海底隧道聯絡通道凍結法施工健康監測技術研究

許黎明， 陳曉堅， 彭正勇， 周建軍

(1. 廈門軌道交通集團有限公司， 福建 廈門 361001； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

人工地層凍結法是通過在地層中布置的凍結管內循環冷媒，使冷媒與地層發生熱交換以吸收地層的熱量，從而降低地層溫度使土中水固結成冰，使得凍結管周圍土體加固形成凍土帷幕，同時隔絕地下水的一種特殊的巖土施工方法。由于其安全可靠性高、適應范圍廣等特點，目前在北京、上海、廣州、南京等地的地下城市軌道交通建設中得到較多的應用，在某些特殊環境下發揮了不可替代的作用[1-4]。廈門軌道交通2號線一期工程線路呈東西走向，西起海滄大道站，終點為五緣灣站，其中過海段區間隧道位于海滄大道站至東渡路站之間，全長2.7 km，中間設置的聯絡通道位于含水砂層中，施工中需要采取人工凍結法來加固砂層，以隔絕海水影響，保證海底隧道施工安全。

在海底進行凍結法施工時，需要考慮海底環境下含鹽地層以及高水壓環境對凍結法施工過程的影響[5]； 而且海底的不利環境條件以及凍結后的融沉可能對聯絡通道結構的長期使用產生危害，造成結構變形或者破壞，修復難度較大。與常規隧道間的聯絡通道凍結法施工工程相比，海底隧道聯絡通道不具備地面的監測條件，結構的變形及引起的上部地層的變化較難測試，當發現結構損害時一般都已處于變形較大階段，從而導致損害較嚴重，直接影響海底隧道的安全。因此，需要在整個施工及運營階段對海底隧道聯絡通道的健康狀況進行監測及評估，掌握結構的基本狀態，保證結構的安全。

結構健康監測是指針對工程自身結構采取的非損傷檢測，包括對結構材料特性、結構幾何特性以及結構邊界條件體系的連續性等改變的監測，對保證結構的長期使用性能具有重要作用[6]。通過將能夠采集海底隧道聯絡通道及隧道結構的變形、溫度信息的傳感器，根據需要布置到結構的相應位置，然后實時準確地收集傳輸各監測指標數據進行分析處理，最終通過預警系統對整個施工及運營過程中聯絡通道各結構部分的健康安全狀態進行判斷，保證海底隧道聯絡通道施工及運營的安全。同時，通過健康監測收集結構的變形及受力數據等基本信息，可為規范及設計理論的優化提供參考。

1 海底聯絡通道結構破壞機制

海底高水壓會增加凍結法施工的難度，影響凍結帷幕的發展效果，而凍結帷幕的形成效果直接關系到施工安全及工程成敗[10]。在凍結法施工期間和正常使用期間，結構的抬升和沉降會影響到結構內力的分布，特別是結構與隧道連接部位的應力過大，會造成結構開裂、混凝土破碎等破壞。

1.1 聯絡通道施工期間

聯絡通道施工期間的關鍵環節是通過凍結法在開挖范圍的外部形成一定厚度的凍結壁來提供維護作用[11]。在開挖過程中，可能會出現凍結壁發育不好而導致漏水的現象，或者是凍結壁的變形過大導致臨時支護結構失穩破壞； 另一個可能出現的破壞形式是凍結過程中產生過大的凍脹，從而導致臨時支護承受過大的壓力而發生失穩破壞。

對于防止凍結壁變形過大或者滲漏水造成的結構損壞，主要是通過控制形成的凍土帷幕的質量，其測試的參數包括凍土帷幕的厚度和平均溫度，也可以直接測試凍土帷幕的變形來反映凍土在開挖過程中的穩定性； 對于防止臨時支護結構受到過大的凍脹荷載作用而產生變形破壞，可以通過監測凍結法施工期間臨時支護外部的荷載變化情況，從而判斷開挖施工的安全性，也可以直接測試臨時支護結構的變形，來評價支護結構的穩定性。

1.2 聯絡通道正常使用階段

在聯絡通道結構施工完成后，即可停止凍結。凍土體的融化需要較長的時間，一般需要一二年[12]，而凍土融化導致的融沉或者由于其他外荷載的作用，會導致隧道與聯絡通道結構產生不均勻沉降，使聯絡通道結構發生破壞。聯絡通道結構與隧道結構之間均為剛性連接[13-14]，不均勻變形沉降也可能導致聯絡通道與隧道連接部位發生破壞，出現混凝土結構破碎等情況。

