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1、南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用王军,张巍(1.南京长江隧道有限责任公司;2.南京大学)摘要:基于隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件 ,管片布置形式以及隧道结构设计方案,设计了南京长江隧道管片结构健康监测系统,以隧道左线浦口侧江堤下监测环为例,分析了隧道施工阶段管片所受环境地质作用与结构响应状态,确定该阶段内监测环管片结构处于健康 的工作状态.关键词:盾构隧道;管片结构;健康监测;预警报警系统1 概述南京长江隧道工程位于南京长江大桥与长江三桥之间,连接南京河西新城区,江心洲和浦口区.隧道总长 5853m,为双向 6 车道城市快速路,设计车速
2、 80km/h.工程采用左汊盾构隧道 +右汊桥梁方案,其中:左汊盾构隧道建筑长度 3790nl,采用两台 014.93m 泥水平衡盾构同向掘进.隧道穿越地层主要为第四纪沉积的软土,沙土,中段最深点为一51.O0m,最大水压约 0.65MPa.南京长江隧道为超大直径盾构隧道,工程面临水压力高,透水性强,地质条件复杂,覆土超薄,掘进距离长等世界级技术难题.鉴于工程建设规模大,技术难度高,施工风险大以及国内同级别盾构隧道施工经验较少的特点,有必要在施工阶段对隧道管片结构的受力与变形状态进行监测,以确保工程的顺利实施.同时,隧道建成运营后,为保证管片结构处于良好的功能状态,有必要采用先进的监测手段.根
3、据隧道所处水文,地质条件的特殊性,对其结构关键部位进行长期监测,以便实时掌握隧道结构状态的变化,判断隧道结构的可靠性,进而采取相应的控制措j 一一施,使隧道结构始终处在良好的和可控的安全状态.为此,南京长江隧道专门建立了系统的管片结构健康监测系统,通过布设各类传感器及监测设备,监测南京长江隧道特殊地段环境地质作用与管片结构的受力状态及变形情况,对隧道在施工期与运营期的结构行为及影响进行监测和数据分析,从而对隧道的健康状况以及使用寿命进行评估,判断隧道结构在设计基准期内的安全性,以指导运营.同时,给出实时安全报警,提前主动采取有效的工程措施,保证隧道结构在设计基准期内的安全;还可以合理配置隧道养
4、护资源,降低成本,及时高效地保证隧道运营状态的健康和安全.2 工程地质与水文地质条件南京长江隧道场地为长江冲积平原区,地貌由长江高漫滩渐变为长江低漫滩,穿越长江水域,到达江心洲.隧道穿越地区地层较为复杂,包括:层淤泥质粉质黏土,层淤泥质粉质黏土夹粉土,层粉细砂,:层粉土,层粉细砂,层砾砂,层份细沙,层圆砾.结构覆土变化较大(结构顶部至既有河床面深度 11.130.3m).工程地质剖面如图 1 所示.21111!1211图 1 长江南京梅子洲下游地层剖面示意图K:白垩系上统浦口组.上更新统冲积层(Q;):1.黄褐色粉质黏土,有的底部含砾;2. 砾砂,砾石层区;3.灰色中粗砂新统冲积物(Q);4.
5、 灰色粉细砂;5 黄褐色粉质黏土夹灰褐色淤泥质土;6. 褐黄色粉质黏土地下工程与隧道)2009 年第 3 期一 5 一场地地下水含水岩组主要为第四系松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙一裂隙水,其中第四系松散孔隙水又分为潜水含水岩组和承压含水岩组,碎屑岩类孔隙一裂隙水主要为基岩裂隙水.潜水水位受季节及气候影响明显,承压水的动态变化主要随江水的起落,水位相应升降,年变幅随距江边的距离增大而减小,同时亦因上覆潜水的越流补给的影响,降雨后水位亦升高.拟建隧道附近水位年变幅:红色砂岩地区接近 5m,上更新统粉质黏土组成一级阶地地区约 3m,全新统分布的漫滩区略小于 2.5m.碎屑岩类孔隙一裂隙水渗透性能差,水
6、位变幅较小.3 管片布置形式南京长江隧道盾构段采用通用楔形环管片,通过楔形环管片不同角度的旋转拟合线路.管片环宽2000mm,厚度 60Omm,管片布置采用7+2+1形式,采用 1/3 错缝方案进行拼装.相邻管片在环,纵缝面采用螺栓连接,环缝面安装剪切销(见图 2).图 2 典型断面管片布置形式4 健康监测系统设计4.1 监测断面基于隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件,管片布置形式以及隧道结构设计方案,确定单孔布设 3 个监测断面,分别位于隧道两岸所穿越的江堤段以及江中最深覆土处,江中超浅埋处位置,双洞共设 6 个监测断面.4.2 监测技术健康监测系统中采用了先进的光纤光栅传感技术.该技术的
7、最大优势在于可实现多传感器的级联复用,大幅降低了单个传感器的布设成本.同时,该技术还具有耐久性好,无电磁干扰等优势.此外,健康监测系统中还采用了振弦式传感器与梯形阳极腐蚀计.4.3 监测内容对隧道管片结构健康监测分为自动实时监测部分与定期人工检测部分,其中,自动实时监测部分包括 3 个方面.(1)环境地质作用,包括管片所承受的土压力与孔隙水压力.(2)管片结构力学响应,包括管片在荷载作用下混凝土变形,钢筋应力,混凝土温度,管片间纵向相对位移与环向相对位移以及连接螺栓拉力.(3)混凝土腐蚀程度.表 1 给出了单个监测断面上传感器种类及其数量,其中梯形阳极系统仅布置在两个江中段断面.定期人工检查部
