水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)分析

王場

【摘 要】伴隨改革開放的不斷深入，我國經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快。水下大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)規(guī)模的擴大，越來越多隧道工程在復(fù)雜環(huán)境中呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)健康問題，大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)建立應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測經(jīng)驗相結(jié)合，在充分發(fā)揮其作用的同時，有效提升水底大直徑盾構(gòu)隧道的質(zhì)量與安全，推動我國隧道事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新。為此，本文主要通過具體工程案例，對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概況、水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究。

【關(guān)鍵詞】水底大直徑盾構(gòu)隧道 健康監(jiān)測系統(tǒng) 工程案例 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 縱斷面穩(wěn)定性 橫斷面計算

1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概況

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指通過現(xiàn)場無損傳感技術(shù)的合理運用，對其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，其包含結(jié)構(gòu)響應(yīng)等，并調(diào)查研究結(jié)構(gòu)損傷位置、程度，以此對結(jié)構(gòu)損傷、退化進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。實施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的就是為了進(jìn)行實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立，以此為管理人員實時監(jiān)測重大結(jié)構(gòu)損傷提供便利，并對結(jié)構(gòu)性能變化與剩余年限做出預(yù)測及提供科學(xué)有效的養(yǎng)護策略。

2工程案例

某水底大直徑盾構(gòu)隧道工程全長5853米，屬于“左汊盾構(gòu)隧道選取復(fù)合式泥水盾構(gòu)機2臺施工，其直徑為14.93米，2895米為盾構(gòu)段隧道總長度，14.5米為其外徑，13.3米為內(nèi)徑，—51米為隧道最深位置。該工程施工地層主要以第四系全新統(tǒng)沖積層，粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等為其主要巖性。砂卵石透水性地層為隧道主要穿越區(qū)域，具有豐富的地下水及過大的水壓力，60米為江中段隧道頂部和長江最高水位之間的差距。

3水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1隧道結(jié)構(gòu)縱斷面穩(wěn)定性分析

在運營過程中為對盾構(gòu)隧道的受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確有效地反映，對綜合研究盾構(gòu)隧道所在地質(zhì)、地形條件、埋設(shè)深度、水壓變化等，并根據(jù)對稱性原則進(jìn)行該工程研究，其關(guān)鍵部位應(yīng)包括：盾構(gòu)始發(fā)、大堤、變坡等，以此獲取盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大受力部位，為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測縱向斷面布設(shè)提供可靠保證。

選取三維有限元研究，將具體土層情況作為前提條件，對地質(zhì)、地層與水壓影響隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行模擬。按照具體地質(zhì)情況、土層計算參數(shù)，對基本假設(shè)進(jìn)行計算，具體內(nèi)容如下：

第一，選取摩爾—庫倫準(zhǔn)則計算；

第二，當(dāng)具有較長縱向長度，管片混凝土襯砌可選取板單元模擬。根據(jù)彈性材料計算，需對剛度折減情況進(jìn)行充分考慮，0.8為折減系數(shù)。

第三，在彈塑性范圍內(nèi)控制地層、材料應(yīng)力應(yīng)變。

第四，對地下水荷載作用充分考慮。

3.2模型與邊界條件計算

按照隧道縱向?qū)ΨQ性與模型規(guī)模等，選取1900米作為模型縱向長度，橫向選取隧道左右2側(cè)長度為53.05米，50米為縱向隧道底部選取長度，82到112米為模型高度。模型可進(jìn)行194326個單元劃分，節(jié)點數(shù)量為30686個。

3.3橫斷面計算結(jié)果

完成隧道工程后在隧道正上方部位極易出現(xiàn)地層變形情況，同時，相比水域地層沉降，陸域沉降較大并具有廣闊的分布范圍。與地層、管片結(jié)果縱向變形規(guī)律充分結(jié)合與研究，如變坡（X）為5160毫米時，橫斷面管片外側(cè)計算結(jié)果如表1所示，其結(jié)論如下：

