京滬改擴建工程路基結構拼接質量動態監控技術研究與應用

尤虹

（南京市公共工程建設中心，江蘇南京210000）

0 引言

我國早期建設的高速公路，以雙向四車道為主，近年來隨著我國的交通量增長較快，大量公路在通行能力和服務質量上都已經無法滿足需求，高速公路加寬拼接項目增多。高速公路經多年交通荷載作用和工后沉降，路基已基本穩定，舊路加寬處易出現路堤拉裂、路面沉陷等道路病害。高速公路改擴建作為系統工程，包含內容較多，施工關鍵技術的研究對改擴建工程的順利實施有著重要意義。所以新、舊路基的銜接以及新、舊路面結構層的不均勻沉降都是路基加寬施工中的關鍵技術，本文從路基結構拼接質量動態監控的角度進行探討。

1 工程概況

北京—上海高速公路，簡稱京滬高速，又稱京滬高速公路，中國國家高速公路網編號G2，是交通運輸部規劃的“首都放射線”中的“第二線”。京滬高速北起中國首都北京，南至長江三角洲的龍頭上海，全長1261.99km，縱貫北京、天津、河北、山東、江蘇、上海六省市。京滬高速于2000年11月竣工通車，現狀為雙向四車道，設計車速為120km/h。

經過近20年的使用，部分路面結構存在病害，原有的車道已不能滿足通行要求，因此，對其提出了改擴建。主要探討在京滬高速改擴建工程的基礎上，應用路基結構拼接質量動態監控技術，為其他類似高速公路改擴建過程中路基結構拼接質量提供動態監控的理論技術支撐。

2 動態監控技術

2.1 動態監控的目的

在京滬高速改擴建工程中，路基結構拼接施工主要包括三種情況，即原有路面—原有路基、新路面—原有路基、新路面—新路基，由于不同道路結構組成會導致路基差異沉降，沉降嚴重時可能導致道路結構破壞。在路基結構拼接設計中，采取降低路基差異沉降的措施，如在“新舊”交界處布設高強材料——纖維布，但實際控制路基差異沉降效果需要進一步驗證。因此提出在路面結構中埋設傳感器，對道路結構的變形、沉降進行動態監測，并期望達到三個目的：一是通過傳感器動態監測的數據，對道路出現明顯變形、差異沉降的情況進行識別，并及時報警；二是通過對示范研究路段的道路實際性能監測，驗證改擴建中設計方法的有效性，并對后期類似規模改擴建工程中的路基結構拼接施工提供參考；三是對傳感器的監測性能和監測方法實施評價，為日后實行智慧化管養手段提供技術儲備[1]。

2.2 動態監控傳感技術的原理

光纖光柵（FBG）傳感技術（見圖1）是光纖傳感技術中應用較廣泛的一種，其基本原理是：光纖通過激光刻制一定周期長度的光柵，當入射光通過光柵時，與光柵周期長度匹配的光（即某特定波長的光）會在光柵處形成反射，并以反射光的形式被光柵解析設備捕捉并解析波長；應變和溫度變化會引起光柵周期長度的變化，并且存在良好的線性關系，如公式（1）所示，通過計算反射光波長的變化（?λb）就能實現應變和溫度變化測量[2]。

圖1 光纖光柵測量原理

式（1）中：ε和T 分別為應變和溫度；ε0和T0分別為初始應變和初始溫度；Kε和KT分別為應變和溫度傳感系數?？紤]光柵對應變和溫度交叉敏感，因此在實際應變/應力測量中一般需要實施溫度補償。

2.3 動態監控傳感技術的特點

目前，從傳感器到解調系統，光纖光柵傳感技術可以全套國產化，并且精度、靈敏度等測量指標均處于國際領先水平。同時，國產系統的成本大幅低于進口系統，且便于維護，適合在工程中大規模應用[3]。

與傳統電測傳感器不同，光纖光柵傳感技術具有典型的分布式傳感特征。通過波分復用技術，在一根光纖通路上，可以串聯若干個光柵，從而獲得待測物體的應變/溫度/變形的分布場（見圖2）。

圖2 光纖光柵（準）分布式測量

此外，與傳統的電、磁傳感技術相比，光纖光柵傳感還具有以下幾方面的特點：一是光波傳感，不受電磁和射頻干擾，穩定性好；二是靈敏度高、頻帶寬、動態范圍大；三是無電源驅動，不影響被測結構的性能；四是輕巧纖細，與待測結構物匹配度高；五是主材石英材質穩定，耐腐蝕，零點漂移小，長期性能好；六是感知、傳輸一體化，系統集成性高[4]。

2.4 區域分布傳感技術

目前，光纖光柵傳感技術常用的方式是測量應變，與傳統的應變片/應變計本質上一致，相當于多點密集測量，而工程結構材料（如混凝土、土等）等一般是非均勻材料，某些點的應變不能很好反映工程結構體的真實狀況。為此，提出了“區域分布傳感”的理念，即傳感器測量的數據不再代表某一點或很小區域（一般小于10cm）的工程結構信息，而是代表一個區域的特征信息（一般不小于1m）（見圖3）。將這些區域傳感器首尾串聯，可以實現工程結構某些關鍵區域的分布式測量，實現工程結構離散的損傷（如開裂、差異沉降等）可以被精確捕捉[5]。

