巖溶地區高速公路運營隧道結構健康監測系統研究及應用

熊雅文　何華　張志超　劉家宇

摘要：為有效感知巖溶地區高速公路運營隧道襯砌結構受力和變形發展狀況，分析病害成因并及時預警潛在風險，文章依托河池至都安高速公路高嶺二號隧道結構健康監測系統工程實例，從監測斷面和內容的選取，以及測點布置等方面，探索了巖溶地區高速公路運營隧道結構健康監測系統構建技術。近7個月的監測數據表明，該健康監測系統能較好反映隧道襯砌結構的受力和變形規律，具備良好的可實施性。

關鍵詞：隧道工程;結構健康監測;現場試驗;高速公路運營隧道;巖溶隧道;專項檢測

中國分類號：U456.3

0引言

隨著“十三五”規劃的收官和“十四五”規劃開篇，廣西地區公路交通里程出現爆發式增長，高速公路逐漸向崇山峻嶺擴張，隧道里程也出現井噴式增長，運營隧道的安全問題日益突出。結構健康監測技術在隧道工程中的應用相對較晚，在我國近十余年間才逐步得到重視和應用。國外較早的隧道健康監測系統出現于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構健康監測系統的隧道有英吉利海峽盾構隧道、韓國釜山沉管隧道、英國海峽隧道鐵路連接線盾構隧道、丹麥厄勒海峽沉管隧道、希臘普雷韋扎沉管隧道、英國希思羅機場隧道、愛爾蘭利墨瑞克沉管隧道等[2]。國內隧道健康監測近年來也有較大發展，涌現出很多工程案例，根據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）、盾構隧道（上海崇明越江隧道、南京揚子江隧道等[5]）、明挖水下隧道（南京玄武湖隧道[6]）、明挖軟土隧道（寧波永達路隧道、南京地鐵、深圳地鐵等[7]）。針對采用礦山法施工的山嶺隧道健康監測案例較少，而針對高速公路隧道運營期間實施的健康監測案例幾乎沒有，如何構建合理有效的運營隧道健康監測系統是當下亟待解決的問題。

本文依托廣西河都路高嶺二號隧道結構健康監測工程案例，融合物聯網、4G數據傳輸等技術，在廣西交投科技有限公司自主研發的廣西高速公路災害風險智慧云控平臺基礎上，探索了巖溶地區運營隧道健康監測系統設計的重難點問題，對監測斷面、監測內容、測點布設、數據分析等方面進行了論述，同時對隧道健康監測亟待解決的問題進行了思考，可為今后類似運營隧道健康監測系統構建提供參考借鑒。

1工程概況

2019年7月，廣西河都路高嶺二號隧道管養單位在日常巡檢過程中發現，高嶺二號隧道下行線ZK1807+790～ZK1807+900（施工樁號為ZK63+745～ZK63+855）發生突泥，現場出現側壁檢查井冒漿、施工縫頂部冒漿等情況。通過竣工資料可知，高嶺二號隧道下行線ZK1807+690～ZK1808+190段設計圍巖級別依次為Ⅱ級（ZK1807+690～ZK1807+845）、Ⅲ級（ZK1807+845～ZK1807+950）、Ⅱ級（ZK1807+950～ZK1808+190）。ZK1807+815～ZK1807+896區段在施工中發生過塌方、冒頂和突泥災害，本次突泥病害段主要集中在該區段。

2隧道病害專項檢測

2.1外觀檢測結果

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，表現為襯砌裂縫、滲漏水，局部滲漏水較嚴重，呈滴水狀。

2.2襯砌混凝土強度檢測結果

通過回彈和碳化深度檢測，結果顯示襯砌混凝土強度良好，均滿足C25混凝土設計要求。

2.3襯砌厚度及背后脫空情況檢測結果

高嶺二號隧道下行線右拱腰位置雷達檢測結果如圖2所示。通過雷達檢測結果可知，ZK1807+790～ZK1807+900為主要突泥段，圍巖軟弱區段為ZK1807+815～ZK1807+896（施工過程中發生突泥段），ZK1807+960～ZK1808+190區段襯砌背后圍巖松散、節理裂隙發育。

經過專項檢測，初步推測襯砌突泥主要是由于圍巖內部溶蝕裂隙發育，溶洞坍塌等，引起圍巖水壓增大并四處擴散，通過襯砌裂縫、預留槽等滲漏水薄弱環節，發生突泥災害。為有效感知隧道襯砌結構的健康狀況，預測病害發展趨勢，有必要對病害段進行結構健康監測。

3運營隧道健康監測系統設計

3.1隧道健康監測系統總體設計

隧道結構健康監測系統主要分為數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據分析模塊和數據展示模塊等4部分，整體布置方案如圖3所示。

3.2運營隧道健康監測內容及方法

3.2.1監測內容及方法

本文將運營隧道健康監測內容劃分為環境、荷載、受力、變形等四個方面，以隧道受力和變形作為監測評價指標，兼顧考慮隧道所受荷載及所處環境等各方面，具體如表1所示。高嶺二號隧道監測內容包括：表面應變（應力）（55個振弦式表面應變計）、拱頂下沉（11個激光位移計）、周邊位移（11個激光位移計）、滲水壓力（4個滲壓計）、裂縫寬度（2個振弦式裂縫計）、視頻（1個高清攝像頭）、雨量（1個雨量計）。

3.2.2監測斷面選取及測點布置

3.2.2.1監測斷面選取

根據圍巖級別、襯砌類型及病害分布特征，本文按照每一類圍巖級別或襯砌類型的區段均布置至少1個監測斷面的原則，對ZK1807+690～ZK1808+190區段共布置有11個監測斷面，具體如圖4所示。

