水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵施工技術(shù)研究

潘紅兵，仇安群，陳喜坤，張忠宇，高才馳

(1. 南京交通運(yùn)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司，南京 211800； 2. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510290；3. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)具有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的隧道逐漸增多，如南京定淮門長(zhǎng)江隧道[1-2]、港珠澳大橋沉管隧道[3-4]、廈門翔安海底隧道[5]以及寧波甬江水底隧道[6]等。目前大部分運(yùn)行中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為隧道施工期間同步實(shí)施，施工條件良好、安裝質(zhì)量可控，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程則需要依賴既有的安裝環(huán)境進(jìn)行施工，工程難度增大。與橋梁相關(guān)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程案例，如江陰大橋[7-8]和鄱陽(yáng)湖大橋[9]的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改造工程；與隧道相關(guān)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程案例，如寧波甬江水底隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改造工程，改造期間隧道采用暫停運(yùn)行的方式，共補(bǔ)充42處傳感器測(cè)點(diǎn)。

在本工程實(shí)施過程中，因有不中斷隧道交通的要求，施工條件艱苦，存在施工時(shí)間短、要求高、作業(yè)空間有限且空氣質(zhì)量差等不利因素。項(xiàng)目組人員最終順利完成施工作業(yè)，并系統(tǒng)總結(jié)出項(xiàng)目關(guān)鍵施工技術(shù)，為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 隧道概況

本次健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程的主體為南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道[10]過江盾構(gòu)段，該區(qū)段隧道為雙線盾構(gòu)隧道，全長(zhǎng)約為3 km，隧道結(jié)構(gòu)外徑為14.5 m，環(huán)寬為2 m，壁厚為0.6 m。隧道按雙向6車道快速通道、行車速度80 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道橫斷面及平面示意如圖1所示；南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道縱斷面示意如圖2所示。

(a) 橫斷面

(b) 平面圖1 南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道橫斷面及平面示意

圖2 南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道縱斷面示意

1.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

1.2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)段布置

系統(tǒng)升級(jí)改造的監(jiān)測(cè)區(qū)段為左右對(duì)稱布置，合計(jì)12處，區(qū)段整體上每50 m設(shè)置一處多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面。針對(duì)縱向不均勻沉降的監(jiān)測(cè)，區(qū)段內(nèi)每25 m設(shè)置一處監(jiān)測(cè)斷面，每5～8 m設(shè)置一處斷面間環(huán)縫測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)區(qū)段信息概覽如表1所示；監(jiān)測(cè)區(qū)段平面分布如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)段平面分布

表1 監(jiān)測(cè)區(qū)段信息概覽

1.2.2 測(cè)點(diǎn)分布情況

1.2.2.1 接縫伸縮量的監(jiān)測(cè)

斷面環(huán)縫：每個(gè)斷面的拱頂及兩側(cè)拱腰處共布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

斷面間環(huán)縫：在監(jiān)測(cè)斷面間進(jìn)行管片環(huán)縫張開量監(jiān)測(cè)，相鄰兩環(huán)騎縫布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位于拱頂處。

斷面縱縫：每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)在拱頂及兩側(cè)位置。

1.2.2.2 縱向不均勻沉降的監(jiān)測(cè)

各區(qū)段(兩端工作井除外)每隔25 m在廊道內(nèi)安裝1臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀。

1.2.2.3 錯(cuò)臺(tái)的監(jiān)測(cè)

在各斷面選擇兩個(gè)錯(cuò)臺(tái)量較大的位置(兩端工作井除外)安裝垂向測(cè)縫計(jì)。

1.2.2.4 管片傾斜與偏轉(zhuǎn)的監(jiān)測(cè)

覆土厚度最小處的3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于頂部和左右邊墻處，其余位置(兩端工作井除外)布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

1.2.2.5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)

在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱肩位置沿90°布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(兩端工作井除外)。

1.2.2.6 振動(dòng)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)

在浦口大堤區(qū)段選擇1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝三向加速度計(jì)，進(jìn)行隧道振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。

測(cè)點(diǎn)分布橫斷面如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布橫斷面

1.2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

12處監(jiān)測(cè)區(qū)域分別設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)采集站，屏蔽電纜將傳感器信號(hào)傳輸至采集站，采用光端機(jī)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)通過主光纜傳輸至監(jiān)控中心。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

