臨海富水軟土地區綜合管廊結構健康監測系統設計

張忠宇，黃 俊，陳喜坤，唐心煜

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

臨海富水軟土地區綜合管廊結構健康監測系統設計

張忠宇，黃 俊，陳喜坤，唐心煜

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

連云港大部分綜合管廊處于富水軟土地區，運營中面臨著較大的病害風險。以徐圩新區綜合管廊（一期）結構健康監測系統設計為例，研究了富水軟土地區綜合管廊結構健康監測系統設計關鍵技術問題。明確了監測應以不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉作為重點監測項目；確立了重點關注穿河節點、穿路節點、斷面變化處和管廊節點處為重點監測斷面；建立了FBG光纖傳感系統架構，并提出了以三級預警為基礎的結構監測報警預警值及其控制指標。

富水軟土；綜合管廊；健康監測；光纖光柵；結構評估；病害

0 引言

結構健康監測系統是通過在結構易發病害位置埋設不同類型的傳感器，采集到結構應變、應力、位移等指標后通過傳輸系統反饋到數據處理服務器，并采用數據評估軟件實時分析評估，從而判斷結構安全狀況，對結構的病害預防和管理具有指導意義[1]。

20世紀90年代以來，結構健康監測系統逐漸受到學術界和工程界的關注[2]。在土木工程領域，最早采用結構健康監測系統的是大型橋梁[3]，取得較好效果之后逐漸推廣至建筑物、構筑物與隧道等。目前已經在一些大型隧道中得到了具體應用[4]，見表1。

近些年，綜合管廊的建設如火如荼，國家、地方相繼出臺了大量政策支持綜合管廊的建設。江蘇省十三五期間規劃開工建設城市地下綜合管廊300 km以上。

據了解，目前江蘇地區建設的大部分綜合管廊均處于新城區，而大部分新城區處于富水軟土環境中。這種地質具有蠕變特性[5]，一般表現為流塑狀態，壓縮性高、土質差[6]，對綜合管廊后期沉降和結構變形會造成較大影響，如圖1所示。

表1 健康監測系統應用案例

富水軟土環境中，綜合管廊在長期的自然環境和使用環境雙重作用下出現滲水、結構不均勻變形、裂縫、腐蝕等病害的風險較一般環境更高[7]，這給結構的正常使用帶來較大威脅，甚至造成安全事故[8]。因此，采用結構健康監測系統實時了解結構病害發展程度和發展過程，對于評估結構使用功能、制定維修養護對策、避免重大安全事故等具有重要意義。本文以連云港徐圩新區綜合管廊為依托開展了結構健康監測系統設計，該項目場區內基本為淤泥質軟土，且距黃海較近，工程風險較大，開展結構健康監測設計十分必要。

圖1 江蘇省內軟土分布情況

1 工程概況及問題的提出

1.1 概述

連云港市徐圩新區地下綜合管廊項目位于徐圩新區節能環保科技園，屬省級綜合管廊試點項目，采用“三縱三橫”管廊布局，總長24.8 km，一期擬實施16 km，包括徐圩新區江蘇大道、環保二路、西安路、方洋路四條園區道路地下綜合管廊以及為上述道路綜合管廊配套的控制中心，如圖2所示。

圖2 綜合管廊平面布置圖

本項目容納管線較大，屬大斷面綜合管廊。其中，江蘇大道綜合管廊采用三艙、四艙斷面，斷面寬10.40～15.35 m；西安綜合管廊采用雙艙斷面，斷面寬13.80～14.90 m。各管廊斷面尺寸見表2。

表2 管廊斷面尺寸

1.2 工程地質及水文地質

場區地處沿海，地基承載力差，屬海積平原區[9]。本工程沿線地段地層主要由第四系的素填土、黏性土、粉（砂）土構成，管廊下穿位置存在大量淤泥層，主要特性為灰黑色、流塑狀，屬全新世海積物，厚2～10 m。含水量80%，屬高壓縮性土，為不良工程地質層。此軟土地質環境下，建成的管廊面臨著不均勻沉降、易腐蝕等問題。

此外，場區內還有大量鹽田地帶，近海淤泥層厚度愈大，頂板埋深愈淺，工程地質條件愈差。該地段以四層結構為特點。淤泥層厚度13～15 m，局部厚達20 m；頂板埋深1～2 m。淤泥層底部分布黏土或粉、細砂層。此地帶有淺層地下水，具有結晶性侵蝕作用，如圖3所示。

