城市地下道路隧道結構健康監測研究

丁鴻志，鄒鴻浩，趙 光，李 奧，董 飛

（1.南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210019；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著城鎮化建設的不斷進行和社會經濟的持續發展，高度集中的城市人口及進一步提高的居民機動車保有量，給城市的交通系統帶來一系列挑戰。交通擁堵、馬路拉鏈、環境惡化等成為城市發展過程中的常見問題，在城市核心區情況尤為突出[1]。通過加大地下空間開發、市政設施的地下化，尤其是地下道路的建設，能夠有效緩解城市的擁堵問題。各類地下道路隧道設計使用年限較長，在漫長的運營期中由于隧道自身的施工缺陷或養護不到位等問題，在外界環境作用下容易引發隧道結構變形、病害等，對隧道結構造成安全隱患[2-3]，進而影響地下道路的通行功能。因此，應在運營期對地下道路隧道展開監測，密切關注隧道結構的運行狀況。

當前，國內對隧道結構的監測主要分為人工監測和結構健康自動化監測。人工監測是指監測人員進入施工現場，參照現行的相關測量規范[4]，使用傳統測量工具進行人工操作測量，測量完成后再對數據進行處理，并將測量結果反饋給工程相關部門。當前完全依靠人工測量來掌握隧道結構的受力及安全狀態，具有測量直接、技術成熟等特點，廣泛應用在各類工程中[5～7]。結構健康自動化監測一般稱為結構健康監測（Structural Health Monitoring，簡稱SHM）即利用現場的、無損的、實時的方式采集環境與結構信息，分析結構反應的各種特征，獲取結構因環境因素、損傷或退化而造成的改變[8]。依托南京長江隧道，劉勝春等[9]研究了大型盾構隧道結構健康監測系統的設計方法，并根據隧道的工程特點和長期運營安全監測的需要，采用以光纖傳感技術為主的監測技術實現了隧道的長期監測。以蘇州地鐵為例，孟志浩[10]介紹了影響隧道施工和運營安全的主要因素和問題，并給出了隧道監測與評價的主要內容。杜榮武[11]利用三維激光技術，獲得了地鐵隧道管片和軌道的三維點云數據，通過對點云數據的切片、去噪、曲線擬合處理后得到了隧道的斷面變形值、凈空收斂值、管片錯臺值和軌道的軌距變化值，進一步分析判斷各指標參數的健康度。近年來，隨著結構健康監測技術的發展，使得各類城市交通隧道的安全得到進一步保障。而城市下穿通道的長度短、投資規模小、分布離散等問題，給結構健康監測系統的實施帶來困難。同時，城市下穿通道作為城市快速路的重要組成部分，為確保其使用安全采取的封道后人工監測對城市交通影響極大。

城市道路隧道如果采用封道監測對城市交通影響大，而全套健康監測系統成本高，因此本文針對園騰路隧道采用傳感器監測采集，在設備用房內按需采集的辦法，并檢驗“形狀傳感器”在短隧道、小變形下應用的可能性。對城市地下道路等短隧道，在降低成本、提高管養質量、保障地下通道安全上具有重要意義。

1 監測方案設計

1.1 監測對象

園騰路隧道位于南京市江北新區橫江大道與園騰路交叉口，自東向西下穿橫江大道，全長440 m，其中暗埋段115 m，敞開段325 m。通道結構總寬21 m，雙向四車道，設計時速60 km/h。隧道平縱斷面如圖1、圖2 所示。暗埋段隧道的地基土主要為淤泥質粉質黏土、粉砂夾粉土。

圖1 園騰路隧道平面圖

圖2 園騰路隧道縱斷面圖

1.2 監測項目與監測設備

對采用明挖法施工的地下道路隧道，現澆結構的變形縫通常為隧道病害的多發部位。例如，變形縫作為防水薄弱部位，在溫度應力的作用下的張開而導致滲漏水；變形縫作為剛度不連續部位，由于不均勻沉降，無法整體變形導致的應力集中。根據園騰路隧道整體投資規模，監測項目和儀器數量有限，選定接縫間的張開量和接縫處的不均勻沉降作為監測項目。分別采用測縫計和靜力水準儀對接縫張開量和不均勻沉降進行監測，如圖3 所示。

圖3 監測儀器選用

測縫計跨變形縫安裝，儀器型號為深圳簡測智能技術有限公司JFDS-50，量程0～50 mm，精度±0.1%FS，分辨率0.02 mm。靜力水準儀在變形縫左右各安裝一個，用通液管相連；儀器型號為深圳簡測智能技術有限公司JFHL-100，量程100 mm，精度±0.1%FS，分辨率0.1 mm。

為控制監測成本，本項目不單獨設置采集站和解調儀，將光纖傳感器接入設備用房中，采用便攜式采集儀按需監測，如圖4 所示。

圖4 便攜式采集儀

同時，監測中試驗性采用形狀傳感器，通過與傳統測縫計與靜力水準儀的監測數據，檢驗形狀傳感器在隧道中的適用性。形狀傳感器結構示意圖如圖5所示。

圖5 形狀傳感器結構示意圖

形狀傳感器是指將多個應變傳感器以一定間距分布在鋼管上，通過監測鋼管的變形來獲取監測對象變形的數據[12]。在隧道變形縫上使用形狀傳感器，可以實現接縫張開量、接縫兩側不均勻沉降兩個方向的監測。