2 健康監測指標及監測方法

針對聯絡通道結構需要長時間健康監測的特點，要求傳感器具有精度高、傳輸距離長、不帶電等特點[15]，因此選用光纖光柵溫補應變計以滿足監測結構應變及溫度的需要。光纖光柵溫補應變計可以對結構體進行溫度、應變耦合測量，測量精度相對較高。實際應用的溫度測量范圍為-50～150 ℃，精度為0.1 ℃；應變測量范圍為-2 000～+2000 μm/m，精度為1 μm/m。

針對聯絡通道凍結法施工階段及正常使用階段2個不同時期，結構受到的外荷載是不同的，而且在外荷載作用下的受力變形差別較大，監測的內容和數據的精度要求差別較大。因此，針對不同階段提出利用光纖光柵溫補應變計作為傳感器的監測技術。

2.1 聯絡通道的凍結法施工期間的監測

為了掌握積極凍結期聯絡通道的凍結效果，需要對凍結法施工過程進行實時監測。聯絡通道凍結法施工需要實時掌握土體的凍結效果、聯絡通道支護結構內力變化、凍脹對既有隧道結構的影響等安全狀態，因此選取的健康監測指標為凍土帷幕的溫度以及臨時支護結構和隧道管片的變形與沉降。

2.1.1 土體凍結效果監測

提高眾籌門檻，完善對于受捐人的審查機制。加強對項目的審查，只有項目通過審查后方可在平臺公開籌款。平臺應仔細審查受捐人的家庭情況、醫保情況以及病情是否與籌款額度符合等。對于無資產或資產與市場行情不符者需給出理由并提供相應證據，平臺可適當延長審核時間，保證信息的真實性。平臺可將求助者個人的信用等級情況與眾籌門檻相結合，與銀行、房產、工商、公安、醫療、居委會等機構建立聯合關系，搭建多部門信息核查平臺，全面了解發起人自身的信譽狀況以及項目本身的相關信息，從而保證項目的真實性。

通過鉆孔把凍結管埋入地層將熱量帶走進行熱交換的同時，通過測溫孔進行地層溫度實時監測，測溫孔是感知凍結效果的重要手段。首先將光纖光柵傳感器放置在凍結管指定位置，然后將凍結管打入地層設計位置，用于實時監測地層溫度和凍結管的應變，形成專門的溫度應變測量孔。為了測定不同深度土層位置的實時溫度應變情況，在測溫測應變的凍結管內縱向間隔約1.5 m處設置一個光纖光柵傳感器。圖1和圖2示出布置測溫點的傳感器的具體孔位及深度布置情況，其中D1，D2，…，D56為凍結孔，C1，C2，…，C9為測溫孔，X1和X2為泄壓孔。在凍結積極發展階段，通過預埋的傳感器，可以在凍結帷幕形成過程中實時監測整個凍土發展區域不同位置凍土的溫度變化、應變變化。

(a) 左線隧道斷面

(b) 右線隧道斷面

Fig. 1 Plans of layout of real-time monitoring for frozen soil curtain

(a) 左線隧道斷面

(b) 右線隧道斷面

圖2凍土帷幕安全實時監測布置剖面圖

Fig. 2 Profiles of layout of real-time monitoring for frozen soil curtain

2.1.2 臨時支護結構內力變化監測

對聯絡通道支護結構的實時監測，是控制聯絡通道長期使用狀態的重要環節。從凍結期間開始考慮凍土體發展引起凍脹等因素對聯絡通道支護結構本身可能產生的不利影響，選擇聯絡通道縱向長度的2個斷面，分別在拱頂、兩側中下部3個最不利位置的工字鋼架埋設光纖光柵傳感器。通過直接對聯絡通道臨時支護結構的變形監控，對積極凍結期間凍脹對聯絡通道支護結構引起的風險進行有效監控。選擇圖3(a)中聯絡通道的2個橫斷面進行監測，斷面上具體傳感器位置見圖3(b)。

(a) 平面布置圖

(b) 橫斷面布置圖

圖3聯絡通道支護結構監測傳感器布置圖

Fig. 3 Layout of monitoring sensors for cross-passage supporting structure

2.1.3 凍脹對既有隧道結構的影響監測

凍結法施工期間，聯絡通道的凍結土體不僅對聯絡通道支護結構有直接作用，其對附近隧道管片的影響也需要實時掌握。凍結土體影響的隧道管片區域主要是以聯絡通道中心線為中心的圓形區域范圍。考慮到隧道軌道的存在，只有隧道中上部的管片方便埋設傳感器。選擇每塊管片的注漿孔或吊裝孔位置(此位置為單個管片彎矩最大即最不利位置)固定表面式光纖光柵傳感器，從而獲得實時的管片結構應變情況。

通過上述方法，對聯絡通道凍結法施工過程中需要實時監測的凍土帷幕的溫度以及臨時支護結構和隧道管片的變形與沉降3個指標進行系統性地實時數據收集，及時掌握施工期間可能產生的風險。

