巖溶地區(qū)高速公路運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

熊雅文　何華　張志超　劉家宇

摘要：為有效感知巖溶地區(qū)高速公路運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形發(fā)展?fàn)顩r，分析病害成因并及時(shí)預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)，文章依托河池至都安高速公路高嶺二號(hào)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程實(shí)例，從監(jiān)測(cè)斷面和內(nèi)容的選取，以及測(cè)點(diǎn)布置等方面，探索了巖溶地區(qū)高速公路運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)。近7個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律，具備良好的可實(shí)施性。

關(guān)鍵詞：隧道工程;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);高速公路運(yùn)營隧道;巖溶隧道;專項(xiàng)檢測(cè)

中國分類號(hào)：U456.3

0引言

隨著“十三五”規(guī)劃的收官和“十四五”規(guī)劃開篇，廣西地區(qū)公路交通里程出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，高速公路逐漸向崇山峻嶺擴(kuò)張，隧道里程也出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，運(yùn)營隧道的安全問題日益突出。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用相對(duì)較晚，在我國近十余年間才逐步得到重視和應(yīng)用。國外較早的隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)于1987年修建完成的日本青函海底隧道[1]，此外，國外較知名的建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的隧道有英吉利海峽盾構(gòu)隧道、韓國釜山沉管隧道、英國海峽隧道鐵路連接線盾構(gòu)隧道、丹麥厄勒海峽沉管隧道、希臘普雷韋扎沉管隧道、英國希思羅機(jī)場(chǎng)隧道、愛爾蘭利墨瑞克沉管隧道等[2]。國內(nèi)隧道健康監(jiān)測(cè)近年來也有較大發(fā)展，涌現(xiàn)出很多工程案例，根據(jù)施工工藝可分為沉管隧道（寧波甬江隧道[3]、寧波常洪隧道[4]等）、盾構(gòu)隧道（上海崇明越江隧道、南京揚(yáng)子江隧道等[5]）、明挖水下隧道（南京玄武湖隧道[6]）、明挖軟土隧道（寧波永達(dá)路隧道、南京地鐵、深圳地鐵等[7]）。針對(duì)采用礦山法施工的山嶺隧道健康監(jiān)測(cè)案例較少，而針對(duì)高速公路隧道運(yùn)營期間實(shí)施的健康監(jiān)測(cè)案例幾乎沒有，如何構(gòu)建合理有效的運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)下亟待解決的問題。

本文依托廣西河都路高嶺二號(hào)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工程案例，融合物聯(lián)網(wǎng)、4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，在廣西交投科技有限公司自主研發(fā)的廣西高速公路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智慧云控平臺(tái)基礎(chǔ)上，探索了巖溶地區(qū)運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)問題，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、測(cè)點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)隧道健康監(jiān)測(cè)亟待解決的問題進(jìn)行了思考，可為今后類似運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建提供參考借鑒。

1工程概況

2019年7月，廣西河都路高嶺二號(hào)隧道管養(yǎng)單位在日常巡檢過程中發(fā)現(xiàn)，高嶺二號(hào)隧道下行線ZK1807+790～ZK1807+900（施工樁號(hào)為ZK63+745～ZK63+855）發(fā)生突泥，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)側(cè)壁檢查井冒漿、施工縫頂部冒漿等情況。通過竣工資料可知，高嶺二號(hào)隧道下行線ZK1807+690～ZK1808+190段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別依次為Ⅱ級(jí)（ZK1807+690～ZK1807+845）、Ⅲ級(jí)（ZK1807+845～ZK1807+950）、Ⅱ級(jí)（ZK1807+950～ZK1808+190）。ZK1807+815～ZK1807+896區(qū)段在施工中發(fā)生過塌方、冒頂和突泥災(zāi)害，本次突泥病害段主要集中在該區(qū)段。

2隧道病害專項(xiàng)檢測(cè)

2.1外觀檢測(cè)結(jié)果

隧道外觀病害分布如圖1所示，其外觀病害主要分布在YK1807+850～YK1807+900之間，表現(xiàn)為襯砌裂縫、滲漏水，局部滲漏水較嚴(yán)重，呈滴水狀。