圖3 場區內典型地質斷面圖（單位：m）

1.3 周邊環境

如圖4所示，場址周邊開闊空曠，基本無建（構）筑物。但場址范圍內河道較多，主要有張圩港河、方洋河、納潮河、中心河等，綜合管廊與河道、道路的主要交叉節點情況如下：

（1）江蘇大道綜合管廊下穿河道節點3處、道路節點19處、鐵路節點1處。

（2）西安路綜合管廊下穿河道節點2處、道路節點4處。

（3）環保二路綜合管廊下穿河道節點1處、道路節點1處。

（4）方洋路綜合管廊下穿道路節點7處。

圖4 周邊環境

1.4 主要工程風險

本工程面臨的主要工程風險為：

（1）深厚淤泥層中，線狀綜合管廊結構的縱向不均勻沉降。

（2）臨近道路，大斷面綜合管廊結構的橫向不均勻沉降。

（3）近海富水軟土，結構防水失效、結構開裂等導致的耐久性問題。

（4）下穿河流、道路、鐵路節點處，結構斷面變化處，結構的差異沉降。

（5）新城區綜合管廊周邊新建項目實施引起的地層位移及結構損傷。

2 結構健康監測系統設計

2.1 設計內容

結構健康監測系統設計的主要內容包括監測項目、監測斷面和測點布設、系統架構、預警及報警。

2.2 監測項目的選取

2.2.1 監測項目重要性分級

本項目位于富水軟土地區，存在多種結構病害種類，同時結構健康監測系統又屬傳感器投入較多的保障系統，從兼顧結構安全與經濟性角度出發，重點考慮監測項目超過警戒值對結構危害大、發生概率高，且發生后需及時處理的監測項目。

分析本工程可能存在的結構病害情況，根據結構病害的危害程度、發生概率及緊急程度等不同，分成 A、B、C 三級，見表 3。

表3 本項目監測項目分析

經分析，認為結構滲漏水通常因結構變形、結構裂縫產生，屬于間接病害；結構軸向變形可通過結構不均勻沉降及接縫張開度等間接獲取。因此，本次監測選取不均勻沉降、接縫張開度、斷面扭轉三個指標進行實時監測。同時，結構健康監測系統預留部分接口，后期必要時可增設相關測點。

2.3 監測斷面和測點布設

2.3.1 結構病害的發生規律

（1）不均勻沉降。建設范圍內軟塑淤泥層對徐圩新區綜合管廊的影響較大，結構不均勻沉降的風險較大，這種結構變形可直接導致管廊伸縮縫錯臺、密封墊失效，從而發生滲漏水、內部設備腐蝕等一系列后果。

（2）接縫變形。伸縮縫是地下結構為適應荷載變化、地基沉降、混凝土收縮與徐變等引起變形而采取的措施。伸縮縫過度張開或擠壓將損壞接縫處止水帶，進而導致結構滲漏水，甚至導致混凝土結構碎裂（擠壓）。

（3）斷面扭轉。徐圩新區綜合管廊斷面有2、3、4艙，橫向寬度6.55～15.53 m，綜合管廊單側沉降或加固不均等因素均會導致管廊發生橫向扭轉病害，從而導致管廊內設備發生損壞。

2.3.2 全線監測內容

由于本項目綜合管廊規模較大，達16 km，監測斷面的選擇與測點的布置在很大程度上決定了結構健康監測系統的成本。本次設計充分考慮結構病害發生的規律，從功能性與經濟性的角度出發，采用總體監測與局部重點監測的組合方式。既能夠滿足對整個工程的全覆蓋，也能夠滿足重點區域具有足夠的數據。

全線監測以全部工程主體為對象，采用準分布式方式布置斷面，監測的主要內容為不均勻沉降。全線監測以交叉節點（穿越河流、穿越道路）、地質條件變化處、結構斷面變化處為主要監測斷面。江蘇大道綜合管廊的全線監測斷面見表4，該綜合管廊與道路、鐵路、河道交叉節點較多，全線共布置85個斷面。

表4 全線監測斷面布置

2.3.3 局部重點監測內容

作為全線監測的補充，在部分已布設差異沉降測點的斷面上增設其他監測項目，如綜合管廊下穿河道最低點，下穿主干道處、結構斷面突變處，上覆荷載突變處等位置。增設的監測內容為伸縮縫張開量、斷面扭轉。江蘇大道綜合管廊局部重點監測斷面見表5。

表5 重點監測斷面

不均勻沉降（差異沉降）監測通過布設位移計實現。傳感器布置于綜合管廊接縫處，每個接縫處布設兩個位移計（橫向和斜向）。

伸縮縫張開量與斷面扭轉監測通過布設位移計、高差計實現。為了準確反映結構變形特征，用于不均勻沉降的位移計布設于側墻中部；用于接縫張開量的位移計布設于頂板中部；高差計布設在管廊兩側側墻，中墻處預留連通空孔洞。不同斷面的位移計、高差計等傳感器布設如圖5所示。

