城市地下道路隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(shè)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(zhèn)化建設(shè)的不斷進行和社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)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(tǒng)帶來一系列挑戰(zhàn)。交通擁堵、馬路拉鏈、環(huán)境惡化等成為城市發(fā)展過程中的常見問題，在城市核心區(qū)情況尤為突出[1]。通過加大地下空間開發(fā)、市政設(shè)施的地下化，尤其是地下道路的建設(shè)，能夠有效緩解城市的擁堵問題。各類地下道路隧道設(shè)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(yǎng)護不到位等問題，在外界環(huán)境作用下容易引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)變形、病害等，對隧道結(jié)構(gòu)造成安全隱患[2-3]，進而影響地下道路的通行功能。因此，應(yīng)在運營期對地下道路隧道展開監(jiān)測，密切關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)的運行狀況。

當(dāng)前，國內(nèi)對隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測主要分為人工監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康自動化監(jiān)測。人工監(jiān)測是指監(jiān)測人員進入施工現(xiàn)場，參照現(xiàn)行的相關(guān)測量規(guī)范[4]，使用傳統(tǒng)測量工具進行人工操作測量，測量完成后再對數(shù)據(jù)進行處理，并將測量結(jié)果反饋給工程相關(guān)部門。當(dāng)前完全依靠人工測量來掌握隧道結(jié)構(gòu)的受力及安全狀態(tài)，具有測量直接、技術(shù)成熟等特點，廣泛應(yīng)用在各類工程中[5～7]。結(jié)構(gòu)健康自動化監(jiān)測一般稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，簡稱SHM）即利用現(xiàn)場的、無損的、實時的方式采集環(huán)境與結(jié)構(gòu)信息，分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)的各種特征，獲取結(jié)構(gòu)因環(huán)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(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法，并根據(jù)隧道的工程特點和長期運營安全監(jiān)測的需要，采用以光纖傳感技術(shù)為主的監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了隧道的長期監(jiān)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(jiān)測與評價的主要內(nèi)容。杜榮武[11]利用三維激光技術(shù)，獲得了地鐵隧道管片和軌道的三維點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)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(biāo)參數(shù)的健康度。近年來，隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)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(guī)模小、分布離散等問題，給結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測對城市交通影響極大。

城市道路隧道如果采用封道監(jiān)測對城市交通影響大，而全套健康監(jiān)測系統(tǒng)成本高，因此本文針對園騰路隧道采用傳感器監(jiān)測采集，在設(shè)備用房內(nèi)按需采集的辦法，并檢驗“形狀傳感器”在短隧道、小變形下應(yīng)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(yǎng)質(zhì)量、保障地下通道安全上具有重要意義。

1 監(jiān)測方案設(shè)計

1.1 監(jiān)測對象

園騰路隧道位于南京市江北新區(qū)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(jié)構(gòu)總寬21 m，雙向四車道，設(shè)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(zhì)粉質(zhì)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(jiān)測項目與監(jiān)測設(shè)備

對采用明挖法施工的地下道路隧道，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的變形縫通常為隧道病害的多發(fā)部位。例如，變形縫作為防水薄弱部位，在溫度應(yīng)力的作用下的張開而導(dǎo)致滲漏水；變形縫作為剛度不連續(xù)部位，由于不均勻沉降，無法整體變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中。根據(jù)園騰路隧道整體投資規(guī)模，監(jiān)測項目和儀器數(shù)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(jiān)測項目。分別采用測縫計和靜力水準(zhǔn)儀對接縫張開量和不均勻沉降進行監(jiān)測，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)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(shù)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(zhǔn)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(shù)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(jiān)測成本，本項目不單獨設(shè)置采集站和解調(diào)儀，將光纖傳感器接入設(shè)備用房中，采用便攜式采集儀按需監(jiān)測，如圖4 所示。

圖4 便攜式采集儀

同時，監(jiān)測中試驗性采用形狀傳感器，通過與傳統(tǒng)測縫計與靜力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢驗形狀傳感器在隧道中的適用性。形狀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 形狀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

