頂管施工對既有管線服役狀態(tài)影響的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與分析

柳盛霖，許斌鋒，于洪波，毛江鴻，張軍，羅林

(1.重慶交通大學(xué)，重慶市 400074；2.浙江省工程勘察院；3.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院)

1 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的發(fā)展，地下工程的建設(shè)速度顯著增加。頂管施工作為一種非開挖的施工方法，自19世紀(jì)末誕生以來就被廣泛應(yīng)用于埋有重要管線的地下穿越工程，如城市地下通道等，有效緩解了作業(yè)面對路面交通等的直接影響。

到目前為止，頂管施工的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但由于工程水文地質(zhì)條件的不確定性和施工環(huán)境的復(fù)雜性使其不可避免地會對周圍土體和鄰近地下管線產(chǎn)生影響，尤其是軟土地區(qū)，一旦事故發(fā)生就會造成十分嚴(yán)重的后果。如2014年，上海市虹橋商務(wù)區(qū)二期功能管溝工程第N08～N07號頂管管片發(fā)生整體后退事故，導(dǎo)致上方路面出現(xiàn)約1.2 m的塌陷，多條周邊地下管線出現(xiàn)破損。

頂管施工對既有管線的影響是目前國內(nèi)外研究的熱點，許多學(xué)者都進(jìn)行過相關(guān)的研究。如Attewell使用Winkler地基模型，給出了該問題的解析解；魏綱等采用通用Peck公式計算了頂管施工引起的地下管線平面處的土體豎向位移；余振翼等利用三維有限元方法分析了頂管施工中各參數(shù)如注漿壓力、管線埋深等的不同對相鄰平行地下管線位移的影響；劉波等采用精密全站儀對頂管施工中某地鐵隧道的豎向位移、地表隆起等進(jìn)行了有效監(jiān)測。然而，由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測以離線式人工巡查為主，很難滿足地下工程隱蔽性、災(zāi)害突發(fā)性等特點，通過現(xiàn)場測試得到實測數(shù)據(jù)非常困難，因此對這方面的探索目前主要集中在理論分析和數(shù)值模擬層面。并且既有電力隧道防火、防電安全等級高，現(xiàn)場施工較為困難，不宜進(jìn)行大量的布線工作?；诖?，在頂管工程施工期間采用先進(jìn)的傳感設(shè)備，對下穿電力隧道進(jìn)行實時的無線智能化監(jiān)測，具有十分重要的意義。

該文以寧波市某人行地道頂管施工對下穿電力電纜隧道的監(jiān)測保護(hù)工作為依托，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成一套無線智能化實時監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合人工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)既有電力隧道頂管過程服役狀態(tài)信息的健康監(jiān)測。

2 工程背景

寧波市某地下人行過道采用頂管法進(jìn)行連接，通道總長72.0 m，由48節(jié)長1.5 m、寬7 m、高4.3 m，壁厚0.5 m，強(qiáng)度為C50的鋼筋混凝土管片構(gòu)成，底部高程約-9.15 m，平均覆土厚度6.0 m。現(xiàn)場場地為典型沿海軟土地質(zhì)，土層以淤泥質(zhì)黏土為主，土質(zhì)松軟、變形較大；上方道路則為瀝青混凝土路面，路面標(biāo)高3.20 m，并且該路段為城市主干道，車流量大、交通繁忙；同時施工區(qū)域下方埋設(shè)有較為密集的管線網(wǎng)絡(luò)，尤其沿南北走向有外徑3.50 m、管節(jié)長2.5 m、管厚0.3 m的F形承插式鋼筋混凝土電力隧道，頂部標(biāo)高約-10.50 m，與人行通道呈約90°相交，為非常重要的管道，需要進(jìn)行重點監(jiān)測與保護(hù)。土層參數(shù)見表1。

為了盡量減少工程施工期間對路面交通和區(qū)間內(nèi)地下管線的影響，連接通道采用雙矩形截面頂管法施工，頂管地道與電力隧道具體位置如圖1、2所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 頂管與隧道相對位置及斷面布置平面圖

