巖溶地區(qū)高速公路運營隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究及應用

熊雅文　何華　張志超　劉家宇

摘要：為有效感知巖溶地區(qū)高速公路運營隧道襯砌結構受力和變形發(fā)展狀況，分析病害成因并及時預警潛在風險，文章依托河池至都安高速公路高嶺二號隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)工程實例，從監(jiān)測斷面和內容的選取，以及測點布置等方面，探索了巖溶地區(qū)高速公路運營隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)構建技術。近7個月的監(jiān)測數據表明，該健康監(jiān)測系統(tǒng)能較好反映隧道襯砌結構的受力和變形規(guī)律，具備良好的可實施性。

關鍵詞：隧道工程;結構健康監(jiān)測;現場試驗;高速公路運營隧道;巖溶隧道;專項檢測

中國分類號：U456.3

0引言

隨著“十三五”規(guī)劃的收官和“十四五”規(guī)劃開篇，廣西地區(qū)公路交通里程出現爆發(fā)式增長，高速公路逐漸向崇山峻嶺擴張，隧道里程也出現井噴式增長，運營隧道的安全問題日益突出。結構健康監(jiān)測技術在隧道工程中的應用相對較晚，在我國近十余年間才逐步得到重視和應用。國外較早的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)出現于1987年修建完成的日本青函海底隧道[1]，此外，國外較知名的建立了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的隧道有英吉利海峽盾構隧道、韓國釜山沉管隧道、英國海峽隧道鐵路連接線盾構隧道、丹麥厄勒海峽沉管隧道、希臘普雷韋扎沉管隧道、英國希思羅機場隧道、愛爾蘭利墨瑞克沉管隧道等[2]。國內隧道健康監(jiān)測近年來也有較大發(fā)展，涌現出很多工程案例，根據施工工藝可分為沉管隧道（寧波甬江隧道[3]、寧波常洪隧道[4]等）、盾構隧道（上海崇明越江隧道、南京揚子江隧道等[5]）、明挖水下隧道（南京玄武湖隧道[6]）、明挖軟土隧道（寧波永達路隧道、南京地鐵、深圳地鐵等[7]）。針對采用礦山法施工的山嶺隧道健康監(jiān)測案例較少，而針對高速公路隧道運營期間實施的健康監(jiān)測案例幾乎沒有，如何構建合理有效的運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)是當下亟待解決的問題。

本文依托廣西河都路高嶺二號隧道結構健康監(jiān)測工程案例，融合物聯網、4G數據傳輸等技術，在廣西交投科技有限公司自主研發(fā)的廣西高速公路災害風險智慧云控平臺基礎上，探索了巖溶地區(qū)運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的重難點問題，對監(jiān)測斷面、監(jiān)測內容、測點布設、數據分析等方面進行了論述，同時對隧道健康監(jiān)測亟待解決的問題進行了思考，可為今后類似運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)構建提供參考借鑒。

1工程概況

2019年7月，廣西河都路高嶺二號隧道管養(yǎng)單位在日常巡檢過程中發(fā)現，高嶺二號隧道下行線ZK1807+790～ZK1807+900（施工樁號為ZK63+745～ZK63+855）發(fā)生突泥，現場出現側壁檢查井冒漿、施工縫頂部冒漿等情況。通過竣工資料可知，高嶺二號隧道下行線ZK1807+690～ZK1808+190段設計圍巖級別依次為Ⅱ級（ZK1807+690～ZK1807+845）、Ⅲ級（ZK1807+845～ZK1807+950）、Ⅱ級（ZK1807+950～ZK1808+190）。ZK1807+815～ZK1807+896區(qū)段在施工中發(fā)生過塌方、冒頂和突泥災害，本次突泥病害段主要集中在該區(qū)段。

