城市下穿通道結構健康監測及安全評價

潘紅兵，王燕平，張忠宇

（1.南京交通運營管理集團有限公司，江蘇 南京 211800；2.揚州市隧道管理處，江蘇 揚州 225002；3.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

城市隧道工程的建設極大地緩解了地面交通擁堵問題，因此近年來大量城市隧道建設并投入運營[1]。然而在城市隧道長時間的運營使用過程中，由于隧道自身的施工缺陷或養護不到位等問題，容易引發隧道結構變形、病害等，對隧道結構造成安全隱患[2-3]，將直接影響隧道功能及行車安全，也會導致隧道使用壽命減少，造成巨大的社會經濟損失。因此必須對隧道結構進行監測，開展結構健康安全評價，并采取相應的養護措施，從而確保城市隧道運營安全。當前國內針對隧道結構安全監測、隧道病害分類及機理分析，隧道結構安全評價等進行了大量研究，也陸續制定了一系列規定和標準，有效保障了隧道的安全高效運營。相關研究如下：

孟志浩等[4]采用光纖傳感器，監測運營期軌道交通盾構隧道環向收斂、縱向沉降以及伸縮縫的變形。杜榮武等[5]建立了基于移動三維激光掃描的地鐵隧道三維全景監測系統，得到地鐵隧道管片和軌道的三維點云數據。王燕平等[6]針對瘦西湖隧道，開展為期一年的隧道結構監測和病害檢查工作，分析了隧道變形及病害現狀，并提出了隧道養護措施。唐璇等[7]以南京某隧道、揚州某隧道結構健康監測系統為研究對象，采用多種方法詳細分析了隧道結構健康監測系統的運營現狀。吳世明等[8]基于杭州慶春路過江隧道，開展隧道長期健康監測，分析穿越砂性土層大斷面隧道在運營期的橫斷面的受力和變形特性。陳衛忠等[9]分析水下盾構隧道結構隨外載環境變化的響應規律。

黃艷華[10]提出基于局部病害、結構耐久性、滲透水、外部環境和其他五維度等指標的運營地鐵隧道結構健康風險評價指標體系。易志偉[11]依托魯家峙水下公路隧道工程，開展隧道結構健康監測及安全評價系統的研究。段創峰[12]以杭州文一路地下通道工程為案例，介紹了監測斷面與監測內容設計、綜合智能監測管片、數據通信系統監測預警與評估管理系統等關鍵技術。謝永利等[13]系統介紹了運營隧道健康評價體系、監測設備與技術。

《公路隧道養護技術規范》[14]針對山嶺公路隧道，依據公路技術等級、交通流量、隧道規模等因素，提出了公路隧道養護分級標準，建立了公路隧道技術狀況評價體系和方法。《在役公路隧道長期監測技術指南》[14]從長期監測實施條件、監測項目、監測方法、數據分析等方面規范了在役公路隧道結構病害、隱患以及嚴重不良地質段的監測技術。《公路隧道加固技術規范》[15]針對公路隧道，規范了襯砌加固、注漿加固、換拱加固、隧底加固、滲漏水處治、裂縫處治與表面缺陷修補等設計和施工內容。

當前城市隧道結構健康監測主要以城市交通隧道為主，而城市道路下穿通道由于長度較短，規模較小，因此針對下穿通道的結構健康監測和研究工作較少，關注度不足，而城市下穿通道作為城市快速路的重要組成部分[16]，其重要性不言而喻。揚州市潤揚北路、泰州路下穿通道主要穿越淤泥質粉土和粉土夾粉砂層，局部軟弱地基和局部側限的不均衡將會導致下穿通道的變形和病害。因此開展城市下穿通道結構變形監測和病害調研，評價下穿通道結構安全狀態，采取相應的養護措施，對于保障下穿通道的安全運營具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 總體設計

（1）潤揚北路下穿通道

潤揚北路下穿通道位于揚州市新城西區潤揚北路與文昌西路交匯的十字路口，2004年建成通車，全長418.59m，其中敞開段長348.59m，暗箱段長70m。通道結構總寬19.9m，雙向四車道，暗箱段凈高4.7m，路線縱坡5%，車道橫坡1%，設計車速60km/h。潤揚北路下穿通道平面見圖1。

圖1 潤揚北路下穿通道工程平面位置示意

（2）泰州路下穿通道

泰州路下穿通道位于揚州市泰州路與躍進橋（廣陵路）交叉口，該通道由敞開段、暗埋段兩大部分組成，2014年建成通車，長約480m。下穿隧道口設計高度約為3m，車輛通行高度2.8m左右，可滿足小汽車通行，為單孔雙向兩車道，下穿通道南北兩端U型槽接線兩側設置輔道及人行道。泰州路下穿通道平面見圖2。

