盾構隧道結構健康監測系統研究

黎 晨 趙小軍 范中林 張開銀

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （中建三局基礎設施事業部2） 武漢 430070）（十堰市公路管理局3） 十堰 442000）

0 引 言

隨著我國基礎建設投入的不斷加大，各種超高層建筑、近海平臺、大跨度橋梁及水底隧道等復雜工程結構大量問世；與此同時，許多已建和在建工程結構事故頻發，引起了社會對結構安全問題的極大關注［1］.值得注意的是，在這些事故突發前，都出現了各種不同程度的結構破壞征兆.只要采取適當的檢測和監測手段，就能避免事故的發生，將生命和財產的損失降低到最小程度.

相比而言，水下盾構隧道結構遭遇突發事件后，損失相對較高，而且難以修復.對于長距離、高水壓、大直徑盾構隧道，結構穩定性及耐久性等，是設計、施工及運營階段需要重點考慮的問題.因此，將現代傳感測試技術、數據采集與處理技術和結構安全評估技術相結合，以明確盾構隧道結構關鍵部位的受力狀態，進而對盾構隧道結構的性能變化和剩余壽命進行預測并做出維護決定，保障結構的安全運營［2］.所以，盾構隧道結構健康監測關鍵技術的研究，是延長盾構隧道運營周期、提高社會效益和經濟效益的有效手段.

1 盾構隧道健康監測技術特點

1.1 盾構隧道結構的復雜性

盾構隧道的主要受力構件是管片結構，其次是管片周邊一定范圍內的地層（注漿加固圈和天然地層）.盾構隧道結構的力學響應是管片結構和地層相互作用的結果，外界影響因素很多，各因素的影響程度不同.相對于地面大型建筑物、橋梁等荷載明確的結構而言，盾構隧道結構外部荷載的變化大部分必須通過地層才能反映到管片結構上.因此，隧道結構對外荷載的敏感度不直接，主要影響因素及影響程度需通過進一步研究確定.

1.2 監測過程的連續性

盾構隧道結構的健康監測包括施工階段和運營階段.施工階段的監控量測目的是保證施工安全，同時反饋指導施工.而運營階段的健康監測則主要是為了保證隧道結構能夠正常、安全的承擔運營任務.盾構推進打破地層原有的平衡狀態，進入運營階段后逐步趨于新的平衡，即2個階段的受力狀態變化呈連續性.要建立完善的健康監測系統必須全面了解盾構隧道結構從施工到運營整個過程的結構狀態信息.

1.3 監測元件的耐久性

盾構隧道結構周圍為地層，大部分監測元件必須預埋，這對監測元件的耐久性提出了較高要求.由于水底盾構隧道工程環境的特殊性，除了要考慮一般原則外，還應當重點考慮在潮濕或含水條件下元件的穩定性和耐用性.光纖光柵傳感器通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調制來獲取傳感信息，其優點是信號衰減小、耐腐蝕性好、抗電磁干擾能力強、易于實現分布式測量等，在盾構隧道健康監測系統中不斷得到應用［3］.

2 健康監測系統研究

2.1 工程概況

南京市緯三路過江通道工程江中段采用雙管雙層8車道盾構隧道，管片外徑14.5m，厚度0.6m.工程所處的位置水壓高、入巖深度大、厚度不均、河床沖刷深度大、地質條件多變等，這些復雜建設條件對盾構隧道結構的受力、防水、耐久性、抗浮、抗震均不利（見圖1），對盾構隧道施工過程的安全，乃至隧道運營期的安全保障等方面均提出了嚴峻考驗.

2.2 工程特點

根據相關資料，本項目具有如下特點：地質條件復雜，其中江中段有長達700多m的巖層，部分全斷面侵入巖層；盾構段復合地層長達4 135m；水壓力高達0.77MPa；最大埋深達66m；江中覆土厚度超淺約0.7 D，淺覆土段長達1 000m等.