2.2 聯絡通道正常使用期間的監測

考慮到形成的凍結帷幕與隧道管片、聯絡通道與盾構隧道之間均為剛性連接，施工完成后的聯絡通道結構主要受到地層壓力、彈性抗力等外荷載作用，同時考慮聯絡通道連接的兩側隧道的相對位移和不均勻沉降對聯絡通道結構造成的損壞。因此，除了繼續監測積極凍結期間的支護結構和隧道管片結構安全狀況以外，聯絡通道位置的隧道結構的局部垂直位移、水平位移和隧道斷面收斂變形也要作為健康監測的指標進行實時監測。

不同的監測內容，相應的監測方法也不一樣。對于隧道聯絡通道位置的隧道結構的局部垂直位移監測，可以采用電水平尺等傳感器測量方法；對于水平位移監測，可以采用基準線法； 而對于隧道斷面結構的收斂變形監測，可采用斷面收斂儀等接觸式測量方法或者全站儀觀測計算收斂變形的非接觸式測量方法。

凍土完全融化后，聯絡通道的融沉變形基本穩定，后期的測試指標基本不變，只是監測的頻率可以適當降低，不同階段的健康監測指標見表1 。

表1 不同階段健康監測指標表

3 健康監測及評價體系的建立

3.1 健康監測數據的傳輸及采集

在完成了傳感器的布置后，需要將各個實時數據通道進行匯總集成到監測基站，建立健康監測和評價體系。監測基站應具備長時間全天候工作、實時采集健康監測數據的能力，同時還需要具備將數據進行進一步儲存、傳輸的功能。因此，選用多通道光纖光柵解調儀，可同時監測多個傳感器，適用于應變、溫度、加速度等多種測量，可以滿足實際監測系統要求。

通過監測傳感器的現場布置和監測基站的收集處理，可以完成聯絡通道健康監測系統的建立工作。受到數據傳輸距離的限制，監測基站的位置相距不能太遠，但要做到長期的健康監測，需要提供一個更加低成本、人性化的監控數據動態的方式，做到數據的遠程傳輸。通過建立局域網，將監測基站的數據實時傳輸到監控中心計算機，即可形成一個可視化、人性化的健康實時監測系統，實現永久結構的遠程實時監控，如圖4所示。

圖4 基于局域網的數據傳輸系統基本原理圖

Fig. 4 Basic working principle of data transmission system based on local area network

3.2 監測系統的建立

傳感器的數據監測、監測基站的收集傳輸以及遠程實時監控構成了完整的監測系統，通過軟件將得到的監測數據進一步轉化為數字數據進行分析和儲存，來評價聯絡通道的健康狀態。按照規范要求，對混凝土變形及裂縫進行控制； 同時參照工程經驗，確定聯絡通道從凍結法施工至正常使用過程中的變形閾值，并通過設置配置參數表的形式，將閾值在聯絡通道健康監測系統中予以設定。當實測的數據大于閾值時，監測系統顯示的數據會根據不同情況變成黃色或者紅色，以實現監測過程的自動預警和報警操作。

4 結論與建議

本文以廈門地鐵2號線海底隧道聯絡通道凍結加固工程為依托，基于對聯絡通道結構破壞機制的分析，研究了凍結法施工階段和正常使用階段對聯絡通道結構的監測方法，獲得主要結論如下。

1)海底隧道聯絡通道結構施工期間發生破壞的原因為凍結過程中凍土帷幕的低強度以及凍脹對結構產生的附加荷載，改變了臨時支護結構的內力分布和結構變形；在結構的正常使用階段，凍結帷幕的解凍以及地層的不均勻沉降，會使聯絡通道結構和隧道產生差異變形，從而導致結合部位產生變形或破壞。

2)聯絡通道凍結法施工階段的主要監測內容包括凍土帷幕的溫度以及臨時支護結構和隧道管片的變形與沉降。

3)聯絡通道結構正常使用階段的主要監測內容包括聯絡通道位置的隧道結構的局部垂直位移、水平位移和隧道斷面收斂變形。

4)利用光纖光柵傳感技術建立了聯絡通道自動健康監測體系，實現了無人自動監測和永久結構的遠程實時監測，以滿足長期監測的目的。

聯絡通道正常使用階段的監測時間長，對于傳感器在地下潮濕環境中的長期穩定性要求較高，因此可以進一步研究傳感器的穩定性測試技術，選擇潮濕環境下長期穩定性高的新型傳感器，以滿足長時間遠程自動精確測試的技術要求；而正常使用階段聯絡通道的受力和變形情況復雜，建議進一步開展聯絡通道的多參量綜合測試技術研究，通過不同監測數據的對比，精確掌握聯絡通道的運行狀態，對于保證聯絡通道的結構安全具有重要的意義。

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