沉管隧道結構健康監測技術

鮑軼洲， 沈永芳， 呂金良， 王兆衛

（1.廣州市中心區交通項目管理中心，廣州510030；2.上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司，上海200231；3.上海交大海科檢測技術有限公司，上海200231）

0 引 言

我國大中型城市多依江河而建，跨江隧道是改善城市交通擁堵狀況的常用方式之一。隧道按修建方法可分為明挖隧道、頂管隧道、盾構隧道、礦山隧道、沉管隧道等。沉管隧道憑借埋深淺、斷面大、線路延長短、對航運影響小以及適應各種地質條件強等優點［1］，成為修建城市跨江河隧道首選結構形式之一。

沉管隧道多為薄壁箱型結構，隧道建成投入運營后，由于受水流沖刷、覆蓋層淤積、地基沉降、車流等外部可變荷載的反復作用，沉管段長期處于復雜的彎、扭、拉、壓狀態，受力狀況十分復雜［2-3］。混凝土管節受溫度、混凝土收縮、地震等影響可能產生接頭錯位、剪切鍵破裂、PC拉索失效。在水壓力的作用下不僅會造成結構混凝土水蝕變異、鋼筋銹蝕，而且可導致隧道內部滲水［4］。水中沉管頂部受水流泥沙作用，可能造成覆蓋層沖刷或淤積，影響隧道安全性，隨著我國沉管隧道快速發展，其結構健康問題日益突出。研究沉管隧道健康監測技術，發展相關的監測技術與分析方法，將有助于延長隧道使用壽命，減低維護成本，保障交通安全及人民生命財產安全，進而推進沉管法隧道在我國工程中的應用水平，具有重大的社會和經濟效益。

1 國內外研究現狀

結構健康監測技術是一門交叉科學，涉及土木工程、計算機、電子通信、和材料等眾多學科，是智能結構研究的一個重要方向［5］。隧道健康監測主要有：①正常荷載作用下的隧道結構響應和力學狀況；②突發事件（地震、洪澇、重大交通事故等）之后隧道的損傷情況；③非結構構件和附屬設施的工作狀況；④隧道結構所處的環境條件，如空氣、風速、溫度等［6-8］。結構健康監測不僅是傳統的結構檢測技術的簡單改進，而是運用現代化設備與光電通信及計算機技術，采用實時與定期相結合方法，監測結構服役階段在各種環境條件下的響應和行為［9-10］，獲取反映結構狀況和環境因素的信息，由此評估結構可靠性、分析隧道結構健康狀況，為隧道管理、養護和維修提供依據和指導［11-12］。

隧道在實際中，由于隧道設計時考慮因素欠周全，施工時受材料、環境等不確定因素影響，隧道在運營過程中，受到材料和結構退化、地震、火災或者人為因素等影響，導致隧道主體結構的損壞和劣化，若不及時維修，將會導致隧道破壞或坍塌，帶來非常巨大的損失。隧道埋于地下，受地質、水文條件影響大，結構受力特征與橋梁或大壩存在明顯區別，健康監測項目及方法也與大壩和橋梁不同。沉管法隧道是在水域中由若干預制完成的管節，通過浮運、沉放、對接形成的隧道，其結構形式有別其他隧道，結構的健康監測技術存在較大差別［13-14］。

2 車陂路-新滘東路隧道結構特點

2.1 工程概況

車陂路-新滘東路隧道工程位于廣州市天河區和珠海區，下穿珠江。工程南起現狀新港東路，與在建的閱江路相交后，向北與臨江大道（待建）、花城大道（待建）相交，止點至現狀黃埔大道交叉口，全長2.07 km。采用沉管法結構，E2-1 管節和E2-2 管節之間作為最終接頭位置，最終接頭采用水下澆筑方式使E2-1 和E2-2 形成整體E2，E2 管節設最終水下接頭2.5 m，即在E2-1 靠近E2-2 端預留2.5 m合攏段。圖1 為隧道平面布置規劃圖。

圖1 車陂路-新滘東路隧道平面規劃

2.2 結構特點

隧道過江段采用E1 ＋E2 ＋E3 ＋E4 4 節沉管工藝，每節管長度123 m，沉管總長492 m，采用柔性接頭，水中接頭方式。管節采用單箱三室型斷面，兩孔車行孔，一孔管廊孔。橫向總寬為30.4 m，總高為8.7 m。結構頂底板、側墻、中墻厚分別為1.2 m、1.1 m和0.6 m。管節橫斷面如圖2 所示。

車陂路隧道存在連續縱坡，與岸上段相連的位置高達4.9%的縱向坡度。這對于采用靜力水準儀布置帶來難度。管節側墻和中隔墻位置安設了豎向剪切健。周圍預埋縱向限位裝置，給傳感器布設帶來限制。因此，對于沉管隧道檢測方法和測點的選取、監測儀器的選型必須結合隧道實際情況而定。

