臨海富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忠宇，黃 俊，陳喜坤，唐心煜

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019）

臨海富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忠宇，黃 俊，陳喜坤，唐心煜

（蘇交科集團(tuán)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(qū)，運(yùn)營中面臨著較大的病害風(fēng)險(xiǎn)。以徐圩新區(qū)綜合管廊（一期）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，研究了富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題。明確了監(jiān)測(cè)應(yīng)以不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉(zhuǎn)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；確立了重點(diǎn)關(guān)注穿河節(jié)點(diǎn)、穿路節(jié)點(diǎn)、斷面變化處和管廊節(jié)點(diǎn)處為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面；建立了FBG光纖傳感系統(tǒng)架構(gòu)，并提出了以三級(jí)預(yù)警為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)警預(yù)警值及其控制指標(biāo)。

富水軟土；綜合管廊；健康監(jiān)測(cè)；光纖光柵；結(jié)構(gòu)評(píng)估；病害

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過在結(jié)構(gòu)易發(fā)病害位置埋設(shè)不同類型的傳感器，采集到結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力、位移等指標(biāo)后通過傳輸系統(tǒng)反饋到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，并采用數(shù)據(jù)評(píng)估軟件實(shí)時(shí)分析評(píng)估，從而判斷結(jié)構(gòu)安全狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)的病害預(yù)防和管理具有指導(dǎo)意義[1]。

20世紀(jì)90年代以來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注[2]。在土木工程領(lǐng)域，最早采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的是大型橋梁[3]，取得較好效果之后逐漸推廣至建筑物、構(gòu)筑物與隧道等。目前已經(jīng)在一些大型隧道中得到了具體應(yīng)用[4]，見表1。

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

據(jù)了解，目前江蘇地區(qū)建設(shè)的大部分綜合管廊均處于新城區(qū)，而大部分新城區(qū)處于富水軟土環(huán)境中。這種地質(zhì)具有蠕變特性[5]，一般表現(xiàn)為流塑狀態(tài)，壓縮性高、土質(zhì)差[6]，對(duì)綜合管廊后期沉降和結(jié)構(gòu)變形會(huì)造成較大影響，如圖1所示。

表1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用案例

富水軟土環(huán)境中，綜合管廊在長期的自然環(huán)境和使用環(huán)境雙重作用下出現(xiàn)滲水、結(jié)構(gòu)不均勻變形、裂縫、腐蝕等病害的風(fēng)險(xiǎn)較一般環(huán)境更高[7]，這給結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)病害發(fā)展程度和發(fā)展過程，對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)使用功能、制定維修養(yǎng)護(hù)對(duì)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(qū)綜合管廊為依托開展了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目場區(qū)內(nèi)基本為淤泥質(zhì)軟土，且距黃海較近，工程風(fēng)險(xiǎn)較大，開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)十分必要。

圖1 江蘇省內(nèi)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(qū)地下綜合管廊項(xiàng)目位于徐圩新區(qū)節(jié)能環(huán)保科技園，屬省級(jí)綜合管廊試點(diǎn)項(xiàng)目，采用“三縱三橫”管廊布局，總長24.8 km，一期擬實(shí)施16 km，包括徐圩新區(qū)江蘇大道、環(huán)保二路、西安路、方洋路四條園區(qū)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(xiàng)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(zhì)及水文地質(zhì)

場區(qū)地處沿海，地基承載力差，屬海積平原區(qū)[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(gòu)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(zhì)層。此軟土地質(zhì)環(huán)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(qū)內(nèi)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(zhì)條件愈差。該地段以四層結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)。淤泥層厚度13～15 m，局部厚達(dá)20 m；頂板埋深1～2 m。淤泥層底部分布黏土或粉、細(xì)砂層。此地帶有淺層地下水，具有結(jié)晶性侵蝕作用，如圖3所示。

圖3 場區(qū)內(nèi)典型地質(zhì)斷面圖（單位：m）

1.3 周邊環(huán)境

如圖4所示，場址周邊開闊空曠，基本無建（構(gòu)）筑物。但場址范圍內(nèi)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(jié)點(diǎn)情況如下：

（1）江蘇大道綜合管廊下穿河道節(jié)點(diǎn)3處、道路節(jié)點(diǎn)19處、鐵路節(jié)點(diǎn)1處。

（2）西安路綜合管廊下穿河道節(jié)點(diǎn)2處、道路節(jié)點(diǎn)4處。

（3）環(huán)保二路綜合管廊下穿河道節(jié)點(diǎn)1處、道路節(jié)點(diǎn)1處。

（4）方洋路綜合管廊下穿道路節(jié)點(diǎn)7處。

圖4 周邊環(huán)境

1.4 主要工程風(fēng)險(xiǎn)

