城市下穿通道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全評價

潘紅兵，王燕平，張忠宇

（1.南京交通運營管理集團有限公司，江蘇 南京 211800；2.揚州市隧道管理處，江蘇 揚州 225002；3.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

城市隧道工程的建設(shè)極大地緩解了地面交通擁堵問題，因此近年來大量城市隧道建設(shè)并投入運營[1]。然而在城市隧道長時間的運營使用過程中，由于隧道自身的施工缺陷或養(yǎng)護不到位等問題，容易引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)變形、病害等，對隧道結(jié)構(gòu)造成安全隱患[2-3]，將直接影響隧道功能及行車安全，也會導(dǎo)致隧道使用壽命減少，造成巨大的社會經(jīng)濟損失。因此必須對隧道結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，開展結(jié)構(gòu)健康安全評價，并采取相應(yīng)的養(yǎng)護措施，從而確保城市隧道運營安全。當前國內(nèi)針對隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、隧道病害分類及機理分析，隧道結(jié)構(gòu)安全評價等進行了大量研究，也陸續(xù)制定了一系列規(guī)定和標準，有效保障了隧道的安全高效運營。相關(guān)研究如下：

孟志浩等[4]采用光纖傳感器，監(jiān)測運營期軌道交通盾構(gòu)隧道環(huán)向收斂、縱向沉降以及伸縮縫的變形。杜榮武等[5]建立了基于移動三維激光掃描的地鐵隧道三維全景監(jiān)測系統(tǒng)，得到地鐵隧道管片和軌道的三維點云數(shù)據(jù)。王燕平等[6]針對瘦西湖隧道，開展為期一年的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測和病害檢查工作，分析了隧道變形及病害現(xiàn)狀，并提出了隧道養(yǎng)護措施。唐璇等[7]以南京某隧道、揚州某隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，采用多種方法詳細分析了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運營現(xiàn)狀。吳世明等[8]基于杭州慶春路過江隧道，開展隧道長期健康監(jiān)測，分析穿越砂性土層大斷面隧道在運營期的橫斷面的受力和變形特性。陳衛(wèi)忠等[9]分析水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)隨外載環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律。

黃艷華[10]提出基于局部病害、結(jié)構(gòu)耐久性、滲透水、外部環(huán)境和其他五維度等指標的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康風險評價指標體系。易志偉[11]依托魯家峙水下公路隧道工程，開展隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全評價系統(tǒng)的研究。段創(chuàng)峰[12]以杭州文一路地下通道工程為案例，介紹了監(jiān)測斷面與監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計、綜合智能監(jiān)測管片、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警與評估管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。謝永利等[13]系統(tǒng)介紹了運營隧道健康評價體系、監(jiān)測設(shè)備與技術(shù)。

《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》[14]針對山嶺公路隧道，依據(jù)公路技術(shù)等級、交通流量、隧道規(guī)模等因素，提出了公路隧道養(yǎng)護分級標準，建立了公路隧道技術(shù)狀況評價體系和方法。《在役公路隧道長期監(jiān)測技術(shù)指南》[14]從長期監(jiān)測實施條件、監(jiān)測項目、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)分析等方面規(guī)范了在役公路隧道結(jié)構(gòu)病害、隱患以及嚴重不良地質(zhì)段的監(jiān)測技術(shù)。《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》[15]針對公路隧道，規(guī)范了襯砌加固、注漿加固、換拱加固、隧底加固、滲漏水處治、裂縫處治與表面缺陷修補等設(shè)計和施工內(nèi)容。

當前城市隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要以城市交通隧道為主，而城市道路下穿通道由于長度較短，規(guī)模較小，因此針對下穿通道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和研究工作較少，關(guān)注度不足，而城市下穿通道作為城市快速路的重要組成部分[16]，其重要性不言而喻。揚州市潤揚北路、泰州路下穿通道主要穿越淤泥質(zhì)粉土和粉土夾粉砂層，局部軟弱地基和局部側(cè)限的不均衡將會導(dǎo)致下穿通道的變形和病害。因此開展城市下穿通道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和病害調(diào)研，評價下穿通道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，采取相應(yīng)的養(yǎng)護措施，對于保障下穿通道的安全運營具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 總體設(shè)計