車陂路隧道管節對接完成后，其PC 拉索以及豎向剪切鍵示意圖如圖2 所示。

圖2 管節橫斷面結構圖

3 結構健康監測項目和方法

結構健康監測技術的研究關鍵在于監測項目和監測方法的確定，不同的實際工況所要求的監測項目不盡相同，所采用方法也因地制宜。大多數的健康監測系統的監測項目都是從結構監控與評估出發，兼顧結構設計驗證以及工程問題研究［15-16］。典型的沉管法隧道結構健康監測宜采用傳感器實時監測和人工定期檢測相結合的方法，通過傳感器系統進行實時動態檢測，結合人工實施定期檢測與實時監測數據相印證，監測項目和方法見表1。

表1 沉管隧道結構監測項目和方法

3.1 豎向位移

隧道運營期間，受車輛荷載反復作用，管頂覆蓋層受水流沖刷或淤積，都會致使隧道基礎產生沉降變化，導致隧道主體結構會出現不均勻沉降。

隧道豎向位移采用基于靜力水準儀系統自動監測，系統由多個觀測點組成，每個觀測點安裝一套靜力水準儀。靜力水準儀的貯液容器相互連通，貯液容器內注入液體，當液體液面完全靜止后系統中所有連通容器內的液面應同在一個大地水準面上，此時每一容器的液位由傳感器測出，即初始液位值分別為：H1，H2，H3，…，Hi，假設被測物體測點1 作為基準點，測點2 的地基上升，測點3 的地基下沉，測點4 的地基上升等，當系統內液面達到平衡靜止后，則各測點連通容器內的新液位值分別為：H11，H21，H31，…，Hi1。

系統各測點的液位由靜力水準儀傳感器測得，各測點液位變化量分別計算為：

其中：Δhi為正值表示該測點貯液容器內的液面升高，負值表示該測點貯液容器內的液面降低。靜力水準儀系統工作原理圖見圖3。沉管隧道中在暗埋段兩側各設監測基準點，每年校驗1 次。考慮隧道的縱向坡度，車陂路隧道靜力水準儀布設位置如圖4 所示。

圖3 靜力水準儀系統工作原理圖

基準點是相對恒定的或是可用其他方式準確測定的點，精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準點的沉降變化量。多點系統中，所有傳感器的垂直位移均是相對于其中任意一點（這一點稱為基準點或參照點）的變化，該點的垂直位移是相對穩定的或者是可用其他人工觀測手段來確定，以便能精確計算靜力水準系統各測點的沉降變化。

圖4 車陂路隧道靜力水準儀縱向布置示意圖

3.2 接頭三向位移

受溫度變化的影響，混凝土管節存在熱脹冷縮，縱向張開量。水流、地質、車流等運動，產生水平錯位和垂直錯位。因此，沉管隧道管節接頭處三向位移包括：縱向張開量、垂直錯位和水平錯位。采用在管節接頭4 個頂角部位各安裝3 個位移計的方法，分別測量3個方向上位移。

位移傳感器用于測量各種結構間的相對位移，也可用于實時監測裂縫張開與閉合，適用于各種隧道管片接縫、水壩壩體位移、土壤沉降、巖石、山體、邊坡監測等。安裝時將傳感器和探頭分別固定在移動物體和參考物體上，既可以進行長期監測，又可以作短期監測。

通過安裝在接頭部位的呈一定角度的位移計，監測管節接頭縱向張開、水平錯位和垂直錯位。每個斷面設置4 個監測點，每個檢測點布置一套三向位移傳感器，監測點布置示意圖如圖5 所示。

圖5 接頭三向位移監測點橫斷面布置示意圖

縱向張開量監測位移計布置在管節對接縫兩側，轉接板固定在右側管節混凝土側墻上，在左側管節側墻相應位置安裝位移傳感器。通過測量轉接板與左側管節的相對位移，可以得到管節接頭的位移大小。同理，可測水平錯位和垂直錯位。圖中紅色部分為位移計，黑色部分是位移轉接板，三向位移計安裝如圖6 ～8 所示。

3.3 接頭PC拉索應力

對于多地震地區，為了隧道結構抗震，管節接頭一般會設置預應力鋼絞線鋼索結構，鋼索在安裝時施加了設計要求的預應力。接頭PC 拉索又稱縱向限位裝置，每條接頭PC拉索由一對12φs15.2的高強低松弛鋼絞線和連接套筒組成，鎖體兩端為固定端錨環和P錨擠壓頭，接頭兩側的鎖體通過中間的一對定位套環實現與連接套筒的連接，PC拉索結構如圖9 所示。

