水底大直徑盾構隧道健康監測系統分析

王場

【摘 要】伴隨改革開放的不斷深入，我國經濟發展速度不斷加快。水下大直徑盾構隧道建設規模的擴大，越來越多隧道工程在復雜環境中呈現出結構健康問題，大直徑盾構隧道健康監測系統建立應與橋梁結構健康監測經驗相結合，在充分發揮其作用的同時，有效提升水底大直徑盾構隧道的質量與安全，推動我國隧道事業的可持續發展與創新。為此，本文主要通過具體工程案例，對結構健康監測的概況、水底大直徑盾構隧道健康監測系統的應用進行了分析與探究。

【關鍵詞】水底大直徑盾構隧道 健康監測系統 工程案例 結構健康監測 縱斷面穩定性 橫斷面計算

1結構健康監測的概況

結構健康監測是指通過現場無損傳感技術的合理運用，對其結構系統特性進行分析，其包含結構響應等，并調查研究結構損傷位置、程度，以此對結構損傷、退化進行準確檢測。實施結構健康監測的目的就是為了進行實時監測系統的建立，以此為管理人員實時監測重大結構損傷提供便利，并對結構性能變化與剩余年限做出預測及提供科學有效的養護策略。

2工程案例

某水底大直徑盾構隧道工程全長5853米，屬于“左汊盾構隧道選取復合式泥水盾構機2臺施工，其直徑為14.93米，2895米為盾構段隧道總長度，14.5米為其外徑，13.3米為內徑，—51米為隧道最深位置。該工程施工地層主要以第四系全新統沖積層，粉質粘土、淤泥質粉質粘土等為其主要巖性。砂卵石透水性地層為隧道主要穿越區域，具有豐富的地下水及過大的水壓力，60米為江中段隧道頂部和長江最高水位之間的差距。

3水底大直徑盾構隧道健康監測系統的應用

3.1隧道結構縱斷面穩定性分析

在運營過程中為對盾構隧道的受力情況進行準確有效地反映，對綜合研究盾構隧道所在地質、地形條件、埋設深度、水壓變化等，并根據對稱性原則進行該工程研究，其關鍵部位應包括：盾構始發、大堤、變坡等，以此獲取盾構隧道結構最大受力部位，為隧道結構健康監測縱向斷面布設提供可靠保證。

選取三維有限元研究，將具體土層情況作為前提條件，對地質、地層與水壓影響隧道結構安全性進行模擬。按照具體地質情況、土層計算參數，對基本假設進行計算，具體內容如下：

第一，選取摩爾—庫倫準則計算；

第二，當具有較長縱向長度，管片混凝土襯砌可選取板單元模擬。根據彈性材料計算，需對剛度折減情況進行充分考慮，0.8為折減系數。

第三，在彈塑性范圍內控制地層、材料應力應變。

第四，對地下水荷載作用充分考慮。

3.2模型與邊界條件計算

按照隧道縱向對稱性與模型規模等，選取1900米作為模型縱向長度，橫向選取隧道左右2側長度為53.05米，50米為縱向隧道底部選取長度，82到112米為模型高度。模型可進行194326個單元劃分，節點數量為30686個。

3.3橫斷面計算結果

完成隧道工程后在隧道正上方部位極易出現地層變形情況，同時，相比水域地層沉降，陸域沉降較大并具有廣闊的分布范圍。與地層、管片結果縱向變形規律充分結合與研究，如變坡（X）為5160毫米時，橫斷面管片外側計算結果如表1所示，其結論如下：

第一，管片頂部與底部的管片外側壓應力值較大，拱頂可產生2.25MPa最大壓應力。相比拱頂、隧道受力情況，隧道襯砌環左右側受力呈相反趨勢，在襯砌環右側可產生0.75Mpa最大拉應力。

第二，壓應力同時存在于管片拱頂、隧底內側，隧底將產生0.51Pma最大壓應力。相比襯砌外側應力，其內側2側應力呈現相反趨勢，一般在襯砌右側出現3.52Mpa最大壓應力。

序號

測點位置

外側最小應力值（kpa）

外側最大應力值（kpa）

內側最小應力值（kpa）

內側最大應力值（kpa）

1

0°

-473.8

-2254.4

-436.9

-167.6

2

45°

-282.3

-824.7

-401.2

-1396.4

3

90°

558.5

109.5

-882.2

-3234.9

4

135°

-54.8

-144.8

-532.3

-2306.7

5

180°

-263

-1840

-359.5

-513

6

225°

721

-22.2

147.5

-742.9

7

270°

754.3

232.1

-984.9

-3515.4

8

315°

140.0

-158.4

-610.7

-2594.9

表1 橫斷面最大、最小應力值

3.4確定監測斷面

因隧道具有較長的線路及較大的洞徑，需從不同地層穿越，進而增加了施工難度。隧道施工中需在結構、地層內埋設大量儀器，以此監測施工環節變形、位移、應力與水壓，實現信息化作業。隧道通車使用階段通過以上儀器與設備可實時監控隧道結構變形、受力情況，確保隧道運行的安全性。

