高水壓大直徑越江電力管廊隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案探討

黃常元，劉學(xué)增，陳松濤，樊思成，龔彥峰，謝 俊，王振宇

(1. 國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2. 同濟大學(xué)，上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200092；3. 中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063；4. 上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092；5. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；6. 水下隧道技術(shù)湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430063)

0 引言

盾構(gòu)隧道逐漸成為交通或電力工程跨海越江的優(yōu)選方案之一，但是受地形與地質(zhì)環(huán)境的影響，這類水下隧道結(jié)構(gòu)受力較為不利，運營期不僅要承受長期的高水壓侵蝕，還因頻繁穿越淤泥質(zhì)軟弱土層或海底風(fēng)化槽等軟硬不均地層，導(dǎo)致沉降特別是差異沉降顯著，由此帶來的接縫張開、錯臺、開裂、滲漏水等病害問題突出，嚴重威脅運營安全與服役性能。針對這類高水壓、大直徑的水下盾構(gòu)隧道，有必要開展健康監(jiān)測，及時監(jiān)控結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，動態(tài)評估結(jié)構(gòu)安全，為運營養(yǎng)護提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

圍繞武漢長江隧道、南京長江隧道、上海長江隧道等代表性盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，國內(nèi)外學(xué)者已開展不少研究與實踐工作，何川、封坤、方勇[1]總結(jié)了現(xiàn)有盾構(gòu)隧道建設(shè)技術(shù)，分析了各類病害對未來隧道運營的安全影響；林楠、謝雄耀和黃宏偉等[2-3]通過數(shù)值模型研究了管片損傷特點，分析了結(jié)構(gòu)病害發(fā)展機理，開展了健康監(jiān)測系統(tǒng)研究；黃俊[4]通過對隧道的力學(xué)計算以及數(shù)值模擬，確定了南京緯七路、揚子江過江通道的健康監(jiān)測重點內(nèi)容以及相應(yīng)的評價標準和體系。劉勝春、張頂立、傅道興等[5-6]結(jié)合傳感監(jiān)測技術(shù)及無損檢測技術(shù)獲得南京長江隧道運營期結(jié)構(gòu)變形受力數(shù)據(jù)，設(shè)計了系統(tǒng)的功能模塊，建立了從安全性、耐久性、實用性三方面綜合考慮的隧道安全評估方法。舒恒等[7]針對南京緯三路過江隧道開展了詳細的健康監(jiān)測設(shè)計研究，介紹了系統(tǒng)的組成以及各個系統(tǒng)的功能；李曉軍等[8]通過分析多條隧道的健康監(jiān)測系統(tǒng)，提出了健康監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測內(nèi)容、位置選取、數(shù)據(jù)集成等方面的注意事項以及不足之處。何曉等[9]開展了上海大連路隧道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計工作，介紹了一體化激光斷面收斂、三向測縫計、大坡度長距離縱向沉降監(jiān)測等新技術(shù)的運用。陳衛(wèi)忠、李長俊等[10]基于模糊綜合評價方法提出了適用于南京揚子江隧道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評價和預(yù)警方法。吳世明、王湛等[11]對杭州慶春路大直徑過江隧道進行了長期健康監(jiān)測，分析了潮水作用對隧道橫截面受力、隧道變形的影響。

總覽上述研究工作與工程實踐，設(shè)計一套合理可行的水下盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測方案，其核心是解決“測什么、測哪里、怎么測”的問題，同時還應(yīng)兼顧監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集、動態(tài)評價、系統(tǒng)穩(wěn)定和易維護等問題。工程地質(zhì)條件和建設(shè)方案的不同，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案也會有較大不同。針對蘇通GIL綜合管廊工程，本文在分析隧址地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，開展了典型斷面管片外部荷載及力學(xué)性能的計算分析工作，為監(jiān)測項目、監(jiān)測斷面、測點布設(shè)及儀器參數(shù)的選擇提供數(shù)據(jù)支撐；繼而探討了監(jiān)測系統(tǒng)的集成、故障診斷、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用等環(huán)節(jié)技術(shù)要點，設(shè)計了一套適用于蘇通GIL綜合管廊越江隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方案，以指導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的實施。