3 電力隧道物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)搭建

3.1 監(jiān)測方案

以擬建地道工程東邊通道左側(cè)的220 kV電力隧道結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用結(jié)構(gòu)智能化系統(tǒng)輔以人工常規(guī)巡檢的方式對其進(jìn)行安全保護(hù)監(jiān)測。監(jiān)測斷面如圖1所示，共計設(shè)置斷面15個，其中D1、D14斷面長度10 m，D5～D10斷面長度2.5 m，其余斷面長5 m。人工常規(guī)作業(yè)主要對管道的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測；無線智能化監(jiān)測系統(tǒng)則根據(jù)有關(guān)研究和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，對頂管加密區(qū)內(nèi)共計6片管道進(jìn)行重點監(jiān)測，自北向南編號為D5～D10，監(jiān)測內(nèi)容包括隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變、管片接頭張開量。測點布置如圖3所示。

3.2 監(jiān)測儀器選擇

管片豎向位移監(jiān)測采用MS05AX測量機(jī)器人和DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀，其中測量機(jī)器人的測角精度為0.5″，測距精度為0.5 mm+1 ppm；隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測主要采用基康BGK-4000型振弦式應(yīng)變計，該應(yīng)變計主要用于管線、橋梁等的應(yīng)變監(jiān)測，測量精度可達(dá)0.01 με，擬安裝在每片管道的左腰和右腰位置；管片接頭張開量監(jiān)測采用基康BGK-4420型振弦式表面裂縫計，該裂縫計可在惡劣環(huán)境下長期監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面裂縫或接縫的開合度，測量精度可達(dá)0.01 μm，擬安裝在每兩片管道接縫處的左腰和右腰位置，并用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行安裝固定。同時內(nèi)置的溫度傳感裝置可實時記錄隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的環(huán)境溫度變化，以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度自補(bǔ)償和異常信號的處理。

圖2 頂管與隧道相對位置立面圖(單位：cm)

注：整體豎向位移測點為拱頂；局部變形測點為左右腰。

同時，為了不影響電力隧道的使用功能，不宜在隧道內(nèi)布設(shè)過多的線纜。而現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)仍主要采用連接線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，不僅安裝成本高，維護(hù)也較為困難。近年來，隨著傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、分布式、低成本等特點成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點，在結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與健康監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景，并于1997年首次在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到了應(yīng)用。

基于此，該物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)主要依靠先進(jìn)的無線傳感技術(shù)，采用WEMS系列無線終端和Smart600型網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和儲存。將振弦式傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)通過無線終端發(fā)送到GPRS網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并建立物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測管理平臺，最終實現(xiàn)對電力隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的實時在線監(jiān)測。同時為了獲得更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，擬設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率為15 min/次，并可根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。該項目監(jiān)測系統(tǒng)共計布設(shè)振弦式應(yīng)變計12個，振弦式測縫計10個以及無線網(wǎng)關(guān)1個。

3.3 監(jiān)測平臺搭建

為了實現(xiàn)電力隧道結(jié)構(gòu)的無線智能化管理，在上述硬件的基礎(chǔ)之上，編制了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)，可通過用戶名、密碼登錄系統(tǒng)界面，查看傳感器安裝位置及其工作狀態(tài)，實現(xiàn)對電力隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變和接頭張開量等數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看、存儲、下載、比較等功能，方便技術(shù)人員對監(jiān)測項目的管理和預(yù)警。