圖3 光纖光柵區域分布測量

實現區域分布傳感的關鍵是設計、制備區域分布傳感器。該項目采用纖維復合材料（玄武巖纖維）封裝光纖光柵傳感器的方式制備區域分布傳感器（見圖4）。區域分布傳感器性能指標見表1。

表1 區域分布傳感器性能指標

圖4 纖維復合材料封裝光纖光柵區域分布傳感器

目前，市場上光纖光柵傳感器一般采用不銹鋼進行封裝（見圖5），與既有光纖光柵傳感器及其他技術相比，該項目擬采用產品具有以下顯著優勢（先進性）。

圖5 常規光纖光柵傳感器

2.4.1 傳感器耐久性好，在不影響交通的情況下可長期監測。內部傳感光纖與外部封裝材料匹配度高，無滑移，應變傳遞無損失，測量精度高；纖維復合材料長期性能好，使外部腐蝕介質無法進入內部影響光纖傳感，傳感器壽命長；方便埋入路面結構，便于在正常交通下監測，不影響交通。

2.4.2 傳感器與工程結構匹配度高。鋼材封裝的傳感器彈性模量接近200GPa，纖維復合材料封裝后傳感器的彈性模量約為30GPa，與混凝土（約20GPa）、土等工程材料的彈性模量更接近，可大幅度減小應變傳感損失。

2.4.3 覆蓋區域廣，測量數據準確反映工程結構特征。傳統傳感器的傳感標距一般在10cm 左右，區域分布傳感器的傳感標距可達1m 及以上。區域分布傳感器的測量數據可更加準確反映道路結構的變形特征。

2.4.4 可實現多參數監測。區域分布傳感器直接監測的是應變，通過應變分布可識別開裂、差異沉降等工程關鍵指標。

3 道路沉降的監測理論

該項目直接測量的路面結構層的應變分布，引入路面結構計算模型——Winkler 彈性地基模型（見圖6），建立應變—沉降之間的解析模型?；玖鞒贪ǎ阂皇且罁鞲衅鞯牟键c，利用應變重構方法獲得應變分布；二是劃分單元，并建立單元應變、沉降與周圍其他單元上荷載之間的方程；三是利用最小二乘法，求解荷載分布；四是將荷載分布帶入各單元的沉降方程，求解沉降分布。

圖6 Winkler 彈性地基模型

4 道路沉降的監測方案

4.1 監測內容

監測內容為路面結構層的應變（縱向、橫向）和差異沉降，傳感器布設位置包括原有路面—原有路基、新路面—原有路基、新路面—新路基三種典型道路結構的縱剖面和橫剖面。

4.2 傳感器分布

該項目擬采用傳感器標距大小為1m，每個試驗段縱向布設位置為：1—2 車道交界處（如果實際情況允許）、2—3 車道交界處、3—4 車道交界處以及4 車道—硬路肩交界處，傳感器布設間距如圖7所示。

圖7 區域分布傳感器在道路縱向上的布設

傳感器橫向布設斷面擬選取3 個典型斷面，其布設位置為：1—2 車道交界處（如果實際情況允許）、2—3 車道交界處、3 車道中間位置、3—4 車道交界處以及4 車道—硬路肩交界處，傳感器布設間距。

4.3 傳感器安裝

該項目中，傳感器需要埋到路面結構中，傳感器之間采用傳輸光纖連接成測量線路。具體流程包括：一是在傳感器安裝位置開槽，一般直徑為傳感器的2倍；二是清除槽道內碎石并清洗槽道；三是將傳感器線路放置在槽道內，用快速固化膠臨時固定傳感器；四是澆灌結構膠；五是固化養護（一般為24 小時，視氣溫等情況）。

4.4 監測頻率與計劃

該項目采用攜帶儀器到現場采集數據的方式實施監測，監測頻率和計劃依據不同的階段分別如下：

一是施工期及施工后初期，約1 周內，每天測量1次，計7 次；

二是施工后，約1年內，每季度測量1 次，計4 次。

5 結語

加強路基結構拼接質量的動態監控是提高高速公路改擴建工程質量的重要途徑。本文重點講述了路基結構拼接動態監控的原理及應用，運用動態監控原理評價路基結構的拼接質量。實踐證明，利用動態監控的方法進行路基結構拼接質量的監控是可行的。通過傳感器動態監測的數據，對路基結構出現明顯變形、差異沉降的情況進行識別，并及時報警。對示范研究路段的道路實際性能進行監測，驗證了高速公路改擴建中設計方法的有效性，并為后期類似規模改擴建工程中的路基結構拼接施工提供參考以及技術支撐。該方法便于現場操作，適用范圍更廣。路基結構拼接質量動態監控技術在高速公路改擴建工程中進行了試驗性的應用，并取得了較好的效果。