1 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計方案

1.1 工程概況

蘇通GIL綜合管廊采用盾構(gòu)方案越江，是目前世界上電壓等級最高)1 000 kV)、輸送容量最大、技術(shù)水平最強的超長距離GIL創(chuàng)新工程。隧道全長5 468.5 m，外徑11.6 m，管片厚0.55 m，環(huán)寬2 m，混凝土等級為C60，主筋為HRB400級鋼筋。采用“7+1”分塊模式錯縫拼裝，接頭為斜螺栓，機械性能10.9級。結(jié)構(gòu)承載與防水性能、運維安全要求，均處于行業(yè)之最。

1.2 監(jiān)測斷面選取

由岸邊至江中深槽區(qū)段，隧道依次穿越淤泥質(zhì)軟土層、粉質(zhì)粘土層、粉土、粉細砂、細砂等軟弱土層，沿線地層軟弱不均、覆土厚度差異大，縱坡坡度大且頻繁變坡)最大坡度達5%)，導(dǎo)致隧道外部荷載變化較大。圖1為理論計算得到的全線拱部水土壓力分布情況，南岸水土壓力曲線起伏波動比較大、變化較為頻繁，最小值約為0.3 MPa；江中深槽段水土壓力最高，約為1.0 MPa，最大水壓達0.8 MPa，且河床沖刷、淤積作用將引起江中約4.4 m填土高差，在高水壓和潮汐沖淤影響下，隧道結(jié)構(gòu)承受不同程度的加卸載循環(huán)效應(yīng)，受力體系復(fù)雜且極為不利；而北岸水土壓力起伏不大，為0.6～0.8 MPa。

圖1 水土壓力計算分布

經(jīng)驗與理論分析表明，超淺埋、超高水壓、覆土變化明顯、沖淤劇烈、線型變化及淤泥質(zhì)軟黏土、粉土等典型土層區(qū)段，結(jié)構(gòu)運營期變形較大、病害頻發(fā)，是長期監(jiān)測的重點部位。基于此，設(shè)計布設(shè)13個監(jiān)測斷面，其中，南岸地層分布不均勻，水土壓力起伏波動大，洞口覆土厚度最小，且穿越液化土層，布設(shè)監(jiān)測斷面1～4；江中深槽水土壓力最大，且線型變化較大，布置斷面5～9；北岸地層分布較為均勻，水土壓力起伏相對較小，因此布置的間隔較為稀疏，但出洞位置有液化土層，布設(shè)斷面10～13，監(jiān)測斷面的里程、埋深、坡度等信息見表1。

考慮全線以軟土和砂土為主，軟硬互層、埋深、縱坡變化頻繁，盾構(gòu)施工擾動引起的固結(jié)沉降特別是差異沉降顯著，同時存在局部區(qū)段砂土液化的問題，建議全線實施縱向沉降監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測項目確定

監(jiān)測項目應(yīng)反映結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)和材料損傷程度，結(jié)合地質(zhì)特性、設(shè)計參數(shù)、施工方法和經(jīng)濟成本等條件，本工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目包括水土壓力、鋼筋應(yīng)力、接縫張開、螺栓軸力和縱向沉降。

鋼筋應(yīng)力間接反映了隧道管片的內(nèi)力水平，通過監(jiān)測鋼筋應(yīng)力，可以掌握隧道關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合水土壓力監(jiān)測，可為評估管片的力學(xué)性能和損傷程度提供數(shù)據(jù)支持。接頭部位是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)承載及防水的最薄弱環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測螺栓軸力和接縫張開量，可直接反映隧道結(jié)構(gòu)的防水性能和隧道斷面變形情況。

