盾構法公路隧道全壽命期健康監測及評估體系研究與應用

段創峰

上海市地下空間設計研究總院有限公司 上海 200020

1 概述

隧道健康監測與評估系統建立的目的，是通過加強對運營階段隧道健康狀態的監測，建立科學的運維養護策略，延長隧道的使用壽命。目前國內已有多條盾構法公路隧道內實施了健康監測系統[1-5]，并取得了豐富的成果，但是由于公路隧道建設與運營環境的復雜性，目前的健康監測系統在實際應用方面還存在諸多問題。本文將在系統性闡述隧道全壽命周期健康監測與評估系統的基礎上，結合杭州文一路地下通道工程，探討若干關鍵技術的應用。

2 全壽命盾構隧道健康監測系統架構設計

盾構法公路隧道全壽命健康監測與評估系統總體架構以數據的處理、流轉與應用為核心，結合巖土、結構力學監測設備以及數據通信技術，形成一套結構健康監測和安全評估預警方案。該架構包括數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據融合分析層和數據應用服務層5個層次。

2.1 數據采集層

隧道健康監測數據主要有2個來源，一類是自動化監測數據，另一類為人工巡檢數據。自動化監測數據主要包含隧道沉降、隧道斷面收斂變形、滲漏水、變形縫張開、裂縫張開、圍巖水土壓力、管片內力、螺栓應力、地面沉降變形、地下水位、結構動力響應等。人工巡檢數據主要針對隧道結構表觀狀態、滲漏水、預埋件狀態的日常巡檢，以及針對混凝土碳化、鋼筋銹蝕、構件強度等方面。人工巡檢數據也可運用巡檢機器人等新技術手段進行采集。

2.2 數據傳輸層

數據傳輸層可以細分為局域數據網絡與數據通信干網。局域數據網絡將經由傳感器轉換得到的數字量發送至數據網關或數據采集終端，根據傳感器的布點形式與數據通信要求可以選擇有線和無線2種方式。數據通信干網則是將數據網關或數據采集終端的數據用統一的網絡協議進行打包，并發送至上位機服務器。在大型公路盾構隧道內，數據通信干網以光纖傳輸為主，隧道內光纖多芯閉環的連接拓撲結構使得其可靠性較好。

2.3 數據儲存層

數據存儲層是在數據源的基礎上進行數據整合，形成面向業務決策與上層數據應用的數據倉庫和數據集。在設計數據倉庫的結果時，既要考慮到底層數據冗余、高并發數據可訪問、簡易數據計算和相關數據主題結構，又要兼顧業務在實際應用中的便捷性和可理解性。包括設計統一的數據格式，依托數據服務器和數據庫管理系統將監測和檢測得到的原始數據進行存儲，對不同類型的數據進行必要的預處理（如降噪和異常判斷）。

2.4 數據融合分析層

數據融合分析層是整個系統架構的關鍵點，數據分析層既要通過不同算法滿足不同需求的挖掘需要，又要根據數據需求盡可能地實時輸出結果。系統的數據分析層將根據隧道結構安全評價方面的專業規范，結合大數據分析方法，實時評估隧道的健康狀態。

2.5 數據應用服務層

數據應用服務層主要用于數據融合分析結果的展示與應用，實現與外部系統的數據對接與共享。對于健康監測系統，最重要的數據應用是預警，通過對單一指標或綜合分析指標設定閾值，判斷隧道健康狀態的變化趨勢，并提出相應的輔助決策。數據應用服務層包含了勘察、設計、施工及養護等基礎數據，可以通過BIM構件信息或GIS空間信息與監測數據相關聯，實現深度應用。

3 系統關鍵技術設計與應用

3.1 項目概況

文一路地下通道（保俶北路—紫金港路）是杭州市“一環五橫三縱”快速路網規劃關鍵組成部分，工程全長5.80 km，其中隧道主線長約5.12 km（盾構區間3.33 km），雙向4車道規模。隧道南、北線2條隧道，分為東、中、西3個明挖段及東、西2個盾構段。盾構段隧道的斷面形式為圓形，內徑為10.36 m、外徑為11.36 m，采用2臺泥水平衡盾構機施工。明挖段隧道斷面形式為單孔矩形，凈寬10.2 m，各類設備及管線主要布置于隧道兩側裝修層內及頂部空間，頂部安裝空間取1.3 m。匝道段凈寬7.6 m，頂部安裝空間1.0 m。主線最大縱坡5%，匝道最大縱坡6%，最小縱坡0.5%。盾構覆土一般路段最少為11 m。

