甬舟鐵路金塘海底隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案研究

唐雄俊，毛優(yōu)達(dá)，孫 州

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430063；3.舟山市甬舟鐵路建設(shè)指揮部，浙江舟山 316099；4.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092；5.上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

引言

隨著隧道投入運(yùn)營年限的不斷增長，在外部與內(nèi)部條件變化的多重因素影響下，隧道結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生滲漏水、劣損、變形沉降等各種病害[1-3]，從而威脅隧道的運(yùn)營安全。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對隧道結(jié)構(gòu)開展了大量研究，認(rèn)為健康監(jiān)測系統(tǒng)能有效地對結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行監(jiān)測，通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)可及時預(yù)警，并對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行安全評價[4-7]。

張俊儒等[8]針對監(jiān)測技術(shù)單一、監(jiān)測系統(tǒng)集成化、自動化程度低、系統(tǒng)缺乏整體性等問題，提出一種“隧道健康監(jiān)測與智能信息管理評估系統(tǒng)”的構(gòu)想；楊建平等[9]根據(jù)武漢長江隧道布設(shè)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，分析了環(huán)境溫度、長江水位和時間對管片應(yīng)變、縱向接縫和環(huán)向接縫張開度變化的影響規(guī)律；陳衛(wèi)忠等[10]由南京揚(yáng)子江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立了基于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道運(yùn)營安全狀況實(shí)時模糊綜合評價模型；鮑軼洲等[11]基于廣州車陂路—新滘東路隧道工程，確定了沉管隧道結(jié)構(gòu)重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目及其監(jiān)測方法、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量和監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置；任喻云等[12]根據(jù)隧道本身缺陷，選擇設(shè)計(jì)預(yù)埋特定傳感器，建立長期隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)；何川等[13]總結(jié)了盾構(gòu)隧道建設(shè)技術(shù)，分析了各類病害對隧道運(yùn)營的安全影響；舒恒等[14]通過對南京緯三路過江隧道(揚(yáng)子江隧道)開展健康監(jiān)測設(shè)計(jì)研究，介紹了系統(tǒng)的組成以及各個系統(tǒng)的功能；吳世明等[15]通過對杭州慶春路過江隧道進(jìn)行健康監(jiān)測，分析了潮水作用對隧道橫截面受力、隧道變形的影響；黃大維等[16]采用縮尺模型試驗(yàn)研究了地表超載引起的隧道頂部附加應(yīng)力及管片接頭內(nèi)力和變形；劉勝春等[17]結(jié)合傳感監(jiān)測技術(shù)及無損檢測技術(shù)獲得了南京長江隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)變形受力數(shù)據(jù)，建立隧道安全評估方法；傅鶴林等[18]提出了基于云理論的隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷方法，并對某市地鐵2號線隧道結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行診斷；CHEUNG[19]等在地鐵盾構(gòu)隧道施工中布設(shè)光纖，監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展情況；陳世杰等[20]通過運(yùn)用壓縮感知理論獲取可靠、完備的地鐵健康相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以武漢地鐵2號線長漢區(qū)間監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降數(shù)據(jù)為樣本，評估了地鐵隧道的可靠程度；張凱南等[21]以武漢地鐵3號線王宗區(qū)間段為背景，提出一種基于小波包變換的隧道健康監(jiān)測預(yù)警方法，判斷結(jié)構(gòu)損傷的全過程變化，在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。

甬舟鐵路金塘海底隧道具有長距離、高水壓、地中對接、土巖復(fù)合地層以及海床演變復(fù)雜、沖淤幅度大等顯著特點(diǎn)，隧道運(yùn)營速度快，結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營要求高。因此，開展隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，動態(tài)監(jiān)測、全面掌握隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，指導(dǎo)后期鐵路隧道運(yùn)營養(yǎng)護(hù)是極為必要的。

1 工程概況

甬舟鐵路西起寧波東站，經(jīng)寧波市北侖區(qū)、舟山市金塘島、冊子島、富翅島，終于舟山本島白泉站，線路全長76.774 km，采用250 km/h的高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

金塘海底隧道位于寧波北侖西站與舟山金塘站之間，采用單洞雙線盾構(gòu)法隧道下穿水深流急、水文和地質(zhì)條件極為復(fù)雜的金塘水道，兩岸采用礦山法施工。隧道全長16.18 km，其中盾構(gòu)隧道長11.21 km，礦山法隧道長4.93 km，明挖工作井長0.04 km，隧道平面線位如圖1所示。

圖1 金塘海底隧道平面線位

盾構(gòu)隧道采用單洞雙線雙層結(jié)構(gòu)，管片結(jié)構(gòu)外徑14.0 m，內(nèi)徑12.8 m，結(jié)構(gòu)厚0.6 m，二襯厚0.3 m，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面布置(單位：mm)

2 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案研究

2.1 監(jiān)測指標(biāo)與目的

監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)能反映結(jié)構(gòu)的受力性能與損傷程度，結(jié)合工程特點(diǎn)、建設(shè)重難點(diǎn)，確定管片外部水土壓力、混凝土應(yīng)力、螺栓軸力、管片與內(nèi)襯間接觸壓力、隧道變形及沉降等作為甬舟鐵路金塘海底隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指標(biāo)，通過開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動態(tài)監(jiān)控隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，輔助鐵路隧道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)決策，延長隧道服役壽命。