表1 監(jiān)測斷面信息

1.4 測點布設(shè)與儀器選型

健康監(jiān)測關(guān)注的是代表性斷面、關(guān)鍵部位，重點是結(jié)構(gòu)應(yīng)力和螺栓軸力水平高、接縫張開量較大的部位。通過荷載—結(jié)構(gòu)法建立考慮斜螺栓連接的三維錯縫拼裝計算模型，如圖2所示，分析外荷載影響下結(jié)構(gòu)的變形過程、應(yīng)力分布及發(fā)展規(guī)律，從而確定水土壓力、鋼筋應(yīng)力、接縫張開和螺栓軸力的布設(shè)位置以及監(jiān)測設(shè)備的量程和精度要求。詳細的計算分析過程參照文獻[13-14]。

圖2 錯縫拼裝管片精細化模型

1.4.1 典型斷面結(jié)構(gòu)受力性能

圖3為不同土層結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的鋼筋應(yīng)力、螺栓軸力、接縫張開的最大值，鋼筋應(yīng)力較大值出現(xiàn)在隧道頂?shù)缀妥笥夜把帲痉舷嚓P(guān)工程經(jīng)驗和文獻報道[11]。螺栓應(yīng)力的分布規(guī)律性不明顯，不同土層螺栓軸力差異大，且上半環(huán)位置管片塊中間位置螺栓受力水平更高(每塊3根連接螺栓)，下半環(huán)相反。拱頂處的接縫張開量最大。

由此確定測點布設(shè)方案：①鋼筋應(yīng)力以90°為分界點，每斷面在頂?shù)住⒆笥已荚O(shè)4個測點，內(nèi)外成對布置；②水土壓力測點與鋼筋應(yīng)力一致，以相互驗證；③環(huán)向螺栓每斷面布設(shè)6～8個測點，上半環(huán)監(jiān)測應(yīng)力水平更高的中間一根螺栓，下半環(huán)相反；④縱向螺栓與鋼筋應(yīng)力測點基本一致，關(guān)注環(huán)間錯位的發(fā)展；⑤受下半環(huán)現(xiàn)澆層的影響，接縫張開測點僅布設(shè)在上半環(huán)，縱縫4個測點，環(huán)縫3個測點，如圖4所示。

縱向沉降按20～50 m間距布設(shè)測點，軟硬不均、埋深變化、坡度變化區(qū)段取20 m，砂性土、均勻土層等取大值。

圖3 隧道力學(xué)性能分析

圖4 監(jiān)測儀器測點位置

1.4.2 儀器選型與優(yōu)化措施

1)水土壓力。為確保數(shù)據(jù)可靠度，選用接觸面積更大的柔性土壓力監(jiān)測水土壓力。圖1顯示，江中深槽段水土壓力值介于600～1 000 kPa，南北兩岸水土壓力值300～600 kPa，儀器量程分別選1 500和1 000 kPa，精度1.5%FS。

針對柔性土壓力計，設(shè)計了相應(yīng)的防水裝置。該裝置由預(yù)埋蓋板、C形防水模板、蓋板框、定位螺桿、C形橡膠密封墊、橡膠止水條、環(huán)氧樹脂涂層組成，如圖5所示。通過C形防水模板和橡膠密封墊形成閉合防水密封系統(tǒng)，可以有效解決管片安裝水土壓力監(jiān)測設(shè)備時面臨的防水隱患，降低了安裝難度。

圖5 柔壓計防水裝置

2)鋼筋應(yīng)力。鋼筋應(yīng)力采用鋼筋計監(jiān)測。鋼筋屈服強度為400 MPa，模擬計算結(jié)果最大為235 MPa，考慮鋼筋計工藝水平，鋼筋計量程取為±200 MPa，精度為0.5%FS。

3)螺栓軸力。螺栓軸力計有墊圈式、薄膜式、開孔刻槽式等幾種類型，如圖6所示。開孔埋入微型應(yīng)變計，加工工藝要求高，且會損壞螺栓的完整性，通過對比，本工程采用墊圈型的電阻式應(yīng)變軸力計，螺栓軸力計直接嵌套在加長螺栓的桿端即可，操作簡便，如圖7所示。根據(jù)力學(xué)計算結(jié)果，螺栓軸力計量程選取為0～550 kN，精度為1.0%FS。