本工程面臨的主要工程風(fēng)險(xiǎn)為：

（1）深厚淤泥層中，線狀綜合管廊結(jié)構(gòu)的縱向不均勻沉降。

（2）臨近道路，大斷面綜合管廊結(jié)構(gòu)的橫向不均勻沉降。

（3）近海富水軟土，結(jié)構(gòu)防水失效、結(jié)構(gòu)開裂等導(dǎo)致的耐久性問題。

（4）下穿河流、道路、鐵路節(jié)點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)斷面變化處，結(jié)構(gòu)的差異沉降。

（5）新城區(qū)綜合管廊周邊新建項(xiàng)目實(shí)施引起的地層位移及結(jié)構(gòu)損傷。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布設(shè)、系統(tǒng)架構(gòu)、預(yù)警及報(bào)警。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選取

2.2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重要性分級(jí)

本項(xiàng)目位于富水軟土地區(qū)，存在多種結(jié)構(gòu)病害種類，同時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又屬傳感器投入較多的保障系統(tǒng)，從兼顧結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，重點(diǎn)考慮監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超過警戒值對(duì)結(jié)構(gòu)危害大、發(fā)生概率高，且發(fā)生后需及時(shí)處理的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

分析本工程可能存在的結(jié)構(gòu)病害情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)病害的危害程度、發(fā)生概率及緊急程度等不同，分成 A、B、C 三級(jí)，見表 3。

表3 本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析

經(jīng)分析，認(rèn)為結(jié)構(gòu)滲漏水通常因結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生，屬于間接病害；結(jié)構(gòu)軸向變形可通過結(jié)構(gòu)不均勻沉降及接縫張開度等間接獲取。因此，本次監(jiān)測(cè)選取不均勻沉降、接縫張開度、斷面扭轉(zhuǎn)三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)留部分接口，后期必要時(shí)可增設(shè)相關(guān)測(cè)點(diǎn)。

2.3 監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.3.1 結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生規(guī)律

（1）不均勻沉降。建設(shè)范圍內(nèi)軟塑淤泥層對(duì)徐圩新區(qū)綜合管廊的影響較大，結(jié)構(gòu)不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大，這種結(jié)構(gòu)變形可直接導(dǎo)致管廊伸縮縫錯(cuò)臺(tái)、密封墊失效，從而發(fā)生滲漏水、內(nèi)部設(shè)備腐蝕等一系列后果。

（2）接縫變形。伸縮縫是地下結(jié)構(gòu)為適應(yīng)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(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏水，甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)碎裂（擠壓）。

（3）斷面扭轉(zhuǎn)。徐圩新區(qū)綜合管廊斷面有2、3、4艙，橫向?qū)挾?.55～15.53 m，綜合管廊單側(cè)沉降或加固不均等因素均會(huì)導(dǎo)致管廊發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)病害，從而導(dǎo)致管廊內(nèi)設(shè)備發(fā)生損壞。

2.3.2 全線監(jiān)測(cè)內(nèi)容

由于本項(xiàng)目綜合管廊規(guī)模較大，達(dá)16 km，監(jiān)測(cè)斷面的選擇與測(cè)點(diǎn)的布置在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本。本次設(shè)計(jì)充分考慮結(jié)構(gòu)病害發(fā)生的規(guī)律，從功能性與經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，采用總體監(jiān)測(cè)與局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的組合方式。既能夠滿足對(duì)整個(gè)工程的全覆蓋，也能夠滿足重點(diǎn)區(qū)域具有足夠的數(shù)據(jù)。

全線監(jiān)測(cè)以全部工程主體為對(duì)象，采用準(zhǔn)分布式方式布置斷面，監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為不均勻沉降。全線監(jiān)測(cè)以交叉節(jié)點(diǎn)（穿越河流、穿越道路）、地質(zhì)條件變化處、結(jié)構(gòu)斷面變化處為主要監(jiān)測(cè)斷面。江蘇大道綜合管廊的全線監(jiān)測(cè)斷面見表4，該綜合管廊與道路、鐵路、河道交叉節(jié)點(diǎn)較多，全線共布置85個(gè)斷面。

表4 全線監(jiān)測(cè)斷面布置

2.3.3 局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

作為全線監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充，在部分已布設(shè)差異沉降測(cè)點(diǎn)的斷面上增設(shè)其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如綜合管廊下穿河道最低點(diǎn)，下穿主干道處、結(jié)構(gòu)斷面突變處，上覆荷載突變處等位置。增設(shè)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為伸縮縫張開量、斷面扭轉(zhuǎn)。江蘇大道綜合管廊局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面見表5。

表5 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面

不均勻沉降（差異沉降）監(jiān)測(cè)通過布設(shè)位移計(jì)實(shí)現(xiàn)。傳感器布置于綜合管廊接縫處，每個(gè)接縫處布設(shè)兩個(gè)位移計(jì)（橫向和斜向）。