（1）潤揚北路下穿通道

潤揚北路下穿通道位于揚州市新城西區(qū)潤揚北路與文昌西路交匯的十字路口，2004年建成通車，全長418.59m，其中敞開段長348.59m，暗箱段長70m。通道結(jié)構(gòu)總寬19.9m，雙向四車道，暗箱段凈高4.7m，路線縱坡5%，車道橫坡1%，設(shè)計車速60km/h。潤揚北路下穿通道平面見圖1。

圖1 潤揚北路下穿通道工程平面位置示意

（2）泰州路下穿通道

泰州路下穿通道位于揚州市泰州路與躍進橋（廣陵路）交叉口，該通道由敞開段、暗埋段兩大部分組成，2014年建成通車，長約480m。下穿隧道口設(shè)計高度約為3m，車輛通行高度2.8m左右，可滿足小汽車通行，為單孔雙向兩車道，下穿通道南北兩端U型槽接線兩側(cè)設(shè)置輔道及人行道。泰州路下穿通道平面見圖2。

圖2 泰州路下穿通道工程平面位置示意

1.2 工程地質(zhì)

潤揚北路、泰州路下穿通道主要穿越淤泥質(zhì)粉土和粉土夾粉砂層，場地整體穩(wěn)定性一般，局部軟弱地基和局部側(cè)限的不均衡可能會導(dǎo)致下穿通道的差異沉降與結(jié)構(gòu)變形。

1.3 下穿通道結(jié)構(gòu)變形、病害觀測內(nèi)容及方法

結(jié)合道路下穿通道的結(jié)構(gòu)特點和受力特征，重點監(jiān)測下穿通道道面沉降、拱頂下沉、斷面收斂等三項，每個斷面均在南北車道上設(shè)置路釘，供水準儀測量道面沉降使用；兩側(cè)墻體上設(shè)置掛鉤，供收斂儀測量斷面收斂；在通道拱頂中心線處設(shè)置掛鉤，用于測量拱頂下沉。

（1）道面沉降

在下穿通道內(nèi)布設(shè)道面沉降監(jiān)測點，測點位于道路中軸線處，每隔25m設(shè)置一個斷面，見圖3。觀測方法采用水準測量方法，基準和附近水準點聯(lián)測取得初始高程，首次觀測對應(yīng)點進行連續(xù)兩次觀測，兩次高程之差應(yīng)小于±1.0mm，取平均值作為初始值。

圖3 道面差異沉降測點布置

（2）拱頂下沉

拱頂下沉測點見圖4，采用免棱鏡全站儀拱頂沉降測試，在拱頂布設(shè)固定測點，粘貼反光貼片，每個拱頂下沉監(jiān)測斷面有1個測點，每隔25m設(shè)置一個斷面。

圖4 拱頂下沉測點布置

（3）斷面收斂

斷面收斂測點見圖5，暗箱段每個斷面收斂監(jiān)測斷面布設(shè)2個測點，測點位于道路路面以上1.5m高處，間距25m；敞開段每個斷面收斂監(jiān)測斷面布設(shè)2個測點，測點位于高度方向中點處，若中點高于1.5m的區(qū)段，設(shè)置在道路路面以上1.5m高處。每隔50m設(shè)置一個斷面。

圖5 斷面收斂測點布置

（4）病害觀測

病害觀測主要以裂縫測量為主，主要工具為塞尺和鋼卷尺。

2 隧道結(jié)構(gòu)變形及病害分析

以2018年9月的監(jiān)測數(shù)據(jù)為變形監(jiān)測初始數(shù)據(jù)，分別于2018年12月，2019年4月，2019年6月，2019年9月開展四期測量工作。