圖2 泰州路下穿通道工程平面位置示意

1.2 工程地質

潤揚北路、泰州路下穿通道主要穿越淤泥質粉土和粉土夾粉砂層，場地整體穩定性一般，局部軟弱地基和局部側限的不均衡可能會導致下穿通道的差異沉降與結構變形。

1.3 下穿通道結構變形、病害觀測內容及方法

結合道路下穿通道的結構特點和受力特征，重點監測下穿通道道面沉降、拱頂下沉、斷面收斂等三項，每個斷面均在南北車道上設置路釘，供水準儀測量道面沉降使用；兩側墻體上設置掛鉤，供收斂儀測量斷面收斂；在通道拱頂中心線處設置掛鉤，用于測量拱頂下沉。

（1）道面沉降

在下穿通道內布設道面沉降監測點，測點位于道路中軸線處，每隔25m設置一個斷面，見圖3。觀測方法采用水準測量方法，基準和附近水準點聯測取得初始高程，首次觀測對應點進行連續兩次觀測，兩次高程之差應小于±1.0mm，取平均值作為初始值。

圖3 道面差異沉降測點布置

（2）拱頂下沉

拱頂下沉測點見圖4，采用免棱鏡全站儀拱頂沉降測試，在拱頂布設固定測點，粘貼反光貼片，每個拱頂下沉監測斷面有1個測點，每隔25m設置一個斷面。

圖4 拱頂下沉測點布置

（3）斷面收斂

斷面收斂測點見圖5，暗箱段每個斷面收斂監測斷面布設2個測點，測點位于道路路面以上1.5m高處，間距25m；敞開段每個斷面收斂監測斷面布設2個測點，測點位于高度方向中點處，若中點高于1.5m的區段，設置在道路路面以上1.5m高處。每隔50m設置一個斷面。

圖5 斷面收斂測點布置

（4）病害觀測

病害觀測主要以裂縫測量為主，主要工具為塞尺和鋼卷尺。

2 隧道結構變形及病害分析

以2018年9月的監測數據為變形監測初始數據，分別于2018年12月，2019年4月，2019年6月，2019年9月開展四期測量工作。

2.1 道面沉降

道面沉降累計變化量是以2018年9月監測數據為初始高程，根據四期測量的結果，分別計算各期的沉降值和累計沉降值。

圖6、圖7分別為潤揚北路、泰州路下穿通道不同監測周期內各測點道面沉降量及其對應樁號，分析可得：潤揚北路下穿通道第一、二、四期沉降量值及其趨勢大致一致，敞開段與暗埋段無明顯差異；潤揚北路下穿通道第三期的道面沉降大于其他監測周期內，且第三期敞開段和暗埋段的道面沉降值波動較大，暗埋段的沉降值大于敞開段，其原因主要是降雨使隧道周圍土體產生一定的松動，進而引起道面的變形增大；泰州路下穿通道與潤揚北路下穿通道的道面沉降規律較為一致，表現為第三期道面沉降值較大，且波動幅度較大；潤揚北路、泰州路下穿通道道面累計沉降值均在2mm以內，滿足《公路路基設計規范》[18]的要求。

圖6 潤揚北路下穿通道各期道面沉降變化量（單位：mm）

圖7 泰州路下穿通道各期道面沉降變化量（單位：mm）

2.2 拱頂沉降

圖8、圖9分別為潤揚北路、泰州路下穿通道不同監測周期內各測點拱頂沉降量及其對應樁號，分析可得：潤揚北路、泰州路下穿通道暗埋段拱頂沉降趨勢一致，表現為中間管節的拱頂沉降明顯大于兩側管節，呈現“∧”型的變化特點；潤揚北路下穿通道最大累計沉降值為10.1mm，泰州路下穿通道最大累計沉降值4.37mm均在安全范圍以內。

圖8 潤揚北路下穿通道拱頂沉降變化量（單位：mm）

圖9 泰州路下穿通道拱頂沉降變化量（單位：mm）

2.3 周邊收斂

圖10、圖11為潤揚北路、泰州路下穿通道收斂變化值，分析可得：潤揚北路下穿通道整體向內收斂，累計收斂值變化范圍在-5.7～20.06mm之間；泰州路下穿通道也表現為向內收斂，累計收斂值變化范圍為4.26～8.09mm；潤揚北路、泰州路下穿通道敞開段收斂大于暗埋段，收斂值結果表明結構處于安全范圍以內。