3.4 電力隧道結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的在于實時獲取被測結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)信息，如應(yīng)力、應(yīng)變和位移等，然后通過對比相關(guān)技術(shù)規(guī)范、工程標(biāo)準(zhǔn)等給出的控制值，判斷結(jié)構(gòu)物是否處于安全運(yùn)營狀態(tài)，為相應(yīng)的施工進(jìn)程提供實時可靠的工程指導(dǎo)。該文所研究的鋼筋混凝土電力電纜隧道，其連接方式為F形預(yù)埋剛套環(huán)承插式接頭，按照城市地下管線的分類標(biāo)準(zhǔn)屬于剛性管道的范疇，而對于剛性管道的安全性控制指標(biāo)一般采用管道允許曲率半徑(豎向位移)、管片接頭抗拔力、管片接頭張開量以及允許彎曲應(yīng)力等進(jìn)行判別。根據(jù)頂管隧道結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)學(xué)者的研究成果，給出該文的監(jiān)測控制指標(biāo)，具體數(shù)值如表2所示。

4 頂管施工對電力隧道的影響性分析

頂管施工總長72 m，共計歷時24 d，平均每天頂進(jìn)約3.0 m。并在施工進(jìn)行到15 d前后，頂管機(jī)頭穿越電力隧道上方。

表2 電力隧道變形控制指標(biāo)

4.1 頂管過程隧道的整體豎向位移分析

通過人工常規(guī)作業(yè)對電力隧道各個斷面的豎向位移(用DS表示)進(jìn)行了監(jiān)測，并對隧道結(jié)構(gòu)在不同開挖時間段的整體線形變化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 北側(cè)管片豎向位移時程曲線

圖5 南側(cè)管片豎向位移時程曲線

在頂管施工前期，設(shè)置的監(jiān)測采用頻率為1次/d；而在頂管穿越隧道上方期間，將采用頻率提高到2次/d。結(jié)合施工進(jìn)度以及監(jiān)測斷面的位置可知，在開挖面還未到達(dá)隧道上方之前，各監(jiān)測斷面的豎向相對位移變化均較小，波動值變化為±0.5 mm；隨著施工進(jìn)程的開展，電力隧道在開挖后第15 d左右開始出現(xiàn)上浮的趨勢，并在隨后保持較為平穩(wěn)的狀態(tài)直至開挖結(jié)束，其最大豎向隆起出現(xiàn)在頂管軸線下方(DS7)附近，約為3.58 mm。

圖6為頂管施工不同時間段電力隧道整體豎向位移沿軸向變化的折線圖。

圖6 電力隧道豎向位移沿軸向變化情況

從圖6可以看出：電力隧道整體豎向位移線形由頂管軸線向兩側(cè)逐漸減小，呈擬正態(tài)分布的特征。在頂管中心沿兩側(cè)擴(kuò)展至3倍直徑(約20 m)范圍外，電力隧道管片的相對豎向位移已經(jīng)較小，可以忽略不計。并且隨著施工的推進(jìn)，頂管軸線附近電力隧道管片的豎向隆起不斷增加，變化速率也不斷加大，整體曲線變得越來越陡。這一規(guī)律和文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果一致。

4.2 頂管過程隧道的局部變形分析

4.2.1 隧道管片的應(yīng)變變化狀態(tài)

圖7、8為隧道管片施工過程中的應(yīng)變曲線圖。

圖7 隧道左腰應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)圖

圖8 隧道右腰應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)圖

由圖7、8可知：在頂管開挖進(jìn)行到第10 d前后，位于頂管軸線附近的應(yīng)變數(shù)據(jù)(L表示左腰,R表示右腰)開始出現(xiàn)變化的趨勢，并在第15 d左右達(dá)到最大值，該變化與豎向位移相似。其中隧道左腰DYL7和DYL8監(jiān)測數(shù)據(jù)呈先上升后下降的趨勢，最大值分別為25、16 με；而右腰DYR7和DYR8監(jiān)測數(shù)據(jù)則呈先下降后上升的不同變化，最小值分別為-35、-20 με。造成這一現(xiàn)象的主要原因是頂管地道經(jīng)過隧道上方前，由于黏結(jié)力的作用使得電力隧道產(chǎn)生了由始發(fā)端向接收端的變形，同時由于管片之間的相互約束，其內(nèi)部就會形成左側(cè)受拉、右側(cè)受壓的狀態(tài)。該現(xiàn)象隨著頂管的通過而逐漸趨于穩(wěn)定并消失。

