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    水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)分析

    2016-05-14 11:34王場
    中國科技縱橫 2016年5期
    關(guān)鍵詞:工程案例

    王場

    【摘 要】伴隨改革開放的不斷深入,我國經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快。水下大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)規(guī)模的擴大,越來越多隧道工程在復(fù)雜環(huán)境中呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)健康問題,大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)建立應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測經(jīng)驗相結(jié)合,在充分發(fā)揮其作用的同時,有效提升水底大直徑盾構(gòu)隧道的質(zhì)量與安全,推動我國隧道事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新。為此,本文主要通過具體工程案例,對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概況、水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究。

    【關(guān)鍵詞】水底大直徑盾構(gòu)隧道 健康監(jiān)測系統(tǒng) 工程案例 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 縱斷面穩(wěn)定性 橫斷面計算

    1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概況

    結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指通過現(xiàn)場無損傳感技術(shù)的合理運用,對其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析,其包含結(jié)構(gòu)響應(yīng)等,并調(diào)查研究結(jié)構(gòu)損傷位置、程度,以此對結(jié)構(gòu)損傷、退化進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。實施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的就是為了進(jìn)行實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立,以此為管理人員實時監(jiān)測重大結(jié)構(gòu)損傷提供便利,并對結(jié)構(gòu)性能變化與剩余年限做出預(yù)測及提供科學(xué)有效的養(yǎng)護策略。

    2工程案例

    某水底大直徑盾構(gòu)隧道工程全長5853米,屬于“左汊盾構(gòu)隧道選取復(fù)合式泥水盾構(gòu)機2臺施工,其直徑為14.93米,2895米為盾構(gòu)段隧道總長度,14.5米為其外徑,13.3米為內(nèi)徑,—51米為隧道最深位置。該工程施工地層主要以第四系全新統(tǒng)沖積層,粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等為其主要巖性。砂卵石透水性地層為隧道主要穿越區(qū)域,具有豐富的地下水及過大的水壓力,60米為江中段隧道頂部和長江最高水位之間的差距。

    3水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

    3.1隧道結(jié)構(gòu)縱斷面穩(wěn)定性分析

    在運營過程中為對盾構(gòu)隧道的受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確有效地反映,對綜合研究盾構(gòu)隧道所在地質(zhì)、地形條件、埋設(shè)深度、水壓變化等,并根據(jù)對稱性原則進(jìn)行該工程研究,其關(guān)鍵部位應(yīng)包括:盾構(gòu)始發(fā)、大堤、變坡等,以此獲取盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大受力部位,為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測縱向斷面布設(shè)提供可靠保證。

    選取三維有限元研究,將具體土層情況作為前提條件,對地質(zhì)、地層與水壓影響隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行模擬。按照具體地質(zhì)情況、土層計算參數(shù),對基本假設(shè)進(jìn)行計算,具體內(nèi)容如下:

    第一,選取摩爾—庫倫準(zhǔn)則計算;

    第二,當(dāng)具有較長縱向長度,管片混凝土襯砌可選取板單元模擬。根據(jù)彈性材料計算,需對剛度折減情況進(jìn)行充分考慮,0.8為折減系數(shù)。

    第三,在彈塑性范圍內(nèi)控制地層、材料應(yīng)力應(yīng)變。

    第四,對地下水荷載作用充分考慮。

    3.2模型與邊界條件計算

    按照隧道縱向?qū)ΨQ性與模型規(guī)模等,選取1900米作為模型縱向長度,橫向選取隧道左右2側(cè)長度為53.05米,50米為縱向隧道底部選取長度,82到112米為模型高度。模型可進(jìn)行194326個單元劃分,節(jié)點數(shù)量為30686個。

    3.3橫斷面計算結(jié)果

    完成隧道工程后在隧道正上方部位極易出現(xiàn)地層變形情況,同時,相比水域地層沉降,陸域沉降較大并具有廣闊的分布范圍。與地層、管片結(jié)果縱向變形規(guī)律充分結(jié)合與研究,如變坡(X)為5160毫米時,橫斷面管片外側(cè)計算結(jié)果如表1所示,其結(jié)論如下:

    第一,管片頂部與底部的管片外側(cè)壓應(yīng)力值較大,拱頂可產(chǎn)生2.25MPa最大壓應(yīng)力。相比拱頂、隧道受力情況,隧道襯砌環(huán)左右側(cè)受力呈相反趨勢,在襯砌環(huán)右側(cè)可產(chǎn)生0.75Mpa最大拉應(yīng)力。

    第二,壓應(yīng)力同時存在于管片拱頂、隧底內(nèi)側(cè),隧底將產(chǎn)生0.51Pma最大壓應(yīng)力。相比襯砌外側(cè)應(yīng)力,其內(nèi)側(cè)2側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)相反趨勢,一般在襯砌右側(cè)出現(xiàn)3.52Mpa最大壓應(yīng)力。

    序號

    測點位置

    外側(cè)最小應(yīng)力值(kpa)

    外側(cè)最大應(yīng)力值(kpa)

    內(nèi)側(cè)最小應(yīng)力值(kpa)

    內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力值(kpa)

    1

    -473.8

    -2254.4

    -436.9

    -167.6

    2

    45°

    -282.3

    -824.7

    -401.2

    -1396.4

    3

    90°

    558.5

    109.5

    -882.2

    -3234.9

    4

    135°

    -54.8

    -144.8

    -532.3

    -2306.7

    5

    180°

    -263

    -1840

    -359.5

    -513

    6

    225°

    721

    -22.2

    147.5

    -742.9

    7

    270°

    754.3

    232.1

    -984.9

    -3515.4

    8

    315°

    140.0

    -158.4

    -610.7

    -2594.9

    表1 橫斷面最大、最小應(yīng)力值

    3.4確定監(jiān)測斷面

    因隧道具有較長的線路及較大的洞徑,需從不同地層穿越,進(jìn)而增加了施工難度。隧道施工中需在結(jié)構(gòu)、地層內(nèi)埋設(shè)大量儀器,以此監(jiān)測施工環(huán)節(jié)變形、位移、應(yīng)力與水壓,實現(xiàn)信息化作業(yè)。隧道通車使用階段通過以上儀器與設(shè)備可實時監(jiān)控隧道結(jié)構(gòu)變形、受力情況,確保隧道運行的安全性。

    據(jù)分析,本工程隧道健康監(jiān)測方案,要求左右線需分別進(jìn)行5到8個斷面布設(shè)。其中5個分別為盾構(gòu)始發(fā)位置、2個變坡點、江中心與大堤位置,除此之外,與雙線隧道施工先后特點相結(jié)合,施工隧道可進(jìn)行3個斷面的增設(shè),如表2所示。

    里程

    先施工隧道

    后施工隧道

    K3+600~k4+000

    LK3+610(出洞)LK3+770(大堤)

    -----

    K4+200~k6+050

    LK5+100(變坡)LK5+400

    RK5+160(變坡) RK5+800

    K6+050~k6+614

    LK6+600(進(jìn)洞)

    LK6+300(大堤)

    合計

    5個

    3個

    表2 縱向監(jiān)測斷面里程表

    3.5健康監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

    管片接縫張開度、隧道外側(cè)水壓力、軸向力、彎矩等為健康監(jiān)測的主要內(nèi)容,柔性土壓力計、光纖光柵鋼筋應(yīng)變傳感器等為監(jiān)測材料與設(shè)備。本文主要分析該工程隧道左右線第一個監(jiān)測斷面相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集情況,并與使用期間環(huán)境因素相結(jié)合,得出各監(jiān)測斷面結(jié)構(gòu)健康情況如下。土、水壓力監(jiān)測值在監(jiān)測期間因汛期控制因素影響,將產(chǎn)生上升現(xiàn)象,并逐步呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。管片縱向、環(huán)向變形與受力情況因汛期控制,將增加管片壓力,并增加管片結(jié)構(gòu)及出現(xiàn)變形情況,但外界壓力卻始終在控制值以下,同時需在理論值范圍內(nèi)對位移、應(yīng)變情況進(jìn)行有效控制,結(jié)構(gòu)響應(yīng)也需控制在安全范疇內(nèi)。