3.2 重點監測斷面與監測內容

根據隧道穿越地層工程地質、管片設計形式、結構設計方案以及建設期與運營期主要風險點，按以下原則最終選擇16個盾構段隧道斷面為重點監測斷面（圖1）：

圖1 重點監測斷面布置示意

1）隧道覆土最大斷面。

2）隧道結構形式變化斷面。

3）周邊有地鐵線路穿越的斷面。

4）地表有河浜流經的斷面。

5）隧道1倍洞徑范圍內有重要高層建筑的斷面。

表1中監測項為自動化監測內容。其中所有監測設備均為外掛式傳感器，在盾構段及明挖段結構施工完成后安裝（圖2），確保在運維期整套系統易于維護與更換。

表1 自動化監測內容及監測方法

圖2 自動化監測設備重點安裝監測示意

3.3 綜合智能監測管片

在文一路地下通道健康監測系統的方案設計中，提出了“綜合智能監測管片”的理念，并將之貫徹到系統設計與施工中。綜合智能監測管片是一種在不影響管片結構性能和防水性能的前提下，以集成化系統為理念的管片設計制造應用方案，該方案的核心是包含了標準化的外部設備固定接口、標準化的傳感器供能與通信電氣接口、標準化的外部巖土監測通道等3個標準化解決方案（圖3）。

圖3 綜合智能監測管片概念設計

3.3.1 標準化的外接設備固定接口

根據管片制造與拼裝形式以及盾構段監測設備的安裝運行方式，在管片內側預埋一組標準化的槽型預埋件以及螺栓套筒，以此作為標準化的外接設備固定接口。

這種標準化的外接設備固定接口，可以在管片澆筑階段通過改造管片鋼模的方式實現精確埋設，埋設重復精度能夠達到0.5 mm。這種高精度的預埋構件能夠很好地控制傳感器的最終安裝姿態，達到預想的設計效果。

3.3.2 標準化的傳感器供能及通信總線

智能綜合監測管片的兩端各設有一個總線盒，管片表面布置有一套通信供能總線，其中既可以傳輸數據信號也可以傳輸直流供電電壓。一套通信供能總線有若干個端口，分別布設在傳感器附近。

管片的兩端分別設有端口，可以與相鄰管片的總線進行串聯，從而使得斷面上所有傳感器均在同一總線構架下（圖4），統一地進行供電與通信，從而大幅提高監測系統的集成度。

圖4 傳感器供能及通信總線拓撲圖

3.3.3 標準化的外部巖土監測通道

在智能監測管片的注漿孔處設置標準化的成套防噴裝置（圖5），形成外部巖土監測通道。各類巖土監測傳感器能夠通過該裝置插入隧道圍巖土體內（圖6），測量土壓力、孔隙水壓力、電導率、波速等物理指標，同時，避免外部泥漿或地下水侵入隧道內部。

圖5 標準化防噴裝置

圖6 外部巖土監測

3.3.4 綜合智能監測管片布設方式

綜合智能監測管片的布設方式是靈活的，可以根據監測系統的需求進行單片離散設置、整環設置、區域連續設置。

在文一路地下通道工程中，在每個重點監測斷面處，綜合智能監測管片采用了整兩環設置的方式（圖7）。

3.4 基于BIM的監測預警與評估管理系統

圖7 綜合智能監測管片布設方式

圖8 監測預警與評估管理系統

監測預警與評估管理系統（圖8）將隧道全生命周期涵蓋的設計、制造、建設和運營等數據集成和信息融合，實現數據資源集中使用和多方信息資源共享。

為便于了解隧道健康狀態，系統依托文一路地下通道BIM模型，以三維模型、二維曲線、圖像等形式展示整條隧道的監測預警信息，并通過分析指標閾值、當前病害信息、歷史病害評價結果對監測數據進行分析并生成預警。系統對隧道主體設施建立完善的健康檔案，利用大數據分析技術，對主體設施和重要機電設備的狀態快速診斷，動態生成資產養護方案，提供輔助運營決策。

4 結語

本文介紹了盾構法公路隧道全壽命期健康監測系統的總體架構及若干關鍵技術在杭州文一路地下通道工程中的應用，總結了盾構法公路隧道全壽命期健康監測系統的多層架構體系，介紹了每一層次的實施內容。以杭州文一路地下通道工程為例，介紹了系統的重點監測斷面與監測項的設計原則與方法、智能綜合監測管片、監測預警與評估系統等關鍵技術的實施要點。“智能綜合監測管片”理念的應用，解決了原有系統實施方式中存在的問題，提高了系統的整體集成度與可靠性。