2隧道病害專項檢測

2.1外觀檢測結果

隧道外觀病害分布如圖1所示，其外觀病害主要分布在YK1807+850～YK1807+900之間，表現為襯砌裂縫、滲漏水，局部滲漏水較嚴重，呈滴水狀。

2.2襯砌混凝土強度檢測結果

通過回彈和碳化深度檢測，結果顯示襯砌混凝土強度良好，均滿足C25混凝土設計要求。

2.3襯砌厚度及背后脫空情況檢測結果

高嶺二號隧道下行線右拱腰位置雷達檢測結果如圖2所示。通過雷達檢測結果可知，ZK1807+790～ZK1807+900為主要突泥段，圍巖軟弱區(qū)段為ZK1807+815～ZK1807+896（施工過程中發(fā)生突泥段），ZK1807+960～ZK1808+190區(qū)段襯砌背后圍巖松散、節(jié)理裂隙發(fā)育。

經過專項檢測，初步推測襯砌突泥主要是由于圍巖內部溶蝕裂隙發(fā)育，溶洞坍塌等，引起圍巖水壓增大并四處擴散，通過襯砌裂縫、預留槽等滲漏水薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)生突泥災害。為有效感知隧道襯砌結構的健康狀況，預測病害發(fā)展趨勢，有必要對病害段進行結構健康監(jiān)測。

3運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)主要分為數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據分析模塊和數據展示模塊等4部分，整體布置方案如圖3所示。

3.2運營隧道健康監(jiān)測內容及方法

3.2.1監(jiān)測內容及方法

本文將運營隧道健康監(jiān)測內容劃分為環(huán)境、荷載、受力、變形等四個方面，以隧道受力和變形作為監(jiān)測評價指標，兼顧考慮隧道所受荷載及所處環(huán)境等各方面，具體如表1所示。高嶺二號隧道監(jiān)測內容包括：表面應變（應力）（55個振弦式表面應變計）、拱頂下沉（11個激光位移計）、周邊位移（11個激光位移計）、滲水壓力（4個滲壓計）、裂縫寬度（2個振弦式裂縫計）、視頻（1個高清攝像頭）、雨量（1個雨量計）。

3.2.2監(jiān)測斷面選取及測點布置

3.2.2.1監(jiān)測斷面選取

根據圍巖級別、襯砌類型及病害分布特征，本文按照每一類圍巖級別或襯砌類型的區(qū)段均布置至少1個監(jiān)測斷面的原則，對ZK1807+690～ZK1808+190區(qū)段共布置有11個監(jiān)測斷面，具體如圖4所示。

3.2.2.2測點布置

對于典型監(jiān)測斷面的測點布置情況如下：

（1）表面應力應變：布置5個測點，分別在拱頂、兩側拱腰、兩側邊墻位置。

（2）周邊位移及拱頂沉降：周邊位移布置1條測線，在兩側邊墻位置;拱頂沉降布置1個測點。

（3）滲水壓力：在典型斷面布置1～2個測點，在兩側邊墻位置。

（4）裂縫寬度：布置1～2個測點（根據現場情況而定）。

（5）視頻監(jiān)控：在保證對監(jiān)測區(qū)段通視的情況下，盡可能布置在襯砌結構狀況良好的位置。

（6）雨量監(jiān)測：每座隧道外布置1處雨量監(jiān)測點。

典型斷面測點布置如圖5所示。

4監(jiān)測數據分析

高嶺二號隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)于2020年12月安裝調試完畢，經過7個月的數據觀測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，本文選取典型斷面YK1807+885的監(jiān)測數據進行分析。

4.1表面應變

YK1807+885斷面表面應變監(jiān)測結果如圖6所示。由圖6可知，襯砌表面應變整體呈受壓趨勢，且逐漸增長，符合隧道襯砌結構的受力規(guī)律。最大壓應變約為180 με（C25混凝土彈性模量取28 GPa，換算成壓應力為5.04 MPa）。

4.2拱頂下沉和周邊收斂

YK1807+885拱頂下沉和周邊收斂于2021-01-01開始監(jiān)測，其中拱頂下沉監(jiān)測結果如圖7所示，周邊收斂監(jiān)測結果如下頁圖8所示。由監(jiān)測結果可知，YK1807+885斷面拱頂下沉監(jiān)測期間累計下沉約3 mm，周邊收斂無明顯變化。

