京滬改擴(kuò)建工程路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量動態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用

尤虹

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國早期建設(shè)的高速公路，以雙向四車道為主，近年來隨著我國的交通量增長較快，大量公路在通行能力和服務(wù)質(zhì)量上都已經(jīng)無法滿足需求，高速公路加寬拼接項目增多。高速公路經(jīng)多年交通荷載作用和工后沉降，路基已基本穩(wěn)定，舊路加寬處易出現(xiàn)路堤拉裂、路面沉陷等道路病害。高速公路改擴(kuò)建作為系統(tǒng)工程，包含內(nèi)容較多，施工關(guān)鍵技術(shù)的研究對改擴(kuò)建工程的順利實施有著重要意義。所以新、舊路基的銜接以及新、舊路面結(jié)構(gòu)層的不均勻沉降都是路基加寬施工中的關(guān)鍵技術(shù)，本文從路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量動態(tài)監(jiān)控的角度進(jìn)行探討。

1 工程概況

北京—上海高速公路，簡稱京滬高速，又稱京滬高速公路，中國國家高速公路網(wǎng)編號G2，是交通運輸部規(guī)劃的“首都放射線”中的“第二線”。京滬高速北起中國首都北京，南至長江三角洲的龍頭上海，全長1261.99km，縱貫北京、天津、河北、山東、江蘇、上海六省市。京滬高速于2000年11月竣工通車，現(xiàn)狀為雙向四車道，設(shè)計車速為120km/h。

經(jīng)過近20年的使用，部分路面結(jié)構(gòu)存在病害，原有的車道已不能滿足通行要求，因此，對其提出了改擴(kuò)建。主要探討在京滬高速改擴(kuò)建工程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量動態(tài)監(jiān)控技術(shù)，為其他類似高速公路改擴(kuò)建過程中路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量提供動態(tài)監(jiān)控的理論技術(shù)支撐。

2 動態(tài)監(jiān)控技術(shù)

2.1 動態(tài)監(jiān)控的目的

在京滬高速改擴(kuò)建工程中，路基結(jié)構(gòu)拼接施工主要包括三種情況，即原有路面—原有路基、新路面—原有路基、新路面—新路基，由于不同道路結(jié)構(gòu)組成會導(dǎo)致路基差異沉降，沉降嚴(yán)重時可能導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)破壞。在路基結(jié)構(gòu)拼接設(shè)計中，采取降低路基差異沉降的措施，如在“新舊”交界處布設(shè)高強(qiáng)材料——纖維布，但實際控制路基差異沉降效果需要進(jìn)一步驗證。因此提出在路面結(jié)構(gòu)中埋設(shè)傳感器，對道路結(jié)構(gòu)的變形、沉降進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并期望達(dá)到三個目的：一是通過傳感器動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對道路出現(xiàn)明顯變形、差異沉降的情況進(jìn)行識別，并及時報警；二是通過對示范研究路段的道路實際性能監(jiān)測，驗證改擴(kuò)建中設(shè)計方法的有效性，并對后期類似規(guī)模改擴(kuò)建工程中的路基結(jié)構(gòu)拼接施工提供參考；三是對傳感器的監(jiān)測性能和監(jiān)測方法實施評價，為日后實行智慧化管養(yǎng)手段提供技術(shù)儲備。

2.2 動態(tài)監(jiān)控傳感技術(shù)的原理

光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)（見圖1）是光纖傳感技術(shù)中應(yīng)用較廣泛的一種，其基本原理是：光纖通過激光刻制一定周期長度的光柵，當(dāng)入射光通過光柵時，與光柵周期長度匹配的光（即某特定波長的光）會在光柵處形成反射，并以反射光的形式被光柵解析設(shè)備捕捉并解析波長；應(yīng)變和溫度變化會引起光柵周期長度的變化，并且存在良好的線性關(guān)系，如公式（1）所示，通過計算反射光波長的變化（Δλ）就能實現(xiàn)應(yīng)變和溫度變化測量。

圖1 光纖光柵測量原理

式（1）中：和T分別為應(yīng)變和溫度；和分別為初始應(yīng)變和初始溫度；K和K分別為應(yīng)變和溫度傳感系數(shù)?？紤]光柵對應(yīng)變和溫度交叉敏感，因此在實際應(yīng)變/應(yīng)力測量中一般需要實施溫度補(bǔ)償。