伸縮縫張開量與斷面扭轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)通過布設(shè)位移計(jì)、高差計(jì)實(shí)現(xiàn)。為了準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)變形特征，用于不均勻沉降的位移計(jì)布設(shè)于側(cè)墻中部；用于接縫張開量的位移計(jì)布設(shè)于頂板中部；高差計(jì)布設(shè)在管廊兩側(cè)側(cè)墻，中墻處預(yù)留連通空孔洞。不同斷面的位移計(jì)、高差計(jì)等傳感器布設(shè)如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.1 傳感器選型

目前，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(diǎn)見表6。由于鋼弦式傳感器溫度補(bǔ)償誤差較大，需要人工修正；電阻式傳感器信號(hào)傳輸距離存在限制，因此本工程采用潮濕環(huán)境下耐久性良好、傳輸距離長的FBG傳感器。

2.4.2 系統(tǒng)組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)組成，如圖6所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)橫斷面布設(shè)

表6 各種傳感器特性

整個(gè)系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立一個(gè)三層C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

2.5 結(jié)構(gòu)評(píng)估及預(yù)警

系統(tǒng)的預(yù)警報(bào)警流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖7 預(yù)警報(bào)警流程

根據(jù)需要，結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行三級(jí)預(yù)警，1級(jí)黃色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已明顯表現(xiàn)出趨向危險(xiǎn)狀態(tài)的趨勢(shì)，2級(jí)橙色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已接近危險(xiǎn)狀態(tài)，3級(jí)紅色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。

1級(jí)為“黃色區(qū)”，達(dá)到該區(qū)域時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部進(jìn)入工作狀態(tài)，儀器監(jiān)測(cè)改為實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，為進(jìn)一步分析預(yù)處理系統(tǒng)提供原始資料。“黃色區(qū)”的閾值為報(bào)警控制值的1/2。

2級(jí)為“橙色區(qū)”，監(jiān)測(cè)指標(biāo)中部分達(dá)到這一水平后，系統(tǒng)自動(dòng)在操作平臺(tái)上顯示報(bào)警，提示報(bào)警鈴聲，進(jìn)入該狀態(tài)后，除啟動(dòng)所有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)開展實(shí)時(shí)不間斷工作外，將啟動(dòng)評(píng)估軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)評(píng)估分析，同時(shí)啟動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估分析系統(tǒng)，并將提出評(píng)估分析系統(tǒng)的結(jié)論提交綜合管廊管理者進(jìn)行管養(yǎng)決策。“橙色區(qū)”的閾值為報(bào)警控制值的2/3。

3級(jí)為“紅色區(qū)”，當(dāng)部分測(cè)點(diǎn)數(shù)值超過該區(qū)域設(shè)定值后，整個(gè)健康監(jiān)測(cè)及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)全面、連續(xù)地開展工作，損傷評(píng)估軟件進(jìn)行連續(xù)的、多次快速的評(píng)估分析，并應(yīng)用綜合健康狀況評(píng)估系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)整體狀況做出綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)迅速根據(jù)各種計(jì)算分析結(jié)論，會(huì)同專家現(xiàn)場檢查，經(jīng)會(huì)議討論決定是否對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)調(diào)整、加固等措施。“紅色區(qū)”的閾值為測(cè)點(diǎn)達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)值。

報(bào)警控制值的確定主要參考綜合管廊變形設(shè)計(jì)值以及相關(guān)規(guī)范，見表7。

表7 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警控制值

系統(tǒng)中三級(jí)區(qū)域的閾值將在營運(yùn)一段時(shí)間后結(jié)合系統(tǒng)長時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及結(jié)構(gòu)數(shù)值模型計(jì)算分析結(jié)果，做出適合于綜合管廊狀況變化和發(fā)展趨勢(shì)的調(diào)整，更新系統(tǒng)設(shè)置的閾值和評(píng)估指標(biāo)體系的專家打分權(quán)值。

3 結(jié)語

（1）近年來，我國城市綜合管廊建設(shè)進(jìn)入高峰期，大量的綜合管廊建設(shè)于新城區(qū)范圍。其中部分省份如江蘇省，存在大量建設(shè)于富水軟土地區(qū)的綜合管廊。限于地質(zhì)及周邊環(huán)境條件，此類綜合管廊極易發(fā)生各類結(jié)構(gòu)病害，布設(shè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。

（2）綜合管廊斷面寬度在10 m上下，但長度往往達(dá)數(shù)千米，為典型線狀結(jié)構(gòu)物，建設(shè)在富水軟土地區(qū)，最為突出的結(jié)構(gòu)病害為不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉(zhuǎn)等，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)該給予重點(diǎn)關(guān)注。

（3）由于綜合管廊建設(shè)里程較長，斷面布設(shè)上需結(jié)合綜合管廊特點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用全線監(jiān)測(cè)配合具備重點(diǎn)監(jiān)測(cè)思路為宜。

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1009-7716（2017）12-0208-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.057

2017-08-17

江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項(xiàng)目（2015ZD08）

張忠宇（1983-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)、研發(fā)工作。