圖6 縱向張開量監測位移計

圖7 水平錯位監測位移計

圖8 垂直錯位監測位移計

圖9 縱向限位裝置

由于管節接頭PC 拉索數量較多，難以采取全量監測，同時考慮到實際PC 拉索在管節上下側均勻分布的特點，在滿足拉索工作狀態實時有效評價的前提下，每個接頭分別在頂部、底部抽取2 根PC 拉索進行監測，如圖10 所示。抽取拉索的位置可按實際情況選擇不同位置。

圖10 縱向限位裝置布置橫斷面圖

充分考慮監測結構在服役階段的環境條件，采用應變傳感器監測PC拉索應力。對于長期監測優先采用光纖光柵傳感器，該方法具有測試精度高、動態響應快、壽命長、耐腐蝕和潮濕、抗電磁干擾以及便于信號遠距離傳輸等優點，非常適合隧道結構的長期在線監測，光纖光柵應變計是基于一種光纖光柵應變的封裝機制，適用于鋼結構表面長期應變測量。

3.4 豎向剪力鍵

管節接頭剪力鍵按位置分為垂直（豎向）剪力鍵和水平剪力鍵，根據材料可分為鋼結構剪力鍵和混凝土剪力鍵。垂直剪力鍵限制地震或隧道不均勻沉降等產生的垂直錯位，使其不超過水密性要求。剪力鍵之間設置橡膠支座，使接頭在垂直方向上具有一定的彈性，當垂直位移量增大到一定程度時，剪力鍵承受的剪切力增大，產生“鋼化”現象，從而保證接頭的水密性要求。水平剪力鍵限制因地震等產生的水平位移量，使其不超過水密性要求的允許值。

車陂路隧道運營階段管節帶兩個混凝土剪力鍵和兩個鋼剪力鍵，混凝土剪力鍵受荷標準值3.5 GN 左右，鋼剪力鍵受荷標準值2.655 GN左右，橡膠支座長約60 cm，高約15 cm。豎向剪力鍵布置如圖11 所示。

圖11 豎向剪力鍵布置圖

接頭剪力鍵內力監測點均勻布置在垂直剪力鍵兩鍵接觸面上，采用土壓力盒或薄膜壓力傳感器的監測剪力鍵內力，測點布置示意圖如圖12 所示。

圖12 壓力傳感器布置示意圖

土壓力盒適用于長期測量土壩、土堤、邊坡、路基等結構物內部土體的壓應力，是了解被測結構物內部土壓力變化量的有效監測設備，并可同步測量埋設點的溫度。薄膜壓力傳感器是將施加在傳感器薄膜區域的壓力轉換成電阻值的變化，從而獲得壓力的信息，壓力越大，電阻越小，可以將此單點傳感器在一個面積上布置多個傳感器（幾百到上千），從而測量一個受力面不同區域的壓力分布圖。

3.5 管節頂部覆蓋層

沉管隧道運營期間，通過水下聲吶掃測方法定期檢測隧道頂部覆蓋層，判斷和分析覆蓋層沖淤變化情況。測量前進行控制網復核，對平面坐標進行比對，比對誤差控制在5 cm以內，符合水深定位精度要求并通過人工驗潮方法觀測水位，水位觀測要求見下表2。

水深測量檢測范圍包括隧道水中段保護區及其以外50 m區域，采用多波束全覆蓋測量。多波束測深系統由多波束聲吶、姿態傳感器、羅經、GNSS 系統、聲速剖面儀和表面聲速儀組成，圖13 為多波束聲吶水下檢測系統。

表2 水位觀測要求

圖13 多波束聲吶系統

數據后處理采用專業的后處理軟件對原始數據進行編輯，包括聲速改正、水位改正、數據清理、數據比對和數據輸出等步驟。數據經處理后，應進行主、檢重合點水深比對，超限的點數不應超過參加對比總數的15%。數據經處理后輸出水下地形三維圖、等高線圖和斷面圖，隧道覆蓋層水下地形三維示意圖如圖14所示。

圖14 覆蓋層檢測三維地形示意圖

4 結論與建議

根據車陂路-新滘東路沉管隧道結構特點和受力特征，通過監測隧道豎向位移、管節接頭三向位移、管節接頭縱向限位裝置（PC 拉索）應力、管節接頭豎向剪力鍵內力以及管頂覆蓋層沖淤變化，采用傳感器實時監測和人工定期檢測相結合的監測、檢測技術，滿足了車陂路-新滘東路隧道工程運營期結構健康監測的要求。尤其對于管節接頭重點部位的監測，解決長期的沉管隧道接頭處監測的技術瓶頸。本文僅對陂路-新滘東路沉管隧道結構健康監測技術的原理、監測對象和方法等進行了闡述，隧道各監測項目指標預警范圍和健康評估方法還有待進一步研究。