2.1 道面沉降

道面沉降累計變化量是以2018年9月監(jiān)測數(shù)據(jù)為初始高程，根據(jù)四期測量的結(jié)果，分別計算各期的沉降值和累計沉降值。

圖6、圖7分別為潤揚北路、泰州路下穿通道不同監(jiān)測周期內(nèi)各測點道面沉降量及其對應(yīng)樁號，分析可得：潤揚北路下穿通道第一、二、四期沉降量值及其趨勢大致一致，敞開段與暗埋段無明顯差異；潤揚北路下穿通道第三期的道面沉降大于其他監(jiān)測周期內(nèi)，且第三期敞開段和暗埋段的道面沉降值波動較大，暗埋段的沉降值大于敞開段，其原因主要是降雨使隧道周圍土體產(chǎn)生一定的松動，進而引起道面的變形增大；泰州路下穿通道與潤揚北路下穿通道的道面沉降規(guī)律較為一致，表現(xiàn)為第三期道面沉降值較大，且波動幅度較大；潤揚北路、泰州路下穿通道道面累計沉降值均在2mm以內(nèi)，滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》[18]的要求。

圖6 潤揚北路下穿通道各期道面沉降變化量（單位：mm）

圖7 泰州路下穿通道各期道面沉降變化量（單位：mm）

2.2 拱頂沉降

圖8、圖9分別為潤揚北路、泰州路下穿通道不同監(jiān)測周期內(nèi)各測點拱頂沉降量及其對應(yīng)樁號，分析可得：潤揚北路、泰州路下穿通道暗埋段拱頂沉降趨勢一致，表現(xiàn)為中間管節(jié)的拱頂沉降明顯大于兩側(cè)管節(jié)，呈現(xiàn)“∧”型的變化特點；潤揚北路下穿通道最大累計沉降值為10.1mm，泰州路下穿通道最大累計沉降值4.37mm均在安全范圍以內(nèi)。

圖8 潤揚北路下穿通道拱頂沉降變化量（單位：mm）

圖9 泰州路下穿通道拱頂沉降變化量（單位：mm）

2.3 周邊收斂

圖10、圖11為潤揚北路、泰州路下穿通道收斂變化值，分析可得：潤揚北路下穿通道整體向內(nèi)收斂，累計收斂值變化范圍在-5.7～20.06mm之間；泰州路下穿通道也表現(xiàn)為向內(nèi)收斂，累計收斂值變化范圍為4.26～8.09mm；潤揚北路、泰州路下穿通道敞開段收斂大于暗埋段，收斂值結(jié)果表明結(jié)構(gòu)處于安全范圍以內(nèi)。

圖10 潤揚北路下穿通道收斂變化量（單位：mm）

圖11 泰州路下穿通道收斂變化量（單位：mm）

2.4 病害分析

潤揚北路下穿通道結(jié)構(gòu)無明顯裂縫，路緣石上分布大量細微裂縫，下穿通道結(jié)構(gòu)局部位置水泥起皮空鼓破裂，共計5處，見圖12、圖13。

圖12 潤揚北路路緣石病害圖

圖13 潤揚北路表面空鼓病害圖

泰州路下穿通道結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)明顯貫通縫1條；路緣石及其上部混凝土有病害特征，局部位置鋼筋裸露；路緣石上分布大量細微裂縫，下穿通道結(jié)構(gòu)局部位置水泥起皮空鼓破裂；變形縫封堵水泥掉落，附近產(chǎn)生衍生裂縫最大裂縫約5mm，見圖14～圖17。

