沉管隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)

鮑軼洲， 沈永芳， 呂金良， 王兆衛(wèi)

（1.廣州市中心區(qū)交通項目管理中心，廣州510030；2.上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海200231；3.上海交大?？茩z測技術(shù)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(gòu)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(yùn)影響小以及適應(yīng)各種地質(zhì)條件強(qiáng)等優(yōu)點［1］，成為修建城市跨江河隧道首選結(jié)構(gòu)形式之一。

沉管隧道多為薄壁箱型結(jié)構(gòu)，隧道建成投入運(yùn)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(fù)作用，沉管段長期處于復(fù)雜的彎、扭、拉、壓狀態(tài)，受力狀況十分復(fù)雜［2-3］。混凝土管節(jié)受溫度、混凝土收縮、地震等影響可能產(chǎn)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(jié)構(gòu)混凝土水蝕變異、鋼筋銹蝕，而且可導(dǎo)致隧道內(nèi)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(fā)展，其結(jié)構(gòu)健康問題日益突出。研究沉管隧道健康監(jiān)測技術(shù)，發(fā)展相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)與分析方法，將有助于延長隧道使用壽命，減低維護(hù)成本，保障交通安全及人民生命財產(chǎn)安全，進(jìn)而推進(jìn)沉管法隧道在我國工程中的應(yīng)用水平，具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一門交叉科學(xué)，涉及土木工程、計算機(jī)、電子通信、和材料等眾多學(xué)科，是智能結(jié)構(gòu)研究的一個重要方向［5］。隧道健康監(jiān)測主要有：①正常荷載作用下的隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀況；②突發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀況；④隧道結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件，如空氣、風(fēng)速、溫度等［6-8］。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)備與光電通信及計算機(jī)技術(shù)，采用實時與定期相結(jié)合方法，監(jiān)測結(jié)構(gòu)服役階段在各種環(huán)境條件下的響應(yīng)和行為［9-10］，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的信息，由此評估結(jié)構(gòu)可靠性、分析隧道結(jié)構(gòu)健康狀況，為隧道管理、養(yǎng)護(hù)和維修提供依據(jù)和指導(dǎo)［11-12］。

隧道在實際中，由于隧道設(shè)計時考慮因素欠周全，施工時受材料、環(huán)境等不確定因素影響，隧道在運(yùn)營過程中，受到材料和結(jié)構(gòu)退化、地震、火災(zāi)或者人為因素等影響，導(dǎo)致隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化，若不及時維修，將會導(dǎo)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(zhì)、水文條件影響大，結(jié)構(gòu)受力特征與橋梁或大壩存在明顯區(qū)別，健康監(jiān)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(yù)制完成的管節(jié)，通過浮運(yùn)、沉放、對接形成的隧道，其結(jié)構(gòu)形式有別其他隧道，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)存在較大差別［13-14］。

2 車陂路-新滘東路隧道結(jié)構(gòu)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(qū)和珠海區(qū)，下穿珠江。工程南起現(xiàn)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(xiàn)狀黃埔大道交叉口，全長2.07 km。采用沉管法結(jié)構(gòu)，E2-1 管節(jié)和E2-2 管節(jié)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(jié)設(shè)最終水下接頭2.5 m，即在E2-1 靠近E2-2 端預(yù)留2.5 m合攏段。圖1 為隧道平面布置規(guī)劃圖。

圖1 車陂路-新滘東路隧道平面規(guī)劃

2.2 結(jié)構(gòu)特點

隧道過江段采用E1 ＋E2 ＋E3 ＋E4 4 節(jié)沉管工藝，每節(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)頂?shù)装濉?cè)墻、中墻厚分別為1.2 m、1.1 m和0.6 m。管節(jié)橫斷面如圖2 所示。

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

車陂路隧道管節(jié)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(jié)橫斷面結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目和方法

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究關(guān)鍵在于監(jiān)測項目和監(jiān)測方法的確定，不同的實際工況所要求的監(jiān)測項目不盡相同，所采用方法也因地制宜。大多數(shù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估出發(fā)，兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證以及工程問題研究［15-16］。典型的沉管法隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測宜采用傳感器實時監(jiān)測和人工定期檢測相結(jié)合的方法，通過傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實時動態(tài)檢測，結(jié)合人工實施定期檢測與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)相印證，監(jiān)測項目和方法見表1。

表1 沉管隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目和方法

3.1 豎向位移

隧道運(yùn)營期間，受車輛荷載反復(fù)作用，管頂覆蓋層受水流沖刷或淤積，都會致使隧道基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降變化，導(dǎo)致隧道主體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不均勻沉降。

隧道豎向位移采用基于靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)自動監(jiān)測，系統(tǒng)由多個觀測點組成，每個觀測點安裝一套靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀的貯液容器相互連通，貯液容器內(nèi)注入液體，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個大地水準(zhǔn)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(shè)被測物體測點1 作為基準(zhǔn)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(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后，則各測點連通容器內(nèi)的新液位值分別為：H11，H21，H31，…，Hi1。