    3.6盾構(gòu)隧道安全評估

    (1) 工況計算。因多方面因素對結(jié)構(gòu)橫斷面受力規(guī)律的影響,在軟土層內(nèi)為對隧道受力與變形規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確半段,需進(jìn)行5處斷面的選取與分析,如陸上覆土最小位置、覆土最大位置等,其斷面特征計算如表3所示。

    工況

    里程

    特征

    埋深m

    水深m

    計算模式

    工況1

    K3+600

    陸上覆土最小處

    6.9

    /

    水土合算

    工況2

    K3+762

    防洪大堤

    18.0

    /

    水土合算

    工況3

    K5+100

    江中沖刷最大處

    18.5

    31.5

    水土分算

    工況4

    K5+350

    江中覆土最小處

    15.1

    33.7

    水土分算

    工況5

    K6+190

    覆土最大處

    32.8

    1.1

    水土分算

    注:砂性土采用水土分算,粘性土采用水土合算,水深按300年一遇。

    表3 工況斷面特征計算

    (2)參數(shù)計算與荷載計算。14.5米為盾構(gòu)隧道管片外徑長度,13.3米為其內(nèi)徑長度,6.95米為襯砌管片環(huán)中心半徑長度,600毫米為管片厚度,10片為襯砌各環(huán)管片數(shù)量,2米為管片寬度,C60為混凝土等級。

    管片在梁彈簧計算模型中可看做簡單的直梁單元計算,管片間與管片環(huán)間螺栓的具體效應(yīng)模擬以旋轉(zhuǎn)彈簧與剪切彈簧為主,模擬地基彈簧單元時可選取地層、管片間的互相作用。

    根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道設(shè)計要求,確定管片接頭彈簧參數(shù),在此過程中續(xù)對螺栓特點選取經(jīng)驗值進(jìn)行充分考慮。每環(huán)分10塊管片,前后相近環(huán)管片縱向M30需4個螺栓連接,總數(shù)為42個。每環(huán)的10片管片連接可選取M36規(guī)格(3個),總數(shù)為30個。選取M36規(guī)格的環(huán)向螺栓;選取M30規(guī)格的縱向螺栓。地質(zhì)條件不同,其選取的螺栓機械性能等級也不盡相同,一般環(huán)向螺栓選取6.8級機械性能,縱向螺栓選取8.8級機械性能。

    3.7健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

    工控機(1臺)與其運行的相應(yīng)軟件為該工程隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的儀器集成和預(yù)警報警子系統(tǒng)。其利用網(wǎng)絡(luò)接口可由MOI光纖量解調(diào)儀(6臺)進(jìn)行光纖傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)(738個)的獲取,利用工控機Access數(shù)據(jù)庫接口進(jìn)行振弦式滲壓計、土壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)(120個)的獲取,其監(jiān)測的物理量共有858個,針對收集的監(jiān)測數(shù)據(jù),子系統(tǒng)可進(jìn)行解算、顯示,根據(jù)相應(yīng)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存寫,并按照給定預(yù)警報警值進(jìn)行聲光報警。

    4結(jié)語

    綜上所述,隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷提升,公路建設(shè)已無法滿足交通運輸需求量,通過擴大隧道工程建設(shè),可有效擴大通行能力、減緩交通壓力。水底大直徑盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立與完善,對隧道工程建設(shè)安全性提高具有至關(guān)重要的作用。本文通過工程案例分析,對其健康監(jiān)測系統(tǒng)各項內(nèi)容進(jìn)行了分析,并做出了相應(yīng)的措施,以期有效提升盾構(gòu)隧道工程建設(shè)質(zhì)量、延長使用壽命。

    參考文獻(xiàn):

    [1]張成平,張頂立,王夢恕,劉勝春.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機理及其控制[A]. 第2屆全國工程安全與防護學(xué)術(shù)會議論文集(上冊)[C],2010.

    [2]王如路,蔡軼曼,劉建航.上海市軌道交通4號線盾構(gòu)隧道穿越地鐵運營線路的監(jiān)護工程[J].地下工程與隧道,2004(03).

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