震的不利影响。隧洞过黄河段为典型的游荡性河段，地质条件复杂，双层衬砌结构在水工隧洞中属首次应用。隧洞通水前后洞壁应力会发生变化，并且隧洞内水外渗以及隧洞上部黄河经历汛期和枯水期的变化也会造成压力变化。若上述变化使隧洞产生较大变形，将会对供水安全造成严重影响［1］。因此，对穿黄隧洞开展变形监测与可视化管理具有重要意义。
    1· 穿黄隧洞变形影响因素分析
    1． 1 双层衬砌结构特点
    穿黄隧洞采用了双层衬砌结构，外衬为拼装式钢筋混凝土管片，内衬为现浇预应力混凝土，内、外衬之间设弹性防水垫层［2 － 3］。水下隧洞采用双层衬砌有两个目的: ① 防护上的需要，在爆炸等极端载荷作用下，围岩可能开裂破坏，但只要衬砌防水层完好，隧洞就不致大量涌水而影响工程安全; ② 防范高水压力。有时虽然采用了防水混凝土回填注浆，在高水压下仍难免发生衬砌渗水。在此情况下，双层衬砌可作为水底隧洞过河段的防水措施。隧洞的衬砌结构一般会进行封闭处理，使其不裸露在外，因此，常规的收敛测量方法不适用具有于双层衬砌结构的隧洞。
    1． 2 黄河汛期冲刷影响
    穿黄河段的流量变化较大，非汛期最小为960m3 /s，汛期最大达17 530 m3 /s，差值明显。其次，黄河属游荡性河流，主槽冲淤变化频繁。根据河工模型试验成果，在洪峰流量达17 530 m3 /s 的情况下，一次洪水过程最大冲刷深度可达8． 48 m，而穿黄隧洞设计水位下埋深较大，可尽量避免冲刷［4］。但复杂的黄河水况，仍能给穿黄隧洞带来不可忽略的变形影响。
    1． 3 隧洞外水压力的变化
    地下水位的高低是影响外水压力取值的关键因素。由于穿黄隧洞位于黄河下，地下水受黄河水的直接补给，因此外水压力为黄河水位至隧洞埋深处的静水压力。预注浆钻孔涌水段测试表明，斜洞围岩外水压力为0． 1 ～ 0． 6 MPa，平洞段外水压力基本为0． 6MPa 左右［5］。此外，外水压力值与隧洞埋深成正比，埋深越大，外水压力越大; 与围岩的完整性成反比，围岩越破碎，外水压力越大; 与围岩的渗透性成正比，渗透性越大，外水压力越大。虽然穿黄隧洞段围岩稳定性好、承载能力强，并且在施工期使用了帷幕喷锚灌浆、衬砌后的回填灌浆及固结灌浆等措施，有效减小了衬砌外水压力，但在隧洞运行期的应力监测仍是必要的。
    1． 4 其他因素
    除上述分析的因素外，区域性的地震作用、隧洞超标运用、衬砌防排水、空蚀与泥沙磨蚀、下卧土层的不均匀性等因素也可能造成穿黄隧洞的变形［4 － 6］。因此，对穿黄隧洞开展变形监测也是对各种可能变形因素的综合性监测。
    2 ·主要变形监测方法研究
    变形监测是利用测量专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作，其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。对隧洞开展变形监测，就是通过采集不同时期的隧洞结构数据，比较隧洞中相同位置的变形量，以反映隧洞局部或某一区段内的收敛变形情况。变形监测方法主要可分为接触式监测和非接触式监测两种类型。
    2． 1 接触式监测
    接触式监测需在隧洞内壁的不同位置人工安装监测仪器，从而获取隧洞的变形信息。安装的监测仪器包括收敛计、巴塞特收敛测量系统等［7］。其中收敛计主要用于测量隧洞的围岩变形，记录初始阶段各埋点之间的距离，然后在隧洞施工或运营期间不断地采集距离数据，整理变形曲线，统计各点之间的变形量，从而分析判断围岩的变形情况与稳定性。巴塞特收敛测量系统是由多个杆件单元组成，这些杆件单元首尾互相铰接安装在隧洞衬砌上，实时生成隧洞断面轮廓。杆件单元内部设置了一种高精度的倾角传感器，根据倾角变化和杆件的长度就可算出各固定点的位移，得到断面轮廓的变形量。这种方法效果比较直观，而且整个系统从数据采集到运算结果显示都可以完全实现计算机自动化。这种方式一般应用于净空狭小的隧洞、隧道和地下洞室的危险断面。