據分析，本工程隧道健康監測方案，要求左右線需分別進行5到8個斷面布設。其中5個分別為盾構始發位置、2個變坡點、江中心與大堤位置，除此之外，與雙線隧道施工先后特點相結合，施工隧道可進行3個斷面的增設，如表2所示。

里程

先施工隧道

后施工隧道

K3+600～k4+000

LK3+610（出洞）LK3+770（大堤）

-----

K4+200～k6+050

LK5+100（變坡）LK5+400

RK5+160（變坡） RK5+800

K6+050～k6+614

LK6+600（進洞）

LK6+300（大堤）

合計

5個

3個

表2 縱向監測斷面里程表

3.5健康監測內容與監測數據采集

管片接縫張開度、隧道外側水壓力、軸向力、彎矩等為健康監測的主要內容，柔性土壓力計、光纖光柵鋼筋應變傳感器等為監測材料與設備。本文主要分析該工程隧道左右線第一個監測斷面相關數據，根據結構健康監測系統大量監測數據采集情況，并與使用期間環境因素相結合，得出各監測斷面結構健康情況如下。土、水壓力監測值在監測期間因汛期控制因素影響，將產生上升現象，并逐步呈現穩定狀態。管片縱向、環向變形與受力情況因汛期控制，將增加管片壓力，并增加管片結構及出現變形情況，但外界壓力卻始終在控制值以下，同時需在理論值范圍內對位移、應變情況進行有效控制，結構響應也需控制在安全范疇內。

3.6盾構隧道安全評估

（1） 工況計算。因多方面因素對結構橫斷面受力規律的影響，在軟土層內為對隧道受力與變形規律進行準確半段，需進行5處斷面的選取與分析，如陸上覆土最小位置、覆土最大位置等，其斷面特征計算如表3所示。

工況

里程

特征

埋深m

水深m

計算模式

工況1

K3+600

陸上覆土最小處

6.9

/

水土合算

工況2

K3+762

防洪大堤

18.0

/

水土合算

工況3

K5+100

江中沖刷最大處

18.5

31.5

水土分算

工況4

K5+350

江中覆土最小處

15.1

33.7

水土分算

工況5

K6+190

覆土最大處

32.8

1.1

水土分算

注：砂性土采用水土分算，粘性土采用水土合算，水深按300年一遇。

表3 工況斷面特征計算

（2）參數計算與荷載計算。14.5米為盾構隧道管片外徑長度，13.3米為其內徑長度，6.95米為襯砌管片環中心半徑長度，600毫米為管片厚度，10片為襯砌各環管片數量，2米為管片寬度，C60為混凝土等級。

管片在梁彈簧計算模型中可看做簡單的直梁單元計算，管片間與管片環間螺栓的具體效應模擬以旋轉彈簧與剪切彈簧為主，模擬地基彈簧單元時可選取地層、管片間的互相作用。

根據國內外盾構隧道設計要求，確定管片接頭彈簧參數，在此過程中續對螺栓特點選取經驗值進行充分考慮。每環分10塊管片，前后相近環管片縱向M30需4個螺栓連接，總數為42個。每環的10片管片連接可選取M36規格（3個），總數為30個。選取M36規格的環向螺栓；選取M30規格的縱向螺栓。地質條件不同，其選取的螺栓機械性能等級也不盡相同，一般環向螺栓選取6.8級機械性能，縱向螺栓選取8.8級機械性能。

3.7健康監測系統軟件實現

工控機（1臺）與其運行的相應軟件為該工程隧道健康監測系統的儀器集成和預警報警子系統。其利用網絡接口可由MOI光纖量解調儀（6臺）進行光纖傳感器監測數據（738個）的獲取，利用工控機Access數據庫接口進行振弦式滲壓計、土壓計監測數據（120個）的獲取，其監測的物理量共有858個，針對收集的監測數據，子系統可進行解算、顯示，根據相應格式進行數據庫存寫，并按照給定預警報警值進行聲光報警。

4結語

綜上所述，隨著社會經濟發展速度的不斷提升，公路建設已無法滿足交通運輸需求量，通過擴大隧道工程建設，可有效擴大通行能力、減緩交通壓力。水底大直徑盾構隧道健康監測系統的建立與完善，對隧道工程建設安全性提高具有至關重要的作用。本文通過工程案例分析，對其健康監測系統各項內容進行了分析，并做出了相應的措施，以期有效提升盾構隧道工程建設質量、延長使用壽命。

參考文獻：

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[2]王如路，蔡軼曼，劉建航.上海市軌道交通4號線盾構隧道穿越地鐵運營線路的監護工程[J].地下工程與隧道，2004（03）.