2.2襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

通過回彈和碳化深度檢測(cè)，結(jié)果顯示襯砌混凝土強(qiáng)度良好，均滿足C25混凝土設(shè)計(jì)要求。

2.3襯砌厚度及背后脫空情況檢測(cè)結(jié)果

高嶺二號(hào)隧道下行線右拱腰位置雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。通過雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，ZK1807+790～ZK1807+900為主要突泥段，圍巖軟弱區(qū)段為ZK1807+815～ZK1807+896（施工過程中發(fā)生突泥段），ZK1807+960～ZK1808+190區(qū)段襯砌背后圍巖松散、節(jié)理裂隙發(fā)育。

經(jīng)過專項(xiàng)檢測(cè)，初步推測(cè)襯砌突泥主要是由于圍巖內(nèi)部溶蝕裂隙發(fā)育，溶洞坍塌等，引起圍巖水壓增大并四處擴(kuò)散，通過襯砌裂縫、預(yù)留槽等滲漏水薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)生突泥災(zāi)害。為有效感知隧道襯砌結(jié)構(gòu)的健康狀況，預(yù)測(cè)病害發(fā)展趨勢(shì)，有必要對(duì)病害段進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

3運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)展示模塊等4部分，整體布置方案如圖3所示。

3.2運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

3.2.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

本文將運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容劃分為環(huán)境、荷載、受力、變形等四個(gè)方面，以隧道受力和變形作為監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，兼顧考慮隧道所受荷載及所處環(huán)境等各方面，具體如表1所示。高嶺二號(hào)隧道監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：表面應(yīng)變（應(yīng)力）（55個(gè)振弦式表面應(yīng)變計(jì)）、拱頂下沉（11個(gè)激光位移計(jì)）、周邊位移（11個(gè)激光位移計(jì)）、滲水壓力（4個(gè)滲壓計(jì)）、裂縫寬度（2個(gè)振弦式裂縫計(jì)）、視頻（1個(gè)高清攝像頭）、雨量（1個(gè)雨量計(jì)）。

3.2.2監(jiān)測(cè)斷面選取及測(cè)點(diǎn)布置

3.2.2.1監(jiān)測(cè)斷面選取

根據(jù)圍巖級(jí)別、襯砌類型及病害分布特征，本文按照每一類圍巖級(jí)別或襯砌類型的區(qū)段均布置至少1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的原則，對(duì)ZK1807+690～ZK1808+190區(qū)段共布置有11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，具體如圖4所示。

3.2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于典型監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置情況如下：

（1）表面應(yīng)力應(yīng)變：布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在拱頂、兩側(cè)拱腰、兩側(cè)邊墻位置。

（2）周邊位移及拱頂沉降：周邊位移布置1條測(cè)線，在兩側(cè)邊墻位置;拱頂沉降布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（3）滲水壓力：在典型斷面布置1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)，在兩側(cè)邊墻位置。

（4）裂縫寬度：布置1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定）。

（5）視頻監(jiān)控：在保證對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)段通視的情況下，盡可能布置在襯砌結(jié)構(gòu)狀況良好的位置。

（6）雨量監(jiān)測(cè)：每座隧道外布置1處雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

典型斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

高嶺二號(hào)隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020年12月安裝調(diào)試完畢，經(jīng)過7個(gè)月的數(shù)據(jù)觀測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，本文選取典型斷面YK1807+885的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1表面應(yīng)變

YK1807+885斷面表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，襯砌表面應(yīng)變整體呈受壓趨勢(shì)，且逐漸增長(zhǎng)，符合隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律。最大壓應(yīng)變約為180 με（C25混凝土彈性模量取28 GPa，換算成壓應(yīng)力為5.04 MPa）。

4.2拱頂下沉和周邊收斂

YK1807+885拱頂下沉和周邊收斂于2021-01-01開始監(jiān)測(cè)，其中拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示，周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果如下頁圖8所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，YK1807+885斷面拱頂下沉監(jiān)測(cè)期間累計(jì)下沉約3 mm，周邊收斂無明顯變化。