    接触式监测获取的隧洞变形信息主要包括隧洞拱顶下沉、隧洞净空收敛、围岩内部相对位移等。其监测点一般应布置在仰拱中点、拱顶、拱端、拱腰、侧墙中部等处。其中，拱顶下沉一般应监测4 个断面，每个断面至少3 个监测点，可利用钢卷尺配合水准仪进行测量。
    隧洞净空收敛也需监测4 个断面，每个断面水平斜向共布设9 条测线，可利用收敛计进行测量［8］。而围岩内部相对位移一般应监测8 个断面，每个断面测2 个点，可利用多点位移计和百分表进行。
    2． 2 非接触式监测
    非接触式监测可分为激光测距技术、数字图像处理技术和光纤传感技术3 类。
    2． 2． 1 激光测距技术
    ( 1) 全站仪测量。利用全站仪对隧道断面按一定模式进行扫描，主要有等距、等角和人工( 任意角度) 3种模式，再利用这些扫描点坐标拟合出隧道断面的圆心坐标，通过了解圆心至扫描点之间的距离变化，得到隧道断面的结构变形。这种方法原理简单、观测方便、精度高，但它要求隧道衬砌结构裸露，整体通视，中间不能有遮挡。因此在常规的隧洞与隧道变形监测中应用较多，也比较成熟。
    ( 2) 测量机器人系统。测量机器人也称为自动全站仪，是一种能自动搜索、识别、跟踪并精确照准目标从而获取坐标信息的智能型电子全站仪。它具有自动寻找、识别目标和精确照准功能，可在短时间内对多个目标点作持续和重复观测。国内有研究者曾使用测量机器人对铁路隧洞进行变形监测［9］。他们将特制的仪器墩安装在界标外，测量机器人通过基座强制对中固定在仪器墩上，并用玻璃钢罩加以保护。在隧道结构上安装反射棱镜，每个测站安装5 ～ 10 个，分布在拱顶、竖直墙、轨道排水沟，铁轨扣件旁等位置。设定好观测程序，测量机器人自动采集各点坐标，并用数据线将数据传输至控制服务器。
    ( 3) 三维激光扫描技术。三维激光扫描仪无需设置反射棱镜、无需接触测量目标，能高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，同时对环境光线、温度都要求较低，因此是较为理想的隧洞变形监测新方法。具体应用中，有一种基于三次多项式插值曲面拟合的隧道整体变形监测方法，它能通过对多个拟合曲面之间的高程比较，获取由于隧道顶部大型建筑施工对其产生的影响。此外，运用基于向量差异的点云分割算法对点云数据进行抽稀并构建地铁隧道模型，开展隧道整体变形分析，同时通过与光纤位移计结果的对比，变形监测精度能够满足地铁隧道变形监测的需要［10 － 11］。目前，我国已有部分城市地铁隧道采用三维激光扫描方法进行变形监测。
    2． 2． 2 数字图像处理技术
    该技术是通过对隧洞内定点放置的目标光源进行拍摄，对所得到的图像进行预处理，再对目标光源轮廓进行提取，通过图像二值化提取边界，最后通过计算目标光源圆心的位置变化得到隧洞纵向的变形量。有研究者在2009 年提出了利用数字图像处理技术对地铁隧道变形进行监测的方案。通过对数字图像进行平滑、锐化、腐蚀、膨胀、去噪等预处理，进而计算光源位置变化，得出地铁隧道纵向变形量［12］。实验结果表明，该方法得到的隧道变形量比较精确可靠。
    2． 2． 3 光纤传感技术