圖14 泰州路下穿通道拱頂貫穿縫病害圖

圖15 泰州路下穿通道路緣石病害圖

圖16 泰州路下穿通道起皮空鼓破裂病害圖

圖17 泰州路下穿通道變形縫處衍生裂縫病害圖

3 下穿通道結(jié)構(gòu)安全評價及養(yǎng)護建議

《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：隧道技術(shù)狀況評定主要包括隧道土建結(jié)構(gòu)、機電設(shè)施、其他工程設(shè)施分項技術(shù)狀況評定和總體技術(shù)狀況評定；隧道技術(shù)狀況評定采用分層綜合評定與隧道單項控制指標相結(jié)合的方法，先對隧道各檢測項目進行評定，然后對隧道土建結(jié)構(gòu)、機電設(shè)施和其他工程設(shè)施分別進行評定，最后進行隧道總體技術(shù)狀況評定。

根據(jù)隧道技術(shù)狀況、完好程度，其總體技術(shù)狀況評定結(jié)果分為1類、2類、3類、4類、5類，分別對應(yīng)完好、良好、合格、不合格、危險狀態(tài)。隧道總體技術(shù)狀況評定等級采用土建結(jié)構(gòu)和機電設(shè)施兩者中最差的技術(shù)狀況類別作為總體技術(shù)狀況的類別，隧道檢查及技術(shù)狀況評定工作流程見圖18。隧道總體技術(shù)狀況評定類別及養(yǎng)護對策見表1。

圖18 隧道技術(shù)狀況評定工作流程

表1 公路隧道總體技術(shù)狀況評定類別

基于《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTGH12—2015）的相關(guān)規(guī)定，對潤揚北路、泰州路下穿通道技術(shù)狀況進行評定得到：

（1）潤揚北路下穿通道最終評定結(jié)果為土建結(jié)構(gòu)為1類，機電設(shè)施為2類，因此，隧道總體技術(shù)狀況評定級別為2類。

（2）泰州路下穿通道最終評定結(jié)果為土建結(jié)構(gòu)為2類，機電設(shè)施為2類。因此，隧道總體技術(shù)狀況評定級別為2類。

（3）提出了潤揚北路、泰州路下穿通道的養(yǎng)護建議：對局部或關(guān)鍵設(shè)備進行監(jiān)測或檢查，必要時實施專項工程。

4 結(jié)論

以揚州市潤揚北路、泰州路下穿通道工程為依托，開展隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和病害調(diào)研，評價隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，編制了《城市下穿通道養(yǎng)護指導(dǎo)手冊》，為下穿通道的長期運營安全提供規(guī)范性指導(dǎo)建議，主要結(jié)論如下：

（1）潤揚北路、泰州路下穿通道的道面沉降規(guī)律較為一致，表現(xiàn)為第三期道面沉降值較大，且波動幅度較大；潤揚北路、泰州路下穿通道道面累計沉降值較小，均在2mm以內(nèi)。潤揚北路、泰州路下穿通道暗埋段拱頂沉降均表現(xiàn)為中間管節(jié)的拱頂沉降明顯大于兩側(cè)管節(jié)，呈現(xiàn)“∧”型特點；潤揚北路、泰州路下穿通道最大累計沉降值為10.1mm、4.37mm，均在安全范圍以內(nèi)。

（2）潤揚北路、泰州路下穿通道敞開段收斂大于暗埋段，累計收斂值范圍分別為-5.7～20.06mm、4.26～8.09mm，處于可控范圍內(nèi)。

（3）潤揚北路下穿通道結(jié)構(gòu)無明顯裂縫，泰州路下穿通道結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)明顯貫通縫1條，局部位置鋼筋裸露；潤揚北路、泰州路下穿通道均存在路緣石上分布大量細微裂縫、局部位置水泥起皮空鼓破裂等病害。

（4）根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，得到潤揚北路、泰州路下穿通道的總體技術(shù)狀況評定級別為2類，并相應(yīng)地提出了潤揚北路、泰州路下穿通道的養(yǎng)護建議。

（5）城市下穿通道的結(jié)構(gòu)病害關(guān)注較少，但其病害問題往往較為突出，因此需對城市下穿通道結(jié)構(gòu)病害進行普查工作，明確典型病害的類型及其成因，進而開展病害處置。