2.2 監(jiān)測斷面及區(qū)段選取

依據(jù)工程類比、勘察設(shè)計(jì)資料分析，綜合考慮地質(zhì)條件、覆土厚度、高水壓、線形變化、海中對接、周邊環(huán)境影響等因素，共選取11個監(jiān)測斷面，見表1，考慮后期規(guī)劃下穿的公路隧道施工、軟硬不均地層、海底沖刷、淤積演變頻繁、縱坡變化等因素引起差異沉降顯著，選取6個沉降區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測，見表2，監(jiān)測斷面布設(shè)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測斷面及區(qū)段布設(shè)

表1 監(jiān)測斷面及選取依據(jù)

表2 隧道沉降監(jiān)測區(qū)段

2.3 監(jiān)測測點(diǎn)布置

考慮監(jiān)測測點(diǎn)與監(jiān)測部位應(yīng)能反映出結(jié)構(gòu)的整體受力與變形狀態(tài)，重點(diǎn)選取隧道拱頂、拱底、左右拱腰以及接縫處布置監(jiān)測測點(diǎn)，金塘海底隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測測點(diǎn)布置情況如表3和圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布設(shè)方法

表3 監(jiān)測測點(diǎn)布置

2.4 監(jiān)測方法及技術(shù)要求

在儀器布設(shè)與安裝過程中，甬舟鐵路金塘海底隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測儀器壽命要求為15年，安裝方法及要求如表4和圖5所示。

圖5 監(jiān)測儀器安裝方法

表4 監(jiān)測儀器及安裝要求

2.5 數(shù)據(jù)采集與傳輸

為滿足隧道不同階段對健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的需求，需設(shè)置合理的數(shù)據(jù)采集方案，主要包括采集設(shè)備、采集方式等，施工期采用便攜式采集儀人工定期采集數(shù)據(jù)，運(yùn)營期采用自動化實(shí)時采集數(shù)據(jù)。施工期隧道電力和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)主要采用人工進(jìn)行采集，隧道運(yùn)營初期(0～5年)外部荷載和環(huán)境變化較大，宜采用較高頻率進(jìn)行監(jiān)測；運(yùn)營5年以后，可認(rèn)為隧道進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)營期，監(jiān)測頻率可適當(dāng)降低。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，應(yīng)及時提高監(jiān)測頻率，金塘海底隧道監(jiān)測頻率見表5。

表5 監(jiān)測頻率

為防止數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包、失真、中斷等問題，保證數(shù)據(jù)快速、高效傳輸，需結(jié)合隧道內(nèi)通訊環(huán)境，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)傳輸方案，目前，主要數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸。

考慮到高鐵隧道內(nèi)通訊信號微弱或不穩(wěn)定等問題，若采用GPRS無線傳輸可能造成數(shù)據(jù)丟包、失真、傳輸中斷等，另外，隧道盾構(gòu)段全長11.21 km，長距離數(shù)據(jù)傳輸宜采用傳輸距離更長、更高效的光纜傳輸方式，因此，隧道內(nèi)前端光纖光柵傳感器宜采用多芯光纜引入盾構(gòu)隧道下腔廊道，接入解調(diào)儀，然后借助網(wǎng)絡(luò)通信信號上傳至數(shù)據(jù)庫，用戶端通過數(shù)據(jù)管理平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、可視化展示、分析及預(yù)警，評估隧道結(jié)構(gòu)安全狀況，輔助隧道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)決策。

監(jiān)測系統(tǒng)主要包含工程信息可視化、監(jiān)測信息配置、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估、故障診斷和數(shù)據(jù)接口等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理、圖形界面展示、表格曲線管理、預(yù)警管理等功能，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3 結(jié)論

依托金塘海底隧道工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)資料，分析了隧道工程特點(diǎn)及建設(shè)重難點(diǎn)，提出健康監(jiān)測必要性及目的，結(jié)合健康監(jiān)測編制原則及依據(jù)，制定了金塘海底隧道的健康監(jiān)測方案，包括監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測斷面、測點(diǎn)布置、監(jiān)測儀器選方法、數(shù)據(jù)采集、傳輸及管理方案。研究結(jié)論如下。

(1)確定了能反映金塘海底隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的外部土壓力、管片外部水壓力、管片混凝土應(yīng)力、螺栓軸力、管片與內(nèi)襯間接觸壓力、二襯混凝土應(yīng)力、隧道斷面收斂變形、鋼筋銹蝕和隧道沉降等9個監(jiān)測指標(biāo)。

(2)依據(jù)工程類比、勘察設(shè)計(jì)資料，綜合考慮地質(zhì)條件、覆土厚度、高水壓、線形變化、海中對接、周邊環(huán)境等因素，確定了11個監(jiān)測斷面，338個測點(diǎn)，6個差異沉降監(jiān)測區(qū)段，104個測點(diǎn)。

(3)結(jié)合本隧道的工程特點(diǎn)，明確了不同監(jiān)測設(shè)備的安裝方法和技術(shù)要求，提出了滿足隧道不同階段的數(shù)據(jù)采集方案和監(jiān)測頻率，確定了適宜了長距離、高效快速的光纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了金塘海底隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)動態(tài)實(shí)時監(jiān)測。