    国内外工程结构监测领域主要的光纤传感器包括光纤Bragg 光栅传感器( FBG) 、Brilliouin 光时域反射计( BOTDＲ) 、Fabry － Perot 空腔传感器( FPI) 及SOFO点式光纤传感器等。相比而言，FBG 的监测分辨率较高，应用也相对较多［13 － 14］。该方法是利用紫外光曝光将入射光的相干场图形写入纤芯，使纤芯的折射率发生周期性变化，使其产生周期性调制，从而在单模光纤的纤芯内形成永久性空间相位光栅。当光栅受到拉伸、挤压及热变形时，监测光栅反射信号的变化。国内有研究者提出了FBG 传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿技术，可准确地测出隧洞的应变分布，将其应用于隧洞变形监测中是可行和有效的［15］。
    3 ·方法比较与分析
    3． 1 接触式监测存在的问题
    ( 1) 接触式监测方法能够直接量测隧洞特定位置、区段的变形情况，但人力、财力成本极高，监测周期较长。
    ( 2) 使用接触式方法时，固定监测点的数量一般受到限制［16］。若监测点数量过多则工作量较大，并会增加监测周期，不能很好反映出变形情况; 若减少监测点的数量则不能反映出变形趋势，使隧洞结构的变形荷载分析受到限制。
    ( 3) 接触式的监测方法无法使用远程测量手段，此外，具体到穿黄隧洞，洞内可视度差、空间狭窄、环境复杂等因素干扰了常规安全监测的开展。
    3． 2 非接触式监测的适用性
    在3 类非接触式监测方法中，光纤传感技术是近年来发展起来的。但光纤非常脆弱，往往不适用于变形情况过于复杂的岩土工程，并且传感光纤的布设情况也对变形监测的结果有较大影响; 此外，光纤目前的分辨率只能达到米级水平，这对高精度的变形监测而言限制较大。鉴于上述原因，采用光纤技术进行变形监测的方法尚未在大型工程中得到推广应用。
    使用数字图像处理技术进行变形监测的方法，对图像处理设备与人员要求较高，该方法现阶段应用较少，还未形成系统的监测体系，工程应用的难度相对较大。
    相比而言，激光测距技术是应用最多的非接触式监测方法。其中，三维激光扫描技术又是最具优势的，具体表现为:
    ( 1) 与全站仪测量方式相比，三维激光扫描无需设置反射棱镜，在人员难以达到的危险地段优势明显。
    ( 2) 三维激光扫描技术突破了单点测量方式，能高密度、高分辨率获取物体的海量点云数据，对目标描述细致、采集速度快。
    ( 3) 作业平台多样化。除地面三维激光扫描方式外，车载或机载三维激光扫描也是可行的变形监测方法，多样化的三维点云采集手段进一步提高了工程结构监测的效率。
    4 ·穿黄隧洞监测方案
    南水北调中线工程穿黄隧洞从设计、施工到近阶段的冲水试验阶段使用了多种变形监测方案，具体包括如下。
    4． 1 传感器类监测
    在设计施工阶段，穿黄隧洞使用了接触式监测方式，在隧洞内安装了约1 300 支监测传感器［1， 17］。相应的监测项目有隧洞渗水压力、渗漏水量、接缝开度、内衬混凝土应力应变、预应力锚索锚固力，以及进出口建筑物的边坡地下水位、闸室底板渗透压力、地基应力等［17］。在此基础上搭建了穿黄工程安全监测自动化系统，持续地收集与分析有关隧洞建筑物性状变化信息。
    4． 2 冲水试验阶段及检修期变形监测
    2014 年初，南水北调中线穿黄工程进行了冲水试验与检修。在试验前后，长江设计院空间公司的科研人员使用三维激光扫描仪对穿黄隧洞进行多次扫描，快速获取隧洞在不同时段的点云数据和数码影像等三维立体信息，再通过精确分析激光扫描仪多次扫描数据，确定隧洞体在软基中的变形情况，实现了穿黄隧洞变形的高精度快速监测。非接触式监测方法引入到穿黄隧洞的变形监测中，能够为工程的安全性论证提供重要的原始资料。
    5 ·结语
    本文从典型工况下变形影响因素分析、主要变形监测方法研究、方法比较与分析等3 个方面对南水北调穿黄隧洞适用的变形监测方法进行了系统探讨。结果表明，非接触式的变形监测方法是未来发展的重点，其中的三维激光扫描技术相对成熟，能够为穿黄工程的安全运行提供更全面的保障。