盾構法公路隧道全壽命期健康監(jiān)測及評估體系研究與應用

段創(chuàng)峰

上海市地下空間設計研究總院有限公司 上海 200020

1 概述

隧道健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)建立的目的，是通過加強對運營階段隧道健康狀態(tài)的監(jiān)測，建立科學的運維養(yǎng)護策略，延長隧道的使用壽命。目前國內已有多條盾構法公路隧道內實施了健康監(jiān)測系統(tǒng)[1-5]，并取得了豐富的成果，但是由于公路隧道建設與運營環(huán)境的復雜性，目前的健康監(jiān)測系統(tǒng)在實際應用方面還存在諸多問題。本文將在系統(tǒng)性闡述隧道全壽命周期健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)的基礎上，結合杭州文一路地下通道工程，探討若干關鍵技術的應用。

2 全壽命盾構隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)架構設計

盾構法公路隧道全壽命健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)總體架構以數(shù)據(jù)的處理、流轉與應用為核心，結合巖土、結構力學監(jiān)測設備以及數(shù)據(jù)通信技術，形成一套結構健康監(jiān)測和安全評估預警方案。該架構包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)融合分析層和數(shù)據(jù)應用服務層5個層次。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

隧道健康監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有2個來源，一類是自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一類為人工巡檢數(shù)據(jù)。自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包含隧道沉降、隧道斷面收斂變形、滲漏水、變形縫張開、裂縫張開、圍巖水土壓力、管片內力、螺栓應力、地面沉降變形、地下水位、結構動力響應等。人工巡檢數(shù)據(jù)主要針對隧道結構表觀狀態(tài)、滲漏水、預埋件狀態(tài)的日常巡檢，以及針對混凝土碳化、鋼筋銹蝕、構件強度等方面。人工巡檢數(shù)據(jù)也可運用巡檢機器人等新技術手段進行采集。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層可以細分為局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)。局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡將經(jīng)由傳感器轉換得到的數(shù)字量發(fā)送至數(shù)據(jù)網(wǎng)關或數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)傳感器的布點形式與數(shù)據(jù)通信要求可以選擇有線和無線2種方式。數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)則是將數(shù)據(jù)網(wǎng)關或數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的網(wǎng)絡協(xié)議進行打包，并發(fā)送至上位機服務器。在大型公路盾構隧道內，數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)以光纖傳輸為主，隧道內光纖多芯閉環(huán)的連接拓撲結構使得其可靠性較好。

2.3 數(shù)據(jù)儲存層

數(shù)據(jù)存儲層是在數(shù)據(jù)源的基礎上進行數(shù)據(jù)整合，形成面向業(yè)務決策與上層數(shù)據(jù)應用的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)集。在設計數(shù)據(jù)倉庫的結果時，既要考慮到底層數(shù)據(jù)冗余、高并發(fā)數(shù)據(jù)可訪問、簡易數(shù)據(jù)計算和相關數(shù)據(jù)主題結構，又要兼顧業(yè)務在實際應用中的便捷性和可理解性。包括設計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，依托數(shù)據(jù)服務器和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將監(jiān)測和檢測得到的原始數(shù)據(jù)進行存儲，對不同類型的數(shù)據(jù)進行必要的預處理（如降噪和異常判斷）。

2.4 數(shù)據(jù)融合分析層

數(shù)據(jù)融合分析層是整個系統(tǒng)架構的關鍵點，數(shù)據(jù)分析層既要通過不同算法滿足不同需求的挖掘需要，又要根據(jù)數(shù)據(jù)需求盡可能地實時輸出結果。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析層將根據(jù)隧道結構安全評價方面的專業(yè)規(guī)范，結合大數(shù)據(jù)分析方法，實時評估隧道的健康狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)應用服務層

數(shù)據(jù)應用服務層主要用于數(shù)據(jù)融合分析結果的展示與應用，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接與共享。對于健康監(jiān)測系統(tǒng)，最重要的數(shù)據(jù)應用是預警，通過對單一指標或綜合分析指標設定閾值，判斷隧道健康狀態(tài)的變化趨勢，并提出相應的輔助決策。數(shù)據(jù)應用服務層包含了勘察、設計、施工及養(yǎng)護等基礎數(shù)據(jù)，可以通過BIM構件信息或GIS空間信息與監(jiān)測數(shù)據(jù)相關聯(lián)，實現(xiàn)深度應用。

3 系統(tǒng)關鍵技術設計與應用

3.1 項目概況

文一路地下通道（保俶北路—紫金港路）是杭州市“一環(huán)五橫三縱”快速路網(wǎng)規(guī)劃關鍵組成部分，工程全長5.80 km，其中隧道主線長約5.12 km（盾構區(qū)間3.33 km），雙向4車道規(guī)模。隧道南、北線2條隧道，分為東、中、西3個明挖段及東、西2個盾構段。盾構段隧道的斷面形式為圓形，內徑為10.36 m、外徑為11.36 m，采用2臺泥水平衡盾構機施工。明挖段隧道斷面形式為單孔矩形，凈寬10.2 m，各類設備及管線主要布置于隧道兩側裝修層內及頂部空間，頂部安裝空間取1.3 m。匝道段凈寬7.6 m，頂部安裝空間1.0 m。主線最大縱坡5%，匝道最大縱坡6%，最小縱坡0.5%。盾構覆土一般路段最少為11 m。