2 施工重難點(diǎn)分析

2.1 施工空間有限

南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道上方為行車層、下方為廊道層，廊道層含電纜通道、檢修救援通道和逃生通道，施工空間劃分如圖6所示。在行車層施工時(shí)需要登高作業(yè)且廊道層布滿橋架、逃生滑梯等既有設(shè)備，作業(yè)空間局限。此外，隧道內(nèi)空間密閉、空氣質(zhì)量差且不同艙室之間協(xié)同作業(yè)難度較大。

圖6 施工空間劃分

2.2 施工工作量大

施工作業(yè)整體包含傳感器安裝、綜合布線、采集站與機(jī)房安裝、軟件開發(fā)測(cè)試與部署、系統(tǒng)調(diào)試與試運(yùn)行等內(nèi)容，作業(yè)種類多樣且工序復(fù)雜，項(xiàng)目推進(jìn)困難。行車層施工工作量如表2所示，廊道層施工工作量如表3所示，監(jiān)控中心施工工作量如 表4 所示。

表2 行車層施工工作量

表3 廊道層施工工作量

表4 監(jiān)控中心施工工作量

2.3 行車層有效施工時(shí)間短

由于有不中斷隧道內(nèi)交通的要求，行車層僅在夜間施工作業(yè)，且每晚封閉時(shí)間只有5 h，其間需要開展封道錐桶擺放、登高車就位、施工材料進(jìn)場(chǎng)、收尾整理等輔助工作，實(shí)際有效安裝時(shí)間約為3.5 h。

2.4 傳感器定位和安裝難度較大

行車層頂部覆蓋2 cm厚防火板，防火板拼縫與盾構(gòu)管片拼縫不對(duì)應(yīng)，給傳感器定位和安裝帶來困難。此外，隧道管片為C60混凝土構(gòu)筑，且鋼筋密集，鉆孔難度較大，傳感器安裝耗時(shí)耗力。

2.5 綜合布線難度大

本工程共布設(shè)線纜約50 000 m，行車層全部采用橋架保護(hù)，廊道層采用鍍鋅鋼管保護(hù)，因此存在大量橋架和鍍鋅鋼管安裝工作。隧道內(nèi)走線復(fù)雜，弧形走線和彎折情況較多，給施工帶來困難。此外線纜存在從行車層穿越至廊道層的情況，須對(duì)既有孔洞進(jìn)行疏通作業(yè)。

2.6 長(zhǎng)距離傳輸線纜與傳感器匹配困難

現(xiàn)場(chǎng)分5種類別共布設(shè)685個(gè)傳感器，傳感器與線纜連接后，最遠(yuǎn)傳輸距離約為166 m，且存在穿越車道板和穿墻作業(yè)的情況，準(zhǔn)確識(shí)別線纜對(duì)應(yīng)的傳感器類別和編號(hào)也是施工中的重難點(diǎn)。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

為克服工程困難，項(xiàng)目組人員針對(duì)性地提出多種施工措施，推動(dòng)項(xiàng)目順利完成。

3.1 防火板覆蓋條件下的環(huán)縫測(cè)縫計(jì)定位技術(shù)

南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道行車層的弧形頂面全部密貼防火板，且防火板接縫與盾構(gòu)管片接縫不對(duì)應(yīng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，測(cè)縫計(jì)需要安裝在環(huán)縫或縱縫處，測(cè)縫計(jì)定位問題成為項(xiàng)目難點(diǎn)。

針對(duì)相關(guān)問題，以既有外露接縫為基準(zhǔn)，參考設(shè)計(jì)圖紙并復(fù)盤管片環(huán)拼裝形式和管片位置，提出根據(jù)管片內(nèi)弧長(zhǎng)推導(dǎo)管片環(huán)接縫位置的定位方法。該方法簡(jiǎn)述如下。

(1) 系統(tǒng)梳理隧道施工階段管片拼裝方式。根據(jù)前期設(shè)計(jì)圖紙，管片拼裝根據(jù)封頂塊位置不同有5種方式。管片環(huán)縱縫環(huán)向分布如圖7所示。