2.3 監測重點

圖1 S線縱斷面示意圖

在運營期，盾構隧道結構健康監測包含許多項目，其中盾構段管片結構里程長、接縫多，所處環境及地質條件復雜多變，故管片結構是健康監測的重點.在調研國內外水底盾構隧道工程實例的基礎上，針對南京市緯三路過江通道工程的特點，對管片結構的橫、縱斷面進行了結構計算，計算中考慮隧道縱坡的變化、覆土厚度的變化及縱向地質條件的變化等幾種最不利工況.根據計算結果對管片結構的受力狀態進行分析總結，從而初步得到了盾構隧道管片結構的應力、應變分布特點.

1）縱斷面監測重點 由于地面（含河床線）起伏變化較大，在結構計算時根據隧道所處的地層特點、上覆土變化、地下水位等特征選取不同的橫斷面進行計算，岸上段水位取勘察現狀水位，江中段取百年一遇水位11.08m，計算斷面見表1，圖2.

表1 典型計算斷面

圖2 S線計算斷面位置圖

2）橫斷面監測重點 見圖3.

圖3 管片結構有限元彎矩云圖

（1）管片左、右側（0°，180°）受力與管頂、底相反，內外側拉壓應力均較大.

（2）管片結構彎矩零點大致位于45°，135°，225°，315°部位.

（3）上述結論為管片結構在一般情況下的內力分布規律，精確受力分布情況及大小需視工程具體位置受載情況經結構計算而定［4］.

2.4 系統在線監測項目

通過對南京市緯三路過江通道工程中起控制作用的斷面進行環境調查和理論分析，確定了健康監測系統監測位置、項目及儀器等.盾構結構實時在線監測項目見表2.

表2 南京市緯三路過江通道工程健康監測項目表

3 系統架構

盾構隧道結構健康監測系統作為一個多學科交叉的綜合性系統工程，既包括硬件系統的集成，也包括軟件系統的集成.其核心任務是獲得環境荷載以及結構的響應、局部損傷等信息，在對監（檢）測信息進行綜合分析的基礎上評估結構的安全狀態，為結構安全、高效、經濟的運營提供技術支持［5－9］.

3.1 數據采集與處理控制子系統

1）傳感元件模塊 該模塊是整個監測系統最底層的硬件模塊.其主要功能是：在起控制作用、具有代表性的截面和部位上安裝各種類型的傳感測試元件，拾取結構荷載源參數和結構響應參數，然后通過適宜的傳輸方式傳送給數據采集和傳輸模塊中的采集板卡或調理器進行模數轉換，完成數據采集.

2）數據采集與傳輸模塊 該模塊包括電子采集傳輸硬件設備和采集傳輸控制軟件的開發.主要功能是通過該模塊的采集板卡或調理器將傳感器傳過來的模擬信號轉換成計算機可識別的數字信號并通過有線、無線網絡輸送到監控中心的數據處理和控制模塊.

3）數據處理與控制模塊 該模塊包含監控中心計算機設備和相應的數據處理和分析軟件.主要功能是由計算機系統完成數據的預處理、后處理、歸檔、顯示和存儲等數據管理，并通過網絡設置和控制現場的各個傳感測試元件、數據采集站和調理器設備.

3.2 結構安全預警與綜合評估子系統

盾構隧道結構安全預警與綜合評估子系統是整個長期健康監測系統的核心.根據數據采集和處理控制子系統獲得的數據和信息，安全評估系統進行客觀分析和評估，實現對隧道結構的整體安全性、耐久性和正常使用性的科學評價，為盾構隧道管理者提供維護決策依據.而盾構健康結構健康監測評估系統的基礎工作目標之一是建立一個參數正確、邊界條件符合實際的有限元計算分析模型.因此，有限元結構分析過程分如下3步.

1）有限元分析模型 健康監測評估子系統采用專用巖土工程分析程序Flac 3D，MIDAS GTS、同濟曙光和結構分析軟件 ANSYS，ABAQUS等建立“荷載－結構”或“地層－結構”模型.前者主要對結構受力進行平面分析；后者將管片襯砌離散成梁單元（或板單元），地層離散為實體單元，可以考慮結構的幾何非線性，并可以對隧道及地層進行穩定性和動力特性計算分析.根據評估的項目和目的不同并結合效率綜合選擇平面或三維分析方法建立計算模型.