3.2 重點監(jiān)測斷面與監(jiān)測內容

根據(jù)隧道穿越地層工程地質、管片設計形式、結構設計方案以及建設期與運營期主要風險點，按以下原則最終選擇16個盾構段隧道斷面為重點監(jiān)測斷面（圖1）：

圖1 重點監(jiān)測斷面布置示意

1）隧道覆土最大斷面。

2）隧道結構形式變化斷面。

3）周邊有地鐵線路穿越的斷面。

4）地表有河浜流經(jīng)的斷面。

5）隧道1倍洞徑范圍內有重要高層建筑的斷面。

表1中監(jiān)測項為自動化監(jiān)測內容。其中所有監(jiān)測設備均為外掛式傳感器，在盾構段及明挖段結構施工完成后安裝（圖2），確保在運維期整套系統(tǒng)易于維護與更換。

表1 自動化監(jiān)測內容及監(jiān)測方法

圖2 自動化監(jiān)測設備重點安裝監(jiān)測示意

3.3 綜合智能監(jiān)測管片

在文一路地下通道健康監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計中，提出了“綜合智能監(jiān)測管片”的理念，并將之貫徹到系統(tǒng)設計與施工中。綜合智能監(jiān)測管片是一種在不影響管片結構性能和防水性能的前提下，以集成化系統(tǒng)為理念的管片設計制造應用方案，該方案的核心是包含了標準化的外部設備固定接口、標準化的傳感器供能與通信電氣接口、標準化的外部巖土監(jiān)測通道等3個標準化解決方案（圖3）。

圖3 綜合智能監(jiān)測管片概念設計

3.3.1 標準化的外接設備固定接口

根據(jù)管片制造與拼裝形式以及盾構段監(jiān)測設備的安裝運行方式，在管片內側預埋一組標準化的槽型預埋件以及螺栓套筒，以此作為標準化的外接設備固定接口。

這種標準化的外接設備固定接口，可以在管片澆筑階段通過改造管片鋼模的方式實現(xiàn)精確埋設，埋設重復精度能夠達到0.5 mm。這種高精度的預埋構件能夠很好地控制傳感器的最終安裝姿態(tài)，達到預想的設計效果。

3.3.2 標準化的傳感器供能及通信總線

智能綜合監(jiān)測管片的兩端各設有一個總線盒，管片表面布置有一套通信供能總線，其中既可以傳輸數(shù)據(jù)信號也可以傳輸直流供電電壓。一套通信供能總線有若干個端口，分別布設在傳感器附近。

管片的兩端分別設有端口，可以與相鄰管片的總線進行串聯(lián)，從而使得斷面上所有傳感器均在同一總線構架下（圖4），統(tǒng)一地進行供電與通信，從而大幅提高監(jiān)測系統(tǒng)的集成度。

圖4 傳感器供能及通信總線拓撲圖

3.3.3 標準化的外部巖土監(jiān)測通道

在智能監(jiān)測管片的注漿孔處設置標準化的成套防噴裝置（圖5），形成外部巖土監(jiān)測通道。各類巖土監(jiān)測傳感器能夠通過該裝置插入隧道圍巖土體內（圖6），測量土壓力、孔隙水壓力、電導率、波速等物理指標，同時，避免外部泥漿或地下水侵入隧道內部。

圖5 標準化防噴裝置

圖6 外部巖土監(jiān)測

3.3.4 綜合智能監(jiān)測管片布設方式

綜合智能監(jiān)測管片的布設方式是靈活的，可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需求進行單片離散設置、整環(huán)設置、區(qū)域連續(xù)設置。

在文一路地下通道工程中，在每個重點監(jiān)測斷面處，綜合智能監(jiān)測管片采用了整兩環(huán)設置的方式（圖7）。

3.4 基于BIM的監(jiān)測預警與評估管理系統(tǒng)

圖7 綜合智能監(jiān)測管片布設方式

圖8 監(jiān)測預警與評估管理系統(tǒng)

監(jiān)測預警與評估管理系統(tǒng)（圖8）將隧道全生命周期涵蓋的設計、制造、建設和運營等數(shù)據(jù)集成和信息融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源集中使用和多方信息資源共享。

為便于了解隧道健康狀態(tài)，系統(tǒng)依托文一路地下通道BIM模型，以三維模型、二維曲線、圖像等形式展示整條隧道的監(jiān)測預警信息，并通過分析指標閾值、當前病害信息、歷史病害評價結果對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析并生成預警。系統(tǒng)對隧道主體設施建立完善的健康檔案，利用大數(shù)據(jù)分析技術，對主體設施和重要機電設備的狀態(tài)快速診斷，動態(tài)生成資產(chǎn)養(yǎng)護方案，提供輔助運營決策。

4 結語

本文介紹了盾構法公路隧道全壽命期健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構及若干關鍵技術在杭州文一路地下通道工程中的應用，總結了盾構法公路隧道全壽命期健康監(jiān)測系統(tǒng)的多層架構體系，介紹了每一層次的實施內容。以杭州文一路地下通道工程為例，介紹了系統(tǒng)的重點監(jiān)測斷面與監(jiān)測項的設計原則與方法、智能綜合監(jiān)測管片、監(jiān)測預警與評估系統(tǒng)等關鍵技術的實施要點。“智能綜合監(jiān)測管片”理念的應用，解決了原有系統(tǒng)實施方式中存在的問題，提高了系統(tǒng)的整體集成度與可靠性。