圖7 管片環(huán)縱縫環(huán)向分布

(2) 分別在廊道層和行車層觀察目標(biāo)管片環(huán)的外露環(huán)縫位置，并推測(cè)整環(huán)的拼裝形式?，F(xiàn)場(chǎng)查看對(duì)應(yīng)管片環(huán)縱縫分布如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)查看對(duì)應(yīng)管片環(huán)縱縫分布

(3) 在目標(biāo)管片環(huán)下方路面安裝激光定位儀。激光定位儀實(shí)物及現(xiàn)場(chǎng)定位作業(yè)如圖9所示，定位儀垂直于行車方向向上打出1道環(huán)形激光，從而準(zhǔn)確定位本環(huán)管片縱向所在位置，方便在綠光沿線尋找環(huán)縫位置。

(a) 激光定位儀實(shí)物

(b) 現(xiàn)場(chǎng)定位作業(yè)1

(c) 現(xiàn)場(chǎng)定位作業(yè)2圖9 激光定位儀實(shí)物及現(xiàn)場(chǎng)定位作業(yè)

(4) 沿已知環(huán)縫順著激光向上推測(cè)頂部其余環(huán)縫所在位置。根據(jù)激光標(biāo)定的位置，從已知接縫向上量測(cè)，普通管片內(nèi)弧長(zhǎng)為4.477 m，封頂塊內(nèi)弧長(zhǎng)為1.492 m，鄰接塊內(nèi)弧長(zhǎng)為4.477 m，按此距離精準(zhǔn)確定頂部環(huán)縫的位置。

該方法的提出避免了通過切割尋找接縫的大量工作，可提高施工效率。

3.2 運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道弧形頂面綜合布線技術(shù)

本工程存在大量頂部弧形頂面線纜的布設(shè)作業(yè)，頂部線纜布設(shè)要求貼合弧度、滿足后期檢修需求且要防止遠(yuǎn)期高空墜物的情況產(chǎn)生。

通過調(diào)研，確定架設(shè)鍍鋅鋼管或橋架作為線纜布設(shè)的保護(hù)措施，鍍鋅鋼管和橋架的選用影響因素比較如表5所示。

表5 鍍鋅鋼管和橋架的選用影響因素比較

通過比較可知，橋架在后期檢修難度和施工難度方面優(yōu)于鍍鋅鋼管，行車層作業(yè)時(shí)間有限，且對(duì)于遠(yuǎn)期檢修和安裝可靠度方面要求較高，因此行車層全部采用橋架進(jìn)行線纜布設(shè)。

橋架安裝需要滿足后期可檢修以及避免高空墜物風(fēng)險(xiǎn)的要求，經(jīng)分析比較，提出以角鋼焊接支架作為支點(diǎn)、橋架側(cè)立安裝的實(shí)施方式，安裝示意如圖10所示。實(shí)踐證明該方法克服了橋架后期檢修時(shí)蓋板打開困難的難題，且最大限度降低了線纜布設(shè)侵占隧道凈空的程度，安裝質(zhì)量可控，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖10 安裝示意(單位：mm)

3.3 多種類傳感器長(zhǎng)距離傳輸?shù)木_匹配技術(shù)

傳感器安裝存在的問題有：①項(xiàng)目傳感器數(shù)量大且種類較多。行車層頂部分布400支傳感器、廊道層分布285支傳感器，合計(jì)685支傳感器。其中包含測(cè)縫計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、傾斜儀、應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì)，共5種儀器。②傳感器安裝位置相近或重疊情況較多。同一位置垂直布設(shè)2支應(yīng)變計(jì)，錯(cuò)臺(tái)與環(huán)縫伸縮量的監(jiān)測(cè)位置接近。③線纜布設(shè)路徑復(fù)雜，存在行車層下穿至廊道層、廊道層三艙室之間穿越等情況。

相關(guān)問題導(dǎo)致項(xiàng)目中精準(zhǔn)匹配線纜與傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為困難。分析認(rèn)為，多種類傳感器的長(zhǎng)距離傳輸和精準(zhǔn)匹配需要從傳感器編號(hào)、線纜編號(hào)、施工過程等方面進(jìn)行改進(jìn)和提升。

3.3.1 傳感器編號(hào)