第一，管片頂部與底部的管片外側(cè)壓應(yīng)力值較大，拱頂可產(chǎn)生2.25MPa最大壓應(yīng)力。相比拱頂、隧道受力情況，隧道襯砌環(huán)左右側(cè)受力呈相反趨勢，在襯砌環(huán)右側(cè)可產(chǎn)生0.75Mpa最大拉應(yīng)力。

第二，壓應(yīng)力同時存在于管片拱頂、隧底內(nèi)側(cè)，隧底將產(chǎn)生0.51Pma最大壓應(yīng)力。相比襯砌外側(cè)應(yīng)力，其內(nèi)側(cè)2側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)相反趨勢，一般在襯砌右側(cè)出現(xiàn)3.52Mpa最大壓應(yīng)力。

序號

測點位置

外側(cè)最小應(yīng)力值（kpa）

外側(cè)最大應(yīng)力值（kpa）

內(nèi)側(cè)最小應(yīng)力值（kpa）

內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力值（kpa）

1

0°

-473.8

-2254.4

-436.9

-167.6

2

45°

-282.3

-824.7

-401.2

-1396.4

3

90°

558.5

109.5

-882.2

-3234.9

4

135°

-54.8

-144.8

-532.3

-2306.7

5

180°

-263

-1840

-359.5

-513

6

225°

721

-22.2

147.5

-742.9

7

270°

754.3

232.1

-984.9

-3515.4

8

315°

140.0

-158.4

-610.7

-2594.9

表1 橫斷面最大、最小應(yīng)力值

3.4確定監(jiān)測斷面

因隧道具有較長的線路及較大的洞徑，需從不同地層穿越，進(jìn)而增加了施工難度。隧道施工中需在結(jié)構(gòu)、地層內(nèi)埋設(shè)大量儀器，以此監(jiān)測施工環(huán)節(jié)變形、位移、應(yīng)力與水壓，實現(xiàn)信息化作業(yè)。隧道通車使用階段通過以上儀器與設(shè)備可實時監(jiān)控隧道結(jié)構(gòu)變形、受力情況，確保隧道運行的安全性。

據(jù)分析，本工程隧道健康監(jiān)測方案，要求左右線需分別進(jìn)行5到8個斷面布設(shè)。其中5個分別為盾構(gòu)始發(fā)位置、2個變坡點、江中心與大堤位置，除此之外，與雙線隧道施工先后特點相結(jié)合，施工隧道可進(jìn)行3個斷面的增設(shè)，如表2所示。

里程

先施工隧道

后施工隧道

K3+600～k4+000

LK3+610（出洞）LK3+770（大堤）

-----

K4+200～k6+050

LK5+100（變坡）LK5+400

RK5+160（變坡） RK5+800

K6+050～k6+614

LK6+600（進(jìn)洞）

LK6+300（大堤）

合計

5個

3個

表2 縱向監(jiān)測斷面里程表

3.5健康監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

管片接縫張開度、隧道外側(cè)水壓力、軸向力、彎矩等為健康監(jiān)測的主要內(nèi)容，柔性土壓力計、光纖光柵鋼筋應(yīng)變傳感器等為監(jiān)測材料與設(shè)備。本文主要分析該工程隧道左右線第一個監(jiān)測斷面相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集情況，并與使用期間環(huán)境因素相結(jié)合，得出各監(jiān)測斷面結(jié)構(gòu)健康情況如下。土、水壓力監(jiān)測值在監(jiān)測期間因汛期控制因素影響，將產(chǎn)生上升現(xiàn)象，并逐步呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。管片縱向、環(huán)向變形與受力情況因汛期控制，將增加管片壓力，并增加管片結(jié)構(gòu)及出現(xiàn)變形情況，但外界壓力卻始終在控制值以下，同時需在理論值范圍內(nèi)對位移、應(yīng)變情況進(jìn)行有效控制，結(jié)構(gòu)響應(yīng)也需控制在安全范疇內(nèi)。