1.3 監測斷面與儀器安裝

（1）監測斷面

監測重點部位，一般包括上部荷載突變處、上覆荷載最大處、軟弱地基、結構斷面突變處、各類交叉工程等[13]。針對園騰路隧道，其存在的主要風險如下：

a.隧道洞口兩側，敞開段從YTK0+140～～YTK0+230（洞口處）施工抗拔樁，抗拔樁可兼做工程樁，暗埋段地基未做處理。

b.洞口明暗分界處結構形式差異大，臨近設備用房，明挖段與暗埋段承受荷載差異大。

c.YTK0+230～YTK0+260 區段，與管廊工程交叉。

針對以上風險，結合具體的變形縫設計位置，測斷面選定見表1。

表1 監測斷面選取表

（2）儀器安裝

監測儀器在監測斷面上的布設原則如下（如圖6所示）：

圖6 園騰路隧道傳感器安裝示意圖

a.測縫計安裝在側墻中部，跨縫安裝，在監測斷面左、右洞隧道臨土側邊墻上各一個。

b.靜力水準儀安裝在側墻中部，變形縫兩側各一個。安裝在左、右洞中帶有設備用房，導致結構變化較大的一側。

c.形狀傳感器跨縫安裝在靜力水準儀相同的位置，形成對比。

2 隧道監測實施與數據采集

2021 年6月，園騰路隧道施工完成后，及時入場實施健康監測系統并采集初值，隨后展開了持續監測至2022 年2 月。根據監測數據和現場情況，對監測頻率進行動態調整，如圖7 所示。

圖7 現場安裝及采集圖

3 監測結果分析

從2021 年6 月10 日至2022 年1 月1日，針對YTK0+230、YTK0+260、YTK0+345 處的變形縫，共進行了17 次監測。

3.1 測縫計結果分析

根據接縫張開量監測結果（如圖8 所示），可知：

圖8 接縫張開量監測

（1）6 個監測點處的測縫計隨時間變化的趨勢整體一致。從2021 年6 月～2021 年9月，6 條變形縫張開量在一定范圍內上下波動，無明顯的變大趨勢；2021 年9 月～2022 年1月，變形縫張開量顯著增加。

（2）同一里程號上左、右線隧道的接縫張開量數值，無明顯對應關系。分析認為，隧道張開量差距不明顯時，波動原因主要由監測環境和儀器精度導致；左右線張開量差值最大可達0.269 mm，出現在2022年1 月1 日的YTK0+260 處。

（3）隧道張開量最大處出現在CFJ-001，最大值達0.639 mm。

3.2 靜力水準儀結果分析

根據接縫間不均勻沉降監測結果（如圖9 所示），可知：

（1）各處不均勻沉降值之間，隨時間變化無明顯規律。

（2）接縫間不均勻沉降數值為負正，表示沿里程增加方向，沉降量增加。從圖9（a）及圖9（c）可知，隧道暗埋段的沉降量大于明挖段。

圖9 接縫間不均勻沉降監測

（3）接縫間不均勻沉降最大值為-0.307 mm，出現在2021 年8 月30 日YTK0+230 處。

3.3 形狀傳感器結果分析

（1）接縫張開量

根據形狀傳感器測量原理，將形狀傳感器的位移沿水平與豎直方向進行分解，如XZCGQ-001X，表示編號為001 的形狀傳感器在沿隧道方向的伸長量，即接縫張開量。接縫張開量監測如圖10 所示。

形狀傳感器對于接縫張開量的監測數值，其變化規律與同位置的測縫計整體一致，數值上有一定差距，最大差距0.04 mm，出現在YTK0+345 中。

（2）接縫間不均勻沉降

根據形狀傳感器測量原理，將形狀傳感器的位移沿水平與豎直方向進行分解，如XZCGQ-001Y，表示編號為001 的形狀傳感器兩端在垂直于隧道方向上的變形量的差值，即變形縫兩側的不均勻沉降，如圖11 所示。

圖11 變形縫處不均勻沉降

形狀傳感器對于變形縫處的不均勻沉降的監測數值，變化規律與同位置的靜力水準儀接近，在數值上相互交叉，最大差距0.05 mm，出現在2021 年8月30 日YTK0+230 中。

3.4 監測數據對比

以YTK0+230 斷面為例，將形狀傳感器接縫量結果與測縫計結果、形狀傳感器不均勻沉降監測結果與靜力水準結果進行對比，分析接縫量和不均勻沉降監測項目中兩種不同監測方法所獲得的結果關聯度。利用Origin 繪圖軟件進行數據擬合，并得到擬合優度值R2，R2的值越接近1，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好。接縫張開量對比結果如圖12 所示，線性擬合結果可以得到擬合度R2為0.98802。不均勻沉降對比結果如圖13 所示，線性擬合結果可以得到擬合度R2為0.957 59。擬合結果表明形狀傳感器應用于監測變形縫的張開量及變形縫兩側的不均勻沉降時，與測縫計及靜力水準儀的結果吻合較好。

圖12 接縫張開量對比結果

圖13 變形縫不均勻沉降對比結果

4 結論

本文系統介紹了園騰路地下道路隧道結構健康監測系統的設計及實施，并進行數據分析。同時，采用形狀傳感器對隧道變形縫的張開量及兩側的不均勻沉降進行監測，并將監測數據與縫計、靜力水準儀進行對比。得到結論如下：

（1）對于整體規模較小的，可根據成本要求，通過降低結構監測的自動化程度來實現結構健康監測。

（2）變形縫張開量在2021 年9 月～2022 年1 月時間內不斷增大，分析認為由于氣溫導致，變形縫張開量最大值0.639 mm，結構安全。

（3）隧道暗埋段的沉降量大于明挖段，分析認為主要受回填土體的荷載影響，變形縫最大不均勻沉降為-0.307 mm。

（4）形狀傳感器應用于監測變形縫的張開量及變形縫兩側的不均勻沉降時，與測縫計及靜力水準儀的吻合較好，監測指標的數值最大差異為0.04 mm和0.05 mm，滿足監測精度要求。