圖6 螺栓軸力計

圖7 螺栓軸力計布置示意圖

4)接縫張開。通過測縫計監(jiān)測接縫張開量，量程為12.5 mm，精度為0.1%FS，為降低滲水隱患，經(jīng)實測，選用直徑8 mm、長3 cm的膨脹螺栓固定。

5)縱向沉降。對于沉降，自動化監(jiān)測一般采用靜力水準儀，但常規(guī)儀器量程100～500 mm，而本工程縱坡坡度最大5%，即每百米高差5 m，遠超上述量程。為此，本工程選用壓差式靜力水準儀，同時通過變高安裝(充分利用巡視通道側(cè)墻高度)的方案，將百米高差降低為3.2 m，選用3.5 m量程的儀器，精度要求不低于0.1%FS，分辨率不大于0.01%FS，局部布置如圖8所示。坡度最大區(qū)段每3～5個測點中轉(zhuǎn)一次，后期應(yīng)結(jié)合人工復(fù)核修正中轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差。

圖8 南岸基準點段沉降測點布設(shè)圖

此外，盡管蘇通GIL綜合管廊輸送電壓高達1000 kV，但前期電磁兼容性方面的研究成果表明，采用GIL技術(shù)后，距離管壁0.2 m外的磁場強度很小，可不考慮其影響，選用工作性能更加穩(wěn)定的振弦式儀器即可滿足要求，監(jiān)測儀器信息統(tǒng)計見表2。

表2 監(jiān)測設(shè)備技術(shù)性能

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

管廊投入運營后，人工巡視頻率較低，宜組建自動化監(jiān)測系統(tǒng)，分軟、硬件兩部分，硬件由前端監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，軟件為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測管理平臺。

2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

遵循就近原則，在每個監(jiān)測斷面位置設(shè)置獨立的光纖與供電接入點，采集儀輸出的串口信號經(jīng)過配套光端機轉(zhuǎn)換為光信號后，接入光纖環(huán)網(wǎng)，傳送至南、北引接站服務(wù)器，見圖9。

施工期隧道環(huán)境惡劣，電力和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集依靠人工完成。隧道運營初期外部荷載和環(huán)境變化較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為關(guān)鍵，宜采用較高的監(jiān)測頻率；運營5 a以后，可認為隧道進入穩(wěn)定運營期，監(jiān)測頻率可適當(dāng)降低。出現(xiàn)災(zāi)害、數(shù)據(jù)異常或臨近預(yù)警狀態(tài)時應(yīng)提高監(jiān)測頻率，蘇通GIL管廊隧道監(jiān)測頻率見表3。

圖9 隧道健康監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

表3 隧道沉降、受力及變形監(jiān)測頻率

2.2 基于健康監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)管理

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測管理平臺以地質(zhì)體和管片結(jié)構(gòu)為索引，集成地質(zhì)、設(shè)計參數(shù)、掘進拼裝信息、施工及健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡查病害等，綜合監(jiān)測檢測多源數(shù)據(jù)，自動評價結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并為病因溯源、處治決策提供數(shù)據(jù)支持，功能架構(gòu)和首頁展示如圖10和圖11所示。

圖10 蘇通GIL綜合管廊工程隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測管理平臺功能架構(gòu)

2.3 健康狀態(tài)評價體系

結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析、材料強度特性、規(guī)范規(guī)定及工程經(jīng)驗，建立“單點—區(qū)段—總體”的多層次評價體系，單點健康狀態(tài)依賴于單一指標評價，區(qū)段與總體通過打分法或模糊綜合理論評價，如圖12所示，建議健康狀態(tài)評估分4步走：

1)動態(tài)分析監(jiān)測斷面的水土壓力、鋼筋應(yīng)力、螺栓軸力和接縫張開等，進行單一指標的評價與分級，超限時及時預(yù)警，加強巡查或監(jiān)測；