系統(tǒng)各測點的液位由靜力水準(zhǔn)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(nèi)的液面升高，負(fù)值表示該測點貯液容器內(nèi)的液面降低。靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)工作原理圖見圖3。沉管隧道中在暗埋段兩側(cè)各設(shè)監(jiān)測基準(zhǔn)點，每年校驗1 次?？紤]隧道的縱向坡度，車陂路隧道靜力水準(zhǔn)儀布設(shè)位置如圖4 所示。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)工作原理圖

基準(zhǔn)點是相對恒定的或是可用其他方式準(zhǔn)確測定的點，精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點的沉降變化量。多點系統(tǒng)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(zhǔn)點或參照點）的變化，該點的垂直位移是相對穩(wěn)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(zhǔn)系統(tǒng)各測點的沉降變化。

圖4 車陂路隧道靜力水準(zhǔn)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(jié)存在熱脹冷縮，縱向張開量。水流、地質(zhì)、車流等運(yùn)動，產(chǎn)生水平錯位和垂直錯位。因此，沉管隧道管節(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)間的相對位移，也可用于實時監(jiān)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(jiān)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(jìn)行長期監(jiān)測，又可以作短期監(jiān)測。

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

圖5 接頭三向位移監(jiān)測點橫斷面布置示意圖

縱向張開量監(jiān)測位移計布置在管節(jié)對接縫兩側(cè)，轉(zhuǎn)接板固定在右側(cè)管節(jié)混凝土側(cè)墻上，在左側(cè)管節(jié)側(cè)墻相應(yīng)位置安裝位移傳感器。通過測量轉(zhuǎn)接板與左側(cè)管節(jié)的相對位移，可以得到管節(jié)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(zhuǎn)接板，三向位移計安裝如圖6 ～8 所示。

3.3 接頭PC拉索應(yīng)力

對于多地震地區(qū)，為了隧道結(jié)構(gòu)抗震，管節(jié)接頭一般會設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線鋼索結(jié)構(gòu)，鋼索在安裝時施加了設(shè)計要求的預(yù)應(yīng)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(qiáng)低松弛鋼絞線和連接套筒組成，鎖體兩端為固定端錨環(huán)和P錨擠壓頭，接頭兩側(cè)的鎖體通過中間的一對定位套環(huán)實現(xiàn)與連接套筒的連接，PC拉索結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖6 縱向張開量監(jiān)測位移計

圖7 水平錯位監(jiān)測位移計

圖8 垂直錯位監(jiān)測位移計

圖9 縱向限位裝置

由于管節(jié)接頭PC 拉索數(shù)量較多，難以采取全量監(jiān)測，同時考慮到實際PC 拉索在管節(jié)上下側(cè)均勻分布的特點，在滿足拉索工作狀態(tài)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(jìn)行監(jiān)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(jiān)測結(jié)構(gòu)在服役階段的環(huán)境條件，采用應(yīng)變傳感器監(jiān)測PC拉索應(yīng)力。對于長期監(jiān)測優(yōu)先采用光纖光柵傳感器，該方法具有測試精度高、動態(tài)響應(yīng)快、壽命長、耐腐蝕和潮濕、抗電磁干擾以及便于信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點，非常適合隧道結(jié)構(gòu)的長期在線監(jiān)測，光纖光柵應(yīng)變計是基于一種光纖光柵應(yīng)變的封裝機(jī)制，適用于鋼結(jié)構(gòu)表面長期應(yīng)變測量。

3.4 豎向剪力鍵

管節(jié)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(jù)材料可分為鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的垂直錯位，使其不超過水密性要求。剪力鍵之間設(shè)置橡膠支座，使接頭在垂直方向上具有一定的彈性，當(dāng)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(chǎn)生“鋼化”現(xiàn)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(chǎn)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(yùn)營階段管節(jié)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(biāo)準(zhǔn)值3.5 GN 左右，鋼剪力鍵受荷標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)力監(jiān)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(jiān)測剪力鍵內(nèi)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(jié)構(gòu)物內(nèi)部土體的壓應(yīng)力，是了解被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部土壓力變化量的有效監(jiān)測設(shè)備，并可同步測量埋設(shè)點的溫度。薄膜壓力傳感器是將施加在傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)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(qū)域的壓力分布圖。

3.5 管節(jié)頂部覆蓋層

沉管隧道運(yùn)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(jìn)行控制網(wǎng)復(fù)核，對平面坐標(biāo)進(jìn)行比對，比對誤差控制在5 cm以內(nèi)，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(hù)區(qū)及其以外50 m區(qū)域，采用多波束全覆蓋測量。多波束測深系統(tǒng)由多波束聲吶、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、GNSS 系統(tǒng)、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(tǒng)。

表2 水位觀測要求

圖13 多波束聲吶系統(tǒng)

數(shù)據(jù)后處理采用專業(yè)的后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，包括聲速改正、水位改正、數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)比對和數(shù)據(jù)輸出等步驟。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，應(yīng)進(jìn)行主、檢重合點水深比對，超限的點數(shù)不應(yīng)超過參加對比總數(shù)的15%。數(shù)據(jù)經(jīng)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(jié)論與建議

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