2.3 動態(tài)監(jiān)控傳感技術(shù)的特點

目前，從傳感器到解調(diào)系統(tǒng)，光纖光柵傳感技術(shù)可以全套國產(chǎn)化，并且精度、靈敏度等測量指標(biāo)均處于國際領(lǐng)先水平。同時，國產(chǎn)系統(tǒng)的成本大幅低于進(jìn)口系統(tǒng)，且便于維護(hù)，適合在工程中大規(guī)模應(yīng)用。

與傳統(tǒng)電測傳感器不同，光纖光柵傳感技術(shù)具有典型的分布式傳感特征。通過波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖通路上，可以串聯(lián)若干個光柵，從而獲得待測物體的應(yīng)變/溫度/變形的分布場（見圖2）。

圖2 光纖光柵（準(zhǔn)）分布式測量

此外，與傳統(tǒng)的電、磁傳感技術(shù)相比，光纖光柵傳感還具有以下幾方面的特點：一是光波傳感，不受電磁和射頻干擾，穩(wěn)定性好；二是靈敏度高、頻帶寬、動態(tài)范圍大；三是無電源驅(qū)動，不影響被測結(jié)構(gòu)的性能；四是輕巧纖細(xì)，與待測結(jié)構(gòu)物匹配度高；五是主材石英材質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，零點漂移小，長期性能好；六是感知、傳輸一體化，系統(tǒng)集成性高。

2.4 區(qū)域分布傳感技術(shù)

目前，光纖光柵傳感技術(shù)常用的方式是測量應(yīng)變，與傳統(tǒng)的應(yīng)變片/應(yīng)變計本質(zhì)上一致，相當(dāng)于多點密集測量，而工程結(jié)構(gòu)材料（如混凝土、土等）等一般是非均勻材料，某些點的應(yīng)變不能很好反映工程結(jié)構(gòu)體的真實狀況。為此，提出了“區(qū)域分布傳感”的理念，即傳感器測量的數(shù)據(jù)不再代表某一點或很小區(qū)域（一般小于10cm）的工程結(jié)構(gòu)信息，而是代表一個區(qū)域的特征信息（一般不小于1m）（見圖3）。將這些區(qū)域傳感器首尾串聯(lián)，可以實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵區(qū)域的分布式測量，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)離散的損傷（如開裂、差異沉降等）可以被精確捕捉。

圖3 光纖光柵區(qū)域分布測量

實現(xiàn)區(qū)域分布傳感的關(guān)鍵是設(shè)計、制備區(qū)域分布傳感器。該項目采用纖維復(fù)合材料（玄武巖纖維）封裝光纖光柵傳感器的方式制備區(qū)域分布傳感器（見圖4）。區(qū)域分布傳感器性能指標(biāo)見表1。

表1 區(qū)域分布傳感器性能指標(biāo)

圖4 纖維復(fù)合材料封裝光纖光柵區(qū)域分布傳感器

目前，市場上光纖光柵傳感器一般采用不銹鋼進(jìn)行封裝（見圖5），與既有光纖光柵傳感器及其他技術(shù)相比，該項目擬采用產(chǎn)品具有以下顯著優(yōu)勢（先進(jìn)性）。

圖5 常規(guī)光纖光柵傳感器

2.4.1 傳感器耐久性好，在不影響交通的情況下可長期監(jiān)測。內(nèi)部傳感光纖與外部封裝材料匹配度高，無滑移，應(yīng)變傳遞無損失，測量精度高；纖維復(fù)合材料長期性能好，使外部腐蝕介質(zhì)無法進(jìn)入內(nèi)部影響光纖傳感，傳感器壽命長；方便埋入路面結(jié)構(gòu)，便于在正常交通下監(jiān)測，不影響交通。

2.4.2 傳感器與工程結(jié)構(gòu)匹配度高。鋼材封裝的傳感器彈性模量接近200GPa，纖維復(fù)合材料封裝后傳感器的彈性模量約為30GPa，與混凝土（約20GPa）、土等工程材料的彈性模量更接近，可大幅度減小應(yīng)變傳感損失。