2.4 系統架構

2.4.1 傳感器選型

目前，健康監測系統采用的傳感器類型主要為鋼弦式、電阻式、光纖光柵式，各類型傳感器的特點見表6。由于鋼弦式傳感器溫度補償誤差較大，需要人工修正；電阻式傳感器信號傳輸距離存在限制，因此本工程采用潮濕環境下耐久性良好、傳輸距離長的FBG傳感器。

2.4.2 系統組成

結構健康監測系統由監測數據采集子系統、結構健康評估子系統、結構健康數據管理子系統組成，如圖6所示。

圖5 測點橫斷面布設

表6 各種傳感器特性

整個系統基于GIS平臺和分布式數據庫管理系統，結合互聯網技術，建立一個三層C/S和B/S混合結構的結構健康監測及安全監控預警系統。

2.5 結構評估及預警

系統的預警報警流程如圖7所示。

圖6 系統總體架構

圖7 預警報警流程

根據需要，結構的危險狀態進行三級預警，1級黃色預警代表結構已明顯表現出趨向危險狀態的趨勢，2級橙色預警代表結構已接近危險狀態，3級紅色預警代表結構已達到危險狀態。

1級為“黃色區”，達到該區域時，監測系統全部進入工作狀態，儀器監測改為實時連續監測，為進一步分析預處理系統提供原始資料。“黃色區”的閾值為報警控制值的1/2。

2級為“橙色區”，監測指標中部分達到這一水平后，系統自動在操作平臺上顯示報警，提示報警鈴聲，進入該狀態后，除啟動所有監測、監控系統開展實時不間斷工作外，將啟動評估軟件進行數據實時評估分析，同時啟動結構損傷評估分析系統，并將提出評估分析系統的結論提交綜合管廊管理者進行管養決策。“橙色區”的閾值為報警控制值的2/3。

3級為“紅色區”，當部分測點數值超過該區域設定值后，整個健康監測及數字化管養系統全面、連續地開展工作，損傷評估軟件進行連續的、多次快速的評估分析，并應用綜合健康狀況評估系統對結構整體狀況做出綜合評價，同時迅速根據各種計算分析結論，會同專家現場檢查，經會議討論決定是否對結構進行修復調整、加固等措施。“紅色區”的閾值為測點達到規范設計值。

報警控制值的確定主要參考綜合管廊變形設計值以及相關規范，見表7。

表7 健康監測系統報警控制值

系統中三級區域的閾值將在營運一段時間后結合系統長時間實測數據分析以及結構數值模型計算分析結果，做出適合于綜合管廊狀況變化和發展趨勢的調整，更新系統設置的閾值和評估指標體系的專家打分權值。

3 結語

（1）近年來，我國城市綜合管廊建設進入高峰期，大量的綜合管廊建設于新城區范圍。其中部分省份如江蘇省，存在大量建設于富水軟土地區的綜合管廊。限于地質及周邊環境條件，此類綜合管廊極易發生各類結構病害，布設結構健康監測系統十分必要。

（2）綜合管廊斷面寬度在10 m上下，但長度往往達數千米，為典型線狀結構物，建設在富水軟土地區，最為突出的結構病害為不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉等，在結構健康監測設計中應該給予重點關注。

（3）由于綜合管廊建設里程較長，斷面布設上需結合綜合管廊特點，兼顧經濟性進行結構健康監測系統設計，采用全線監測配合具備重點監測思路為宜。

[1]汪波,何川,吳德興.隧道結構健康監測系統理念及其技術應用[J].鐵道工程學報,2012(1):67-72.

[2]鄭浩龍.公路軟巖隧道健康監測標識系統研究[D].成都：西南交通大學,2014.

[3]秦權.橋梁結構的健康監測[J].中國公路學報,2000,13(2):37-42.

[4]黃俊.水底大直徑盾構隧道健康監測系統研究與應用[D].北京：北京交通大學,2013.

[5]繆林昌,張軍輝,陳藝南.江蘇海相軟土壓縮特性試驗研究[J].巖土工程學報,2007,29(11):1711-1714.

[6]繆林昌,經緋.江蘇海相靈敏性軟土特征研究[J].巖土力學,2006,27(8):1283-1286.

[7]褚平進.軟土盾構隧道運營初期服役病害及縱向沉降變形分析[J].建筑工程技術與設計,2015(11):771.

[8]周亮.城市地下綜合管廊安全監測系統建設關鍵技術研究[J].現代測繪,2016,39(6):39-41.

[9]陳藝南,潘華良,劉松玉,等.連云港軟土工程特性初探 [J].路基工程,2002(6):1-5.

TU99

B

1009-7716（2017）12-0208-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.057

2017-08-17

江蘇省建設系統科技項目（2015ZD08）

張忠宇（1983-），男，山東濟寧人，工程師，主要從事隧道及地下工程設計、研發工作。