4.2.2 隧道管片的接頭張開量變化

電力隧道管片接頭張開量監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9、10所示。

圖9 左腰管片接頭張開量數(shù)據(jù)圖

圖10 右腰管片接頭張開量數(shù)據(jù)圖

由圖9、10可知：其位移結(jié)果與應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化趨勢相似。即在頂管施工前期，管片之間的接頭張開量變化較??；而在頂管施工進(jìn)行到第10 d之后，各監(jiān)測數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)上升的趨勢，并在隨后達(dá)到最大值，說明電力隧道管片之間產(chǎn)生了錯動開合的現(xiàn)象。最終各管片間接頭張開量的變化范圍為-10～80 μm，均未超過擬定的3 mm預(yù)警值。

圖11為頂管施工不同時間段電力隧道管片左腰接頭張開量沿軸向變化的折線圖。

由圖11可見：頂管開挖進(jìn)行到第15 d，電力隧道各管片之間的接頭張開量最大，其余時間段的張開量較小且較為穩(wěn)定。說明頂管開挖到隧道上方前后，由于機(jī)頭下方土體卸荷使得電力隧道出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致隧道局部管片之間產(chǎn)生較大的錯動，且離頂管軸線越近，變化越明顯。右腰的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)和左腰的管片接頭張開量數(shù)據(jù)亦有相同的變化規(guī)律，這里不加贅述。

圖11 電力隧道接頭張開量沿軸向變化情況(左腰)

綜合上述結(jié)果可知：在頂管施工過程中，由于開挖導(dǎo)致電力隧道上方土體發(fā)生卸載，隨著頂管開挖面逐漸靠近電力隧道上方，隧道結(jié)構(gòu)的整體豎向位移、管片內(nèi)部的應(yīng)變以及接頭張開量都有明顯的上升。電力隧道軸向變形呈擬正態(tài)分布，并且隨著開挖的進(jìn)行，這種影響越來越明顯。同時隧道管片的局部變形開始變化的時間較整體豎向位移要早，且局部變形會恢復(fù)到初始狀態(tài)而整體豎向位移則仍保持較高水平直至開挖結(jié)束。最終各監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的變化絕對值較小，均未超過表2擬定的控制指標(biāo)，因此可認(rèn)為該電力隧道處于安全穩(wěn)定運(yùn)營狀態(tài)。該結(jié)論與文獻(xiàn)[5]、[16]等的研究成果相同，且該文首次提出了利用無線智能化監(jiān)測系統(tǒng)對頂管施工引起的下臥既有電力隧道局部變形進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測頻率更快，傳感器靈敏度和精確度都較高，說明該系統(tǒng)可用于在役復(fù)雜地下工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中，具有一定的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)論與展望

(1) 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)定量揭示了頂管施工對電力隧道的影響，數(shù)據(jù)顯示電力隧道在頂管通過前后出現(xiàn)了一定程度的豎向隆起和管片錯動，并在頂管開挖到隧道上方附近達(dá)到最大值。結(jié)構(gòu)的最大豎直差異沉降為3.58 mm，最大接頭張開量為0.08 mm，最大彎曲應(yīng)變?yōu)?5 με，但均未超過擬定的控制指標(biāo)。

(2) 采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線智能化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，首次對頂管施工期間下穿電力隧道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)信息進(jìn)行了施工監(jiān)控。結(jié)果表明：物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)較低成本下的實時監(jiān)測，具有精度高、敏感性強(qiáng)等特點，可有效解決人工巡檢漏檢的難題。

(3) 揭示了頂管施工對電力隧道的影響特征，但該影響和結(jié)構(gòu)物周邊土體的特性密切相關(guān)。因此，后續(xù)研究可依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對交叉施工理論模型進(jìn)行修正，建立完善的分析方法，以指導(dǎo)類似工程評估指標(biāo)的設(shè)置。