2)針對經(jīng)常、定期或者專項檢查獲取的病害數(shù)據(jù)，進行單點病害的單一指標評價，指導(dǎo)單點病害的處治即小修保養(yǎng)決策；

3)綜合定期檢測或?qū)ｍ棛z查得到的襯砌裂損、滲漏水、劣化及監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用模糊綜合評價法或打分法對各個區(qū)段的健康狀態(tài)進行評價，判定是否進行大、中修；

4)基于打分法、概率統(tǒng)計及“一票否決”(重點指襯砌裂損、滲漏水等指標超限的情況)，由各個區(qū)段的健康狀態(tài)匯總、評價整體結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，指導(dǎo)全線的大、中修決策及巡檢頻率。

圖12 監(jiān)測系統(tǒng)安全評估體系

2.4 故障診斷

健康監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全評估的前提條件，除加強軟件維護性能外，建立監(jiān)測硬件系統(tǒng)的故障自檢體系也是必要的。

故障自檢主要包括儀器設(shè)備、通信和供電三方面，邏輯層次為供電＞網(wǎng)絡(luò)＞儀器設(shè)備，見圖13。自檢功能的語言邏輯為：①首先判斷供電完好情況，通過布置繼電器實現(xiàn)供電狀況監(jiān)測；②其次檢查網(wǎng)絡(luò)通暢情況，通過“ping”定期返回監(jiān)測系統(tǒng)中交換機、采集儀等設(shè)備IP地址，檢查網(wǎng)絡(luò)通暢性；③最后查看監(jiān)測設(shè)備)采集儀、傳感器)通道信號是否正常，判斷儀器性能。

圖13 監(jiān)測系統(tǒng)故障自檢

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

上述方案指導(dǎo)了蘇通GIL綜合管廊隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測實施工作，截止目前13個斷面的鋼筋應(yīng)力計、螺栓軸力計、測縫計已安裝完成。以江中深槽段、里程DK1+630監(jiān)測斷面為例，圖14為該斷面的鋼筋計實測值變化曲線，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后的監(jiān)測斷面鋼筋應(yīng)力見圖15。鋼筋計實測值衰減較快，然后趨于穩(wěn)定。隧道拱頂內(nèi)側(cè)受壓最大為85.13 MPa，右腰外側(cè)略小于拱頂壓力。

圖14 鋼筋計實測值

圖15 DK1+630監(jiān)測斷面鋼筋應(yīng)力分布

采用本文提出的單一指標評價方法，截至目前所監(jiān)測的斷面健康度均為1級，即處于完好狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過分析蘇通GIL綜合管廊隧道沿線地質(zhì)條件、典型斷面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、監(jiān)測儀器性能及數(shù)據(jù)管理、評價方法，本文探討了水下大直徑電力管廊隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方案，以下結(jié)論可供類似工程參考：

1)水下大直徑盾構(gòu)隧道應(yīng)重點關(guān)注高水壓、淤泥質(zhì)土等軟弱土層、超淺埋、江中沖淤劇烈和軟硬不均區(qū)段，針對結(jié)構(gòu)外部水土壓力及變形明顯部位的接縫張開、螺栓軸力等進行監(jiān)測，為輔助了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，可適當(dāng)監(jiān)測鋼筋或混凝土應(yīng)力。

2)監(jiān)測儀器的量程宜結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能確認，對于預(yù)埋性的儀器，應(yīng)加強防水處理措施；對縱坡坡度大的隧道，沉降監(jiān)測應(yīng)做好儀器量程、中轉(zhuǎn)點及累計誤差消除方案的設(shè)計工作。

3)數(shù)字化的健康監(jiān)測平臺和“單點-區(qū)段-總體”的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評價體系，可有效加強海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、管理，配置故障自檢功能也有利于監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和耐久性。

上述方案已在依托工程得到直接應(yīng)用，監(jiān)測斷面和儀器選型的合理性、評價方法的適用還有待驗證，后續(xù)應(yīng)在數(shù)據(jù)積累足夠的條件下做進一步的總結(jié)分析，豐富、完善水下大直徑盾構(gòu)隧道的健康監(jiān)測方案與評價方法。