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

1.3 監(jiān)測斷面與儀器安裝

（1）監(jiān)測斷面

監(jiān)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(jié)構(gòu)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(fēng)險如下：

a.隧道洞口兩側(cè)，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(jié)構(gòu)形式差異大，臨近設(shè)備用房，明挖段與暗埋段承受荷載差異大。

c.YTK0+230～YTK0+260 區(qū)段，與管廊工程交叉。

針對以上風(fēng)險，結(jié)合具體的變形縫設(shè)計位置，測斷面選定見表1。

表1 監(jiān)測斷面選取表

（2）儀器安裝

監(jiān)測儀器在監(jiān)測斷面上的布設(shè)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(cè)墻中部，跨縫安裝，在監(jiān)測斷面左、右洞隧道臨土側(cè)邊墻上各一個。

b.靜力水準(zhǔn)儀安裝在側(cè)墻中部，變形縫兩側(cè)各一個。安裝在左、右洞中帶有設(shè)備用房，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化較大的一側(cè)。

c.形狀傳感器跨縫安裝在靜力水準(zhǔn)儀相同的位置，形成對比。

2 隧道監(jiān)測實施與數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)并采集初值，隨后展開了持續(xù)監(jiān)測至2022 年2 月。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，對監(jiān)測頻率進行動態(tài)調(diào)整，如圖7 所示。

圖7 現(xiàn)場安裝及采集圖

3 監(jiān)測結(jié)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(jiān)測。

3.1 測縫計結(jié)果分析

根據(jù)接縫張開量監(jiān)測結(jié)果（如圖8 所示），可知：

圖8 接縫張開量監(jiān)測

（1）6 個監(jiān)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(nèi)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(shù)值，無明顯對應(yīng)關(guān)系。分析認為，隧道張開量差距不明顯時，波動原因主要由監(jiān)測環(huán)境和儀器精度導(dǎo)致；左右線張開量差值最大可達0.269 mm，出現(xiàn)在2022年1 月1 日的YTK0+260 處。

（3）隧道張開量最大處出現(xiàn)在CFJ-001，最大值達0.639 mm。

3.2 靜力水準(zhǔn)儀結(jié)果分析

根據(jù)接縫間不均勻沉降監(jiān)測結(jié)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(guī)律。

（2）接縫間不均勻沉降數(shù)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(jiān)測

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

3.3 形狀傳感器結(jié)果分析

（1）接縫張開量

根據(jù)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(jiān)測如圖10 所示。

形狀傳感器對于接縫張開量的監(jiān)測數(shù)值，其變化規(guī)律與同位置的測縫計整體一致，數(shù)值上有一定差距，最大差距0.04 mm，出現(xiàn)在YTK0+345 中。

（2）接縫間不均勻沉降

根據(jù)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(cè)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(jiān)測數(shù)值，變化規(guī)律與同位置的靜力水準(zhǔn)儀接近，在數(shù)值上相互交叉，最大差距0.05 mm，出現(xiàn)在2021 年8月30 日YTK0+230 中。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

以YTK0+230 斷面為例，將形狀傳感器接縫量結(jié)果與測縫計結(jié)果、形狀傳感器不均勻沉降監(jiān)測結(jié)果與靜力水準(zhǔn)結(jié)果進行對比，分析接縫量和不均勻沉降監(jiān)測項目中兩種不同監(jiān)測方法所獲得的結(jié)果關(guān)聯(lián)度。利用Origin 繪圖軟件進行數(shù)據(jù)擬合，并得到擬合優(yōu)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(jié)果如圖12 所示，線性擬合結(jié)果可以得到擬合度R2為0.98802。不均勻沉降對比結(jié)果如圖13 所示，線性擬合結(jié)果可以得到擬合度R2為0.957 59。擬合結(jié)果表明形狀傳感器應(yīng)用于監(jiān)測變形縫的張開量及變形縫兩側(cè)的不均勻沉降時，與測縫計及靜力水準(zhǔn)儀的結(jié)果吻合較好。

圖12 接縫張開量對比結(jié)果

圖13 變形縫不均勻沉降對比結(jié)果

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了園騰路地下道路隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及實施，并進行數(shù)據(jù)分析。同時，采用形狀傳感器對隧道變形縫的張開量及兩側(cè)的不均勻沉降進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與縫計、靜力水準(zhǔn)儀進行對比。得到結(jié)論如下：

（1）對于整體規(guī)模較小的，可根據(jù)成本要求，通過降低結(jié)構(gòu)監(jiān)測的自動化程度來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

（2）變形縫張開量在2021 年9 月～2022 年1 月時間內(nèi)不斷增大，分析認為由于氣溫導(dǎo)致，變形縫張開量最大值0.639 mm，結(jié)構(gòu)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(yīng)用于監(jiān)測變形縫的張開量及變形縫兩側(cè)的不均勻沉降時，與測縫計及靜力水準(zhǔn)儀的吻合較好，監(jiān)測指標(biāo)的數(shù)值最大差異為0.04 mm和0.05 mm，滿足監(jiān)測精度要求。