3.6盾構(gòu)隧道安全評估

（1） 工況計算。因多方面因素對結(jié)構(gòu)橫斷面受力規(guī)律的影響，在軟土層內(nèi)為對隧道受力與變形規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確半段，需進(jìn)行5處斷面的選取與分析，如陸上覆土最小位置、覆土最大位置等，其斷面特征計算如表3所示。

工況

里程

特征

埋深m

水深m

計算模式

工況1

K3+600

陸上覆土最小處

6.9

/

水土合算

工況2

K3+762

防洪大堤

18.0

/

水土合算

工況3

K5+100

江中沖刷最大處

18.5

31.5

水土分算

工況4

K5+350

江中覆土最小處

15.1

33.7

水土分算

工況5

K6+190

覆土最大處

32.8

1.1

水土分算

注：砂性土采用水土分算，粘性土采用水土合算，水深按300年一遇。

表3 工況斷面特征計算

（2）參數(shù)計算與荷載計算。14.5米為盾構(gòu)隧道管片外徑長度，13.3米為其內(nèi)徑長度，6.95米為襯砌管片環(huán)中心半徑長度，600毫米為管片厚度，10片為襯砌各環(huán)管片數(shù)量，2米為管片寬度，C60為混凝土等級。

管片在梁彈簧計算模型中可看做簡單的直梁單元計算，管片間與管片環(huán)間螺栓的具體效應(yīng)模擬以旋轉(zhuǎn)彈簧與剪切彈簧為主，模擬地基彈簧單元時可選取地層、管片間的互相作用。

根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道設(shè)計要求，確定管片接頭彈簧參數(shù)，在此過程中續(xù)對螺栓特點選取經(jīng)驗值進(jìn)行充分考慮。每環(huán)分10塊管片，前后相近環(huán)管片縱向M30需4個螺栓連接，總數(shù)為42個。每環(huán)的10片管片連接可選取M36規(guī)格（3個），總數(shù)為30個。選取M36規(guī)格的環(huán)向螺栓；選取M30規(guī)格的縱向螺栓。地質(zhì)條件不同，其選取的螺栓機械性能等級也不盡相同，一般環(huán)向螺栓選取6.8級機械性能，縱向螺栓選取8.8級機械性能。

3.7健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

工控機（1臺）與其運行的相應(yīng)軟件為該工程隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的儀器集成和預(yù)警報警子系統(tǒng)。其利用網(wǎng)絡(luò)接口可由MOI光纖量解調(diào)儀（6臺）進(jìn)行光纖傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)（738個）的獲取，利用工控機Access數(shù)據(jù)庫接口進(jìn)行振弦式滲壓計、土壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)（120個）的獲取，其監(jiān)測的物理量共有858個，針對收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)可進(jìn)行解算、顯示，根據(jù)相應(yīng)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存寫，并按照給定預(yù)警報警值進(jìn)行聲光報警。

4結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷提升，公路建設(shè)已無法滿足交通運輸需求量，通過擴大隧道工程建設(shè)，可有效擴大通行能力、減緩交通壓力。水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立與完善，對隧道工程建設(shè)安全性提高具有至關(guān)重要的作用。本文通過工程案例分析，對其健康監(jiān)測系統(tǒng)各項內(nèi)容進(jìn)行了分析，并做出了相應(yīng)的措施，以期有效提升盾構(gòu)隧道工程建設(shè)質(zhì)量、延長使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]張成平，張頂立，王夢恕，劉勝春.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機理及其控制[A]. 第2屆全國工程安全與防護學(xué)術(shù)會議論文集（上冊）[C]，2010.

[2]王如路，蔡軼曼，劉建航.上海市軌道交通4號線盾構(gòu)隧道穿越地鐵運營線路的監(jiān)護工程[J].地下工程與隧道，2004（03）.