4.3裂縫寬度

裂縫寬度于2020-12-26開始監(jiān)測，其裂縫寬度變化曲線如圖9所示。根據監(jiān)測結果可知，裂縫寬度整體呈現壓緊、閉合趨勢，與襯砌表面整體受壓應力的規(guī)律一致。這表明監(jiān)測期間，YK1807+885斷面的裂縫寬度呈減小趨勢，結構受擠壓變形，累計閉合約0.035 mm。

4.4滲水壓力和雨量

YK1807+885斷面滲水壓力于2021-05-28開始監(jiān)測，其滲水壓力變化曲線如圖10所示。雨量于2021-06-01開始監(jiān)測，其6月、7月的日降雨量分別如圖11、圖12所示。根據監(jiān)測結果可知，隨著鉆孔封閉，滲水壓力由83 kPa增長到164 kPa，之后一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，未出現明顯增長。雨量監(jiān)測結果顯示6月21日和6月29日兩天的日累積降雨量較大，而滲水壓力監(jiān)測結果僅在6月23日有小幅突增，6月29日以后有緩慢增長，由此可見滲水壓力存在一定滯后性，推測是由于降雨下滲需要一定時間所致。

4.5環(huán)境溫度

通過對比各斷面測點的溫度數據，溫度大小和變化規(guī)律基本一致。本文選取YK1807+885斷面右拱腰的溫度作為代表性測點，如圖13所示。通過溫度監(jiān)測數據可知，每天均存在一定的溫度波動，波動幅度約為5 ℃，該溫差可能對襯砌表面應力造成影響。

將溫度變化曲線與左拱腰表面應變曲線進行綜合分析，如圖14所示，溫度變化曲線與表面應變曲線存在明顯的相關性。可見，對運營隧道進行環(huán)境溫度監(jiān)測是非常必要的。

5運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)設計重難點

運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的重難點在于監(jiān)測方案設計的合理性，主要表現在如下幾個方面：

（1）運營隧道健康監(jiān)測方案的設計必須基于詳細的專項檢測結果，通過專項檢測，分析病害分布范圍及成因，為運營隧道健康監(jiān)測方案設計提供數據支撐。

（2）監(jiān)測斷面應盡可能覆蓋病害區(qū)段，條件允許情況下，可向外擴展設置比對斷面，且在病害區(qū)段內，按照圍巖級別、襯砌類型、病害情況進行疏密相間布置（重點區(qū)段可按10 m間距設置斷面，非重點區(qū)段可按20～50 m間距設置監(jiān)測斷面）。監(jiān)測斷面應盡可能兼顧每一類斷面。

（3）二次襯砌結構的受力和變形響應能較好反映襯砌結構健康狀況，可作為后期穩(wěn)定性評價的主要指標。

（4）巖溶地區(qū)地下水豐富，結構受力變形與降雨下滲息息相關，應盡可能進行滲水壓力和雨量監(jiān)測。

6結語

本文通過依托廣西河都路高嶺二號隧道健康監(jiān)測項目，對高速公路運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的構建進行了探索，討論了運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設計和施工過程中存在的重難點，得出了以下結論：

（1）通過對高速公路運營隧道進行表面應變、拱頂下沉、周邊收斂、裂縫寬度、滲水壓力等方面的系統(tǒng)監(jiān)測，能較好地反映隧道襯砌結構的受力和變形發(fā)展趨勢。

（2）運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)方案的設計必須基于詳細的病害專項檢測，在系統(tǒng)分析病害成因的基礎上進行合理的監(jiān)測方案設計。

（3）巖溶地區(qū)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)設計時，應將滲水壓力和雨量作為重要監(jiān)測指標。

（4）運營隧道健康狀況評價應至少基于1個水文年的健康監(jiān)測數據，才能起到較好的指導作用。

盡管本文對運營隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的構建進行了探索和實踐，取得一定成果，但還有很多問題亟待解決，如研究隧道健康監(jiān)測數據處理和分析技術，充分利用監(jiān)測數據，對隧道受力和變形進行預測，探索隧道健康狀況評價模型，通過監(jiān)測數據量化評價隧道健康狀況等。

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