2）參數修正和評估 最初的計算模型建立在設計參數的基礎上，而實際的隧道狀態與設計的理想狀態是有一定差別的，這樣在結構分析計算中不可避免的存在誤差.

計算誤差主要包括：模型誤差、測量誤差、施工誤差.

在施工階段，為了盡量獲得盾構隧道的實際狀態，需要將隧道的變形、內力等各項指標的監測數據與理論計算值進行比較，分析結構的實際狀態與理想狀態的偏差，用誤差分析理論來確定或識別引起這種偏差的原因，并進行修正以達到最大程度減小計算模型與實際隧道結構的偏差.

在營運階段，結構初期受車輛、環境溫度等外界荷載作用，結構與地層的狀態會發生一定的變化，而這種變化主要發生在開始運營的頭兩年.利用運營前幾年對結構剛度、內力、動力特性的監測，根據監測數據對有限元分析模型進行修正并對修正后的計算結果進行校核，保證計算與實際相吻合，然后建立結構響應數據庫，以便在后續分析中消除其它因素影響，使健康評估系統真實的反應結構的內力和變形.有限元模型見圖4.

圖4 有限元分析模型

3）預警閥值設定 結構損傷預警是隧道結構健康監測系統設計的第一層次，目標是全面、及時和可視化監控且快速識別異常.預警閥值的設定是整個隧道結構健康監測系統中必不可少的模塊之一，占據著重要的地位.

3.3 用戶界面子系統設計

1）監控中心軟件 主要包含一個界面框架和多個擴展模塊，包括靜態資料管理擴展模塊、實時數據處理擴展模塊、巡檢管理擴展模塊等等.用戶界面子系統以用戶界面框架為中心，以插件的形式加載其它擴展模塊，并通過界面框架提供的接口進行協調以及相互的功能調用，還可以根據功能需求隨時定義和增加新的擴展模塊.

2）數字化模型展示 通過GIS平臺（見圖5）展示系統范圍內的地形、地貌、結構物以及系統設備、附屬物等信息，并可以實現查詢、統計、分析、定位等功能.

3）系統控制功能 通過界面子系統，設定和下發其它子系統的運行參數，對整個系統進行自動化管理和配置，協調各個子系統進行工作，該功能通過開發者定義的用戶界面進行操作，部分功能通過用戶定義和配置數據庫，系統通過計時或者條件觸發，自動實施控制.

圖5 健康監測系統數字化模型

4）靜態數據管理功能 提供和結構相關的信息進行管理的靜態信息管理功能，主要包括結構的設計資料、施工資料、竣工資料、隧道試驗資料以及本系統的設計實施資料和與系統和結構有關的其他資料，統一納入靜態數據管理中進行管理.

5）實時數據處理功能 提供數據的采集和實時展示的功能，通過接受數據采集和傳輸子系統上送的數據，實時解算并進行初步分析，對處理結果進行展示，主要包括實時數據的展示、與模型的關聯、系統設備工作工況的查看以及監測系統提供的專業專題.

4 結 論

1）光纖光柵傳感器元件以其優越性成為健康監測系統的主要監測儀器，即以光纖光柵長期監測手段為主，結合其它定期檢（監）測儀器來監測盾構隧道結構的變形和受力.

2）結合有限元理論分析結果和盾構隧道結構特點、破壞模式，明確結構的薄弱環節和易于發生破壞的位置，由此可確定高水壓、大直徑和長距離水底盾構隧道結構健康監測的項目、內容和重點.

3）將現代傳感測試技術、數據采集與處理技術和結構安全評估技術相結合，確定損傷區域，并采用與人工巡檢相結合的手段對盾構隧道結構健康狀況進行評估.

4）預警、報警級別的確定及控制值，及各項評估指標的權值需從國內外大直徑水底盾構隧道的建設經驗、試驗成果、理論分析及專家系統各方面綜合確定，且受地質條件的影響，是一個動態的過程.因此，盾構隧道結構健康狀況評估和診斷是一個動態的、長期的過程，需要持續的研究和探索.

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