4.3裂縫寬度

裂縫寬度于2020-12-26開始監(jiān)測(cè)，其裂縫寬度變化曲線如圖9所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，裂縫寬度整體呈現(xiàn)壓緊、閉合趨勢(shì)，與襯砌表面整體受壓應(yīng)力的規(guī)律一致。這表明監(jiān)測(cè)期間，YK1807+885斷面的裂縫寬度呈減小趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)受擠壓變形，累計(jì)閉合約0.035 mm。

4.4滲水壓力和雨量

YK1807+885斷面滲水壓力于2021-05-28開始監(jiān)測(cè)，其滲水壓力變化曲線如圖10所示。雨量于2021-06-01開始監(jiān)測(cè)，其6月、7月的日降雨量分別如圖11、圖12所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，隨著鉆孔封閉，滲水壓力由83 kPa增長(zhǎng)到164 kPa，之后一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示6月21日和6月29日兩天的日累積降雨量較大，而滲水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果僅在6月23日有小幅突增，6月29日以后有緩慢增長(zhǎng)，由此可見滲水壓力存在一定滯后性，推測(cè)是由于降雨下滲需要一定時(shí)間所致。

4.5環(huán)境溫度

通過對(duì)比各斷面測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，溫度大小和變化規(guī)律基本一致。本文選取YK1807+885斷面右拱腰的溫度作為代表性測(cè)點(diǎn)，如圖13所示。通過溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，每天均存在一定的溫度波動(dòng)，波動(dòng)幅度約為5 ℃，該溫差可能對(duì)襯砌表面應(yīng)力造成影響。

將溫度變化曲線與左拱腰表面應(yīng)變曲線進(jìn)行綜合分析，如圖14所示，溫度變化曲線與表面應(yīng)變曲線存在明顯的相關(guān)性?？梢?，對(duì)運(yùn)營隧道進(jìn)行環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)是非常必要的。

5運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)的合理性，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)必須基于詳細(xì)的專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，通過專項(xiàng)檢測(cè)，分析病害分布范圍及成因，為運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)盡可能覆蓋病害區(qū)段，條件允許情況下，可向外擴(kuò)展設(shè)置比對(duì)斷面，且在病害區(qū)段內(nèi)，按照圍巖級(jí)別、襯砌類型、病害情況進(jìn)行疏密相間布置（重點(diǎn)區(qū)段可按10 m間距設(shè)置斷面，非重點(diǎn)區(qū)段可按20～50 m間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面）。監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)盡可能兼顧每一類斷面。

（3）二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形響應(yīng)能較好反映襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況，可作為后期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

（4）巖溶地區(qū)地下水豐富，結(jié)構(gòu)受力變形與降雨下滲息息相關(guān)，應(yīng)盡可能進(jìn)行滲水壓力和雨量監(jiān)測(cè)。

6結(jié)語

本文通過依托廣西河都路高嶺二號(hào)隧道健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)高速公路運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了探索，討論了運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和施工過程中存在的重難點(diǎn)，得出了以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)高速公路運(yùn)營隧道進(jìn)行表面應(yīng)變、拱頂下沉、周邊收斂、裂縫寬度、滲水壓力等方面的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，能較好地反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形發(fā)展趨勢(shì)。

（2）運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)必須基于詳細(xì)的病害專項(xiàng)檢測(cè)，在系統(tǒng)分析病害成因的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。

（3）巖溶地區(qū)隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將滲水壓力和雨量作為重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

（4）運(yùn)營隧道健康狀況評(píng)價(jià)應(yīng)至少基于1個(gè)水文年的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，才能起到較好的指導(dǎo)作用。

盡管本文對(duì)運(yùn)營隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了探索和實(shí)踐，取得一定成果，但還有很多問題亟待解決，如研究隧道健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道受力和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，探索隧道健康狀況評(píng)價(jià)模型，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量化評(píng)價(jià)隧道健康狀況等。

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