為準(zhǔn)確區(qū)分各類傳感器并定位具體布設(shè)位置，提出AAAA-BB/CC/D/FFFF的設(shè)備編碼格式，編碼各位釋義為：①AAAA為設(shè)備名稱，可字母和數(shù)字并存，不超過4位，電纜及零部件統(tǒng)一并入設(shè)備編碼中，不再單獨(dú)編碼。②BB為所屬系統(tǒng)(HM為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。③CC為所在區(qū)段或位置(浦口豎井為PJ、浦口大堤為PD、江中為JZ、覆土厚度最小為FX、梅子洲大堤為MD、梅子洲豎井為MJ)。④D為隧道左右線方向，采用字母L代表左線、字母R代表右線。江北至江南方向(小樁號(hào)至大樁號(hào))為右線，江南至江北方向(大樁號(hào)至小樁號(hào))為左線。⑤FFFF為設(shè)備編號(hào)，可字母和數(shù)字并存，最后一位為附加位，不用時(shí)以“#”代替。南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備編碼含義對(duì)照如表6所示。例如YBJ-HM/JZ/L/001#表示南京長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)江中左線第001號(hào)應(yīng)變計(jì)。

表6 南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備編碼含義對(duì)照

(續(xù)表)

3.3.2 線纜編號(hào)

為準(zhǔn)確區(qū)分不同傳感器的傳輸線纜，提出AAAAA-HM/CC/D/FFFFF的線纜編碼格式，編碼各位釋義為：①AAAAA為光纜或電纜編碼。②HM為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)英文縮寫。③CC為所在位置(浦口豎井為PJ、浦口大堤為PD、江中為JZ、覆土厚度最小為FX、梅子洲大堤為MD、梅子洲豎井為MJ)。④D為隧道左右線(字母L代表左線，字母R代表右線)。江北至江南方向(小樁號(hào)至大樁號(hào))為右線，江南至江北方向(大樁號(hào)至小樁號(hào))為左線。⑤FFFFF為5位設(shè)備編號(hào)，可字母和數(shù)字并存，最后一位為附加位，不用時(shí)以“#”代替。南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線纜編碼含義對(duì)照如表7所示。例如SF2-HM/JZ/R/0010#表示健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中江中右線第001根2芯單模光纜。

表7 南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線纜編碼含義對(duì)照

3.3.3 施工過程

施工過程中采用圖片記錄、編碼對(duì)照等手段進(jìn)行管控。在傳感器自帶2 m線纜與續(xù)接屏蔽電纜連接后，拍照記錄其對(duì)應(yīng)關(guān)系，在續(xù)接屏蔽電纜兩端采用熱縮管制作的標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)傳感器與線纜、線纜與采集儀通道之間的一一對(duì)應(yīng)。

3.4 鋼筋密集C60混凝土傳感器安裝技術(shù)

隧道管片為C60混凝土構(gòu)筑，強(qiáng)度高且鋼筋密集，傳感器安裝鉆孔過程中既要避開鋼筋位置，又要保障鉆孔從而滿足儀器安裝的要求，準(zhǔn)確確定鉆孔點(diǎn)位成為施工難點(diǎn)。針對(duì)相應(yīng)施工難點(diǎn)提出紙板輔助定位、鋼筋探測(cè)器輔助避開鋼筋等措施。即采用紙板確定鉆孔位置后，在安裝管片處進(jìn)行定位，隨后在定位處采用鋼筋探測(cè)器探測(cè)是否存在鋼筋，如與鋼筋沖突則微調(diào)位置重新探測(cè)，直至所有鉆孔均避開鋼筋為止。該方法可有效提高作業(yè)效率、避免無用鉆孔。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合南京應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程，開展關(guān)鍵技術(shù)研究，研究成果為：

(1) 首次提出以外露管片環(huán)縱縫為基礎(chǔ)判定管片縱縫的拼裝方式，隨后可采用激光定位儀輔助，根據(jù)弧線長(zhǎng)度確定頂部縱縫位置。

(2) 研發(fā)橋架布設(shè)線纜的方法，包含角鋼拼接支架和橋架彎折等技術(shù)。

(3) 提出以傳感器編號(hào)為基礎(chǔ)，線纜兩端進(jìn)行標(biāo)記的多種類傳感器長(zhǎng)距離傳輸?shù)木_匹配控制方法。

(4) 明確鋼筋密集條件下，傳感器安裝鉆孔確定方法。