3.2.2.2測點布置

對于典型監測斷面的測點布置情況如下：

（1）表面應力應變：布置5個測點，分別在拱頂、兩側拱腰、兩側邊墻位置。

（2）周邊位移及拱頂沉降：周邊位移布置1條測線，在兩側邊墻位置;拱頂沉降布置1個測點。

（3）滲水壓力：在典型斷面布置1～2個測點，在兩側邊墻位置。

（4）裂縫寬度：布置1～2個測點（根據現場情況而定）。

（5）視頻監控：在保證對監測區段通視的情況下，盡可能布置在襯砌結構狀況良好的位置。

（6）雨量監測：每座隧道外布置1處雨量監測點。

典型斷面測點布置如圖5所示。

4監測數據分析

高嶺二號隧道健康監測系統于2020年12月安裝調試完畢，經過7個月的數據觀測，系統運行穩定，本文選取典型斷面YK1807+885的監測數據進行分析。

4.1表面應變

YK1807+885斷面表面應變監測結果如圖6所示。由圖6可知，襯砌表面應變整體呈受壓趨勢，且逐漸增長，符合隧道襯砌結構的受力規律。最大壓應變約為180 με（C25混凝土彈性模量取28 GPa，換算成壓應力為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開始監測，其中拱頂下沉監測結果如圖7所示，周邊收斂監測結果如下頁圖8所示。由監測結果可知，YK1807+885斷面拱頂下沉監測期間累計下沉約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開始監測，其裂縫寬度變化曲線如圖9所示。根據監測結果可知，裂縫寬度整體呈現壓緊、閉合趨勢，與襯砌表面整體受壓應力的規律一致。這表明監測期間，YK1807+885斷面的裂縫寬度呈減小趨勢，結構受擠壓變形，累計閉合約0.035 mm。

4.4滲水壓力和雨量

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

4.5環境溫度

通過對比各斷面測點的溫度數據，溫度大小和變化規律基本一致。本文選取YK1807+885斷面右拱腰的溫度作為代表性測點，如圖13所示。通過溫度監測數據可知，每天均存在一定的溫度波動，波動幅度約為5 ℃，該溫差可能對襯砌表面應力造成影響。

將溫度變化曲線與左拱腰表面應變曲線進行綜合分析，如圖14所示，溫度變化曲線與表面應變曲線存在明顯的相關性。可見，對運營隧道進行環境溫度監測是非常必要的。

5運營隧道健康監測系統設計重難點

運營隧道健康監測系統設計的重難點在于監測方案設計的合理性，主要表現在如下幾個方面：

（1）運營隧道健康監測方案的設計必須基于詳細的專項檢測結果，通過專項檢測，分析病害分布范圍及成因，為運營隧道健康監測方案設計提供數據支撐。

（2）監測斷面應盡可能覆蓋病害區段，條件允許情況下，可向外擴展設置比對斷面，且在病害區段內，按照圍巖級別、襯砌類型、病害情況進行疏密相間布置（重點區段可按10 m間距設置斷面，非重點區段可按20～50 m間距設置監測斷面）。監測斷面應盡可能兼顧每一類斷面。

（3）二次襯砌結構的受力和變形響應能較好反映襯砌結構健康狀況，可作為后期穩定性評價的主要指標。

（4）巖溶地區地下水豐富，結構受力變形與降雨下滲息息相關，應盡可能進行滲水壓力和雨量監測。

6結語

本文通過依托廣西河都路高嶺二號隧道健康監測項目，對高速公路運營隧道健康監測系統的構建進行了探索，討論了運營隧道健康監測系統方案設計和施工過程中存在的重難點，得出了以下結論：

（1）通過對高速公路運營隧道進行表面應變、拱頂下沉、周邊收斂、裂縫寬度、滲水壓力等方面的系統監測，能較好地反映隧道襯砌結構的受力和變形發展趨勢。

（2）運營隧道健康監測系統方案的設計必須基于詳細的病害專項檢測，在系統分析病害成因的基礎上進行合理的監測方案設計。

（3）巖溶地區隧道健康監測系統設計時，應將滲水壓力和雨量作為重要監測指標。

（4）運營隧道健康狀況評價應至少基于1個水文年的健康監測數據，才能起到較好的指導作用。

盡管本文對運營隧道健康監測系統的構建進行了探索和實踐，取得一定成果，但還有很多問題亟待解決，如研究隧道健康監測數據處理和分析技術，充分利用監測數據，對隧道受力和變形進行預測，探索隧道健康狀況評價模型，通過監測數據量化評價隧道健康狀況等。

參考文獻：

[1]IKUMA M.Maintenance of the undersea section of the Seikan Tunnel[J].Tunnel and Underground Space Technology，2003，20（2）：143-149.

[2]黃俊.水底大直徑盾構隧道健康監測系統研究與應用[D].北京：北京交通大學，2013.

[3]謝雄耀，王培，李永盛，等.甬江沉管隧道長期沉降監測數據及有限元分析[J].巖土力學，2014，35（8）：2 314-2 324.

[4]袁崢，楊錦波，劉俊偉，等.寧波市常洪隧道沉管接縫平面位移監測技術探討[J].城市勘測，2012（5）：142-143.

[5]黃俊.結構智能健康監測系統在水下隧道中的應用[J].地下空間與工程學報，2017（Z1）：307-313.

[6]田力.南京玄武湖隧道運營監測及現狀分析[J].城市建設理論研究（電子版），2015（9）：2 588-2 589.

[7]李大鵬，黃俊.地下工程結構健康監測系統應用研究[J].現代交通技術，2017，14（3）：63-66.