圖10 潤揚北路下穿通道收斂變化量（單位：mm）

圖11 泰州路下穿通道收斂變化量（單位：mm）

2.4 病害分析

潤揚北路下穿通道結構無明顯裂縫，路緣石上分布大量細微裂縫，下穿通道結構局部位置水泥起皮空鼓破裂，共計5處，見圖12、圖13。

圖12 潤揚北路路緣石病害圖

圖13 潤揚北路表面空鼓病害圖

泰州路下穿通道結構頂部出現明顯貫通縫1條；路緣石及其上部混凝土有病害特征，局部位置鋼筋裸露；路緣石上分布大量細微裂縫，下穿通道結構局部位置水泥起皮空鼓破裂；變形縫封堵水泥掉落，附近產生衍生裂縫最大裂縫約5mm，見圖14～圖17。

圖14 泰州路下穿通道拱頂貫穿縫病害圖

圖15 泰州路下穿通道路緣石病害圖

圖16 泰州路下穿通道起皮空鼓破裂病害圖

圖17 泰州路下穿通道變形縫處衍生裂縫病害圖

3 下穿通道結構安全評價及養護建議

《公路隧道養護技術規范》規定：隧道技術狀況評定主要包括隧道土建結構、機電設施、其他工程設施分項技術狀況評定和總體技術狀況評定；隧道技術狀況評定采用分層綜合評定與隧道單項控制指標相結合的方法，先對隧道各檢測項目進行評定，然后對隧道土建結構、機電設施和其他工程設施分別進行評定，最后進行隧道總體技術狀況評定。

根據隧道技術狀況、完好程度，其總體技術狀況評定結果分為1類、2類、3類、4類、5類，分別對應完好、良好、合格、不合格、危險狀態。隧道總體技術狀況評定等級采用土建結構和機電設施兩者中最差的技術狀況類別作為總體技術狀況的類別，隧道檢查及技術狀況評定工作流程見圖18。隧道總體技術狀況評定類別及養護對策見表1。

圖18 隧道技術狀況評定工作流程

表1 公路隧道總體技術狀況評定類別

基于《公路隧道養護技術規范》（JTGH12—2015）的相關規定，對潤揚北路、泰州路下穿通道技術狀況進行評定得到：

（1）潤揚北路下穿通道最終評定結果為土建結構為1類，機電設施為2類，因此，隧道總體技術狀況評定級別為2類。

（2）泰州路下穿通道最終評定結果為土建結構為2類，機電設施為2類。因此，隧道總體技術狀況評定級別為2類。

（3）提出了潤揚北路、泰州路下穿通道的養護建議：對局部或關鍵設備進行監測或檢查，必要時實施專項工程。

4 結論

以揚州市潤揚北路、泰州路下穿通道工程為依托，開展隧道結構變形監測和病害調研，評價隧道結構安全狀態，編制了《城市下穿通道養護指導手冊》，為下穿通道的長期運營安全提供規范性指導建議，主要結論如下：

（1）潤揚北路、泰州路下穿通道的道面沉降規律較為一致，表現為第三期道面沉降值較大，且波動幅度較大；潤揚北路、泰州路下穿通道道面累計沉降值較小，均在2mm以內。潤揚北路、泰州路下穿通道暗埋段拱頂沉降均表現為中間管節的拱頂沉降明顯大于兩側管節，呈現“∧”型特點；潤揚北路、泰州路下穿通道最大累計沉降值為10.1mm、4.37mm，均在安全范圍以內。

（2）潤揚北路、泰州路下穿通道敞開段收斂大于暗埋段，累計收斂值范圍分別為-5.7～20.06mm、4.26～8.09mm，處于可控范圍內。

（3）潤揚北路下穿通道結構無明顯裂縫，泰州路下穿通道結構頂部出現明顯貫通縫1條，局部位置鋼筋裸露；潤揚北路、泰州路下穿通道均存在路緣石上分布大量細微裂縫、局部位置水泥起皮空鼓破裂等病害。

（4）根據《公路隧道養護技術規范》相關規定，得到潤揚北路、泰州路下穿通道的總體技術狀況評定級別為2類，并相應地提出了潤揚北路、泰州路下穿通道的養護建議。

（5）城市下穿通道的結構病害關注較少，但其病害問題往往較為突出，因此需對城市下穿通道結構病害進行普查工作，明確典型病害的類型及其成因，進而開展病害處置。