2.4.3 覆蓋區(qū)域廣，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映工程結(jié)構(gòu)特征。傳統(tǒng)傳感器的傳感標(biāo)距一般在10cm左右，區(qū)域分布傳感器的傳感標(biāo)距可達(dá)1m及以上。區(qū)域分布傳感器的測量數(shù)據(jù)可更加準(zhǔn)確反映道路結(jié)構(gòu)的變形特征。

2.4.4 可實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測。區(qū)域分布傳感器直接監(jiān)測的是應(yīng)變，通過應(yīng)變分布可識別開裂、差異沉降等工程關(guān)鍵指標(biāo)。

3 道路沉降的監(jiān)測理論

該項目直接測量的路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變分布，引入路面結(jié)構(gòu)計算模型——Winkler彈性地基模型（見圖6），建立應(yīng)變—沉降之間的解析模型。基本流程包括：一是依據(jù)傳感器的布點，利用應(yīng)變重構(gòu)方法獲得應(yīng)變分布；二是劃分單元，并建立單元應(yīng)變、沉降與周圍其他單元上荷載之間的方程；三是利用最小二乘法，求解荷載分布；四是將荷載分布帶入各單元的沉降方程，求解沉降分布。

圖6 Winkler彈性地基模型

4 道路沉降的監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容為路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變（縱向、橫向）和差異沉降，傳感器布設(shè)位置包括原有路面—原有路基、新路面—原有路基、新路面—新路基三種典型道路結(jié)構(gòu)的縱剖面和橫剖面。

4.2 傳感器分布

該項目擬采用傳感器標(biāo)距大小為1m，每個試驗段縱向布設(shè)位置為：1—2車道交界處（如果實際情況允許）、2—3車道交界處、3—4車道交界處以及4車道—硬路肩交界處，傳感器布設(shè)間距如圖7所示。

圖7 區(qū)域分布傳感器在道路縱向上的布設(shè)

傳感器橫向布設(shè)斷面擬選取3個典型斷面，其布設(shè)位置為：1—2車道交界處（如果實際情況允許）、2—3車道交界處、3車道中間位置、3—4車道交界處以及4車道—硬路肩交界處，傳感器布設(shè)間距。

4.3 傳感器安裝

該項目中，傳感器需要埋到路面結(jié)構(gòu)中，傳感器之間采用傳輸光纖連接成測量線路。具體流程包括：一是在傳感器安裝位置開槽，一般直徑為傳感器的2倍；二是清除槽道內(nèi)碎石并清洗槽道；三是將傳感器線路放置在槽道內(nèi)，用快速固化膠臨時固定傳感器；四是澆灌結(jié)構(gòu)膠；五是固化養(yǎng)護(hù)（一般為24小時，視氣溫等情況）。

4.4 監(jiān)測頻率與計劃

該項目采用攜帶儀器到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的方式實施監(jiān)測，監(jiān)測頻率和計劃依據(jù)不同的階段分別如下：

一是施工期及施工后初期，約1周內(nèi)，每天測量1次，計7次；

二是施工后，約1年內(nèi)，每季度測量1次，計4次。

5 結(jié)語

加強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控是提高高速公路改擴(kuò)建工程質(zhì)量的重要途徑。本文重點講述了路基結(jié)構(gòu)拼接動態(tài)監(jiān)控的原理及應(yīng)用，運用動態(tài)監(jiān)控原理評價路基結(jié)構(gòu)的拼接質(zhì)量。實踐證明，利用動態(tài)監(jiān)控的方法進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量的監(jiān)控是可行的。通過傳感器動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對路基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變形、差異沉降的情況進(jìn)行識別，并及時報警。對示范研究路段的道路實際性能進(jìn)行監(jiān)測，驗證了高速公路改擴(kuò)建中設(shè)計方法的有效性，并為后期類似規(guī)模改擴(kuò)建工程中的路基結(jié)構(gòu)拼接施工提供參考以及技術(shù)支撐。該方法便于現(xiàn)場操作，適用范圍更廣。路基結(jié)構(gòu)拼接質(zhì)量動態(tài)監(jiān)控技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建工程中進(jìn)行了試驗性的應(yīng)用，并取得了較好的效果。