8、分包括三个方面,分别为:断面变形监测,结构变形监测和地层围岩监测.针对以上检测内容选定检测设备如表 2 所示.表 1 自动实时监测内容与传感器监测内容监测项目传感器量程精度数量土压力振弦式土压力计 2.0MPal.5%F.S.10 环境地质作用孔隙水压力振弦式渗压计 1.0MPa0.1%F.S.10混凝土温度光纤光栅温度计一 302000.5cc10拉伸0.5%F.S.,24 混凝土变形光纤光栅埋人式应变计15001xe压缩1.0%F.S.钢筋应力光纤光栅埋人式钢筋计拉伸 300MPa 拉伸 O.5%F.S.,24管片结构力学响应压缩 100MPa 压缩1.0%F.S.10 管片环向变形光纤光
9、栅位移计 025mm0.5%F.S管片纵向变形光纤光栅位移计 5拉伸0.5%F.S.,15 螺栓拉力光纤光栅应变计1500压缩1.0%F.S.混凝土腐蚀混凝土腐蚀电流梯形阳极系统999mV2mV26地下工程与隧道)2009 年第 3 期表 2 定期人工检测内容与设备监测内容监测项目监测元件与仪器断面变形监测隧道净空收敛收敛计,激光断面仪结构变形监测隧道衬砌纵向沉降连通管线形监测系统地层围岩监测注浆后空洞地质雷达4.4 软件系统软件共包括 6 个子系统:仪器控制系统,预警报警系统,SQL 数据库系统,三维有限元分析系统,隧道数字化管养决策系统与隧道结构安全状况评估系统.其中,仪器控制系统仅安装在
10、采集工控机上,用于控制光纤光栅解调仪(Sm125500)与振弦式传感器数据采集模块 MCU 的参数设置等;预警报警系统也同时安装在采集工控机上,当实时采集的监测数据一旦超过预设的各级阈值后将触发报警器或其5 理论模型它报警装置;SQL 数据库系统分别安装在采集工控机,数据库服务器,备份服务器和 2 台工作站上,其中在采集工控机上完成实时监测数据的短期存储,在数据库服务器上完成重要数据的长期存储,在备份服务器实现数据备份以及数据库访问,查询,统计,分析;三维有限元分析系统安装在后端工作站 1上,根据数据库内监测数据统计值对结构模型进行修正后,计算结构在各工况下的响应,并将计算结果存储;隧道数字化
11、管养决策系统与隧道安全状态评估系统同时都安装在工作站 2 上,采用 C/S 结构,通过访问数据库服务器内基本设计资料,人工采集数据以及实时监测数据,实现管理决策与评估,并将经过修正后的报警阈值传送至前端采集工控机.软件系统层次结构如图 3 所示.图 3 软件系统结构层次图针对隧道管片结构布置形式,采用修正惯用计算法与梁一弹簧模型进行管片内力计算,结构按匀质圆环考虑.其中,弹簧一梁模型的典型布置示意图如图 4 所示.I?拜图 4 弹簧一梁模型典型布置示意图地下工程与隧道)2o09 年第 3 期采用荷载结构模型进行有限元分析,局部采用弹簧,曲梁一弹簧模型,共 312 个单元,490 个节点.其中,
12、地层弹簧刚度根据地勘报告中给出的土层的厚度和压缩模量等信息设置,管片接头弹簧分剪切弹簧和弯曲弹簧,其刚度根据部分实测土水压力一应变数据反复修正得到.局部弹簧效应是通过全周设置只受压不受拉的LinklO 单元实现的.边界条件:约束 LinklO 单元一端的全部自由度;耦合管片之间的环向平动自由度;为防止衬砌整体绕圆心转动,约束四个象限点的平动自由度(即不考虑摩擦).有限元模型如图 5 所示.荷载采用水,土压力计实测数据,作为均布荷载加在各个管片上,自重另加.1图 5 有限元计算模型6 施工监测基于已建立的管片结构健康监测系统,可实现隧道施工期实时监测或定期检测,在隧道运营期内可实现隧道的远程实时
13、监测.隧道左线浦口侧江堤下监测环里程号为 LK3+795,图 6图 l2 分别给出了该断面在 2009 年 1 月21 日各管片所受环境地质作用与管片结构的力学响应,所有传感器初值于管片安装前统一采集.由图 6,图 7 可见,监测环管片安装就位后,从 7月 28It 至 1 月 21 日之间,各管片所受土压力与孔压线性小幅降低,这与枯水期长江水位下降引起地下水位降低的规律相对应.由图 8 可见,混凝土温度随环境温度变化明显.由图 9 可见,各管片接缝间距增大.由图 l0 与图 11 可见,管片内钢筋与混凝土应变线性小幅增大.由图 12 可见,纵向螺栓应变产生较大的线性增大,这表明隧道在该监测断
14、面位置沿纵向产生较大变形.基于有限元模型,根据各期水,土压力变化量计算相应结构响应变化量,并以之作为理论报警阈值.监测结果表明,结构响应均处于报警阈值内,表明监测环管片结构在该时问段内处于健康 的工作状态 .7 结语南京长江隧道结构健康监测系统布置各类传感器共 682 只,可对 6 个监测断面管片结构受到的土,水压力,各类结构响应以及混凝土腐蚀性状进行实时在线监测,确保施工阶段工程的顺利实施,使隧道在运营阶段始终处于健康 的工作状态.下一阶段,将进一步建立结构时变可靠度的理论计算模型,作为长期结构健康监测结果的理论分析依据.监测结果将为验证设计与运营管养提供宝贵的实测数据与重要的科学依据.一8
15、0.250.20015鱼鹱出 0100.05O0o托3028262422芝 2018赠 1614121O861.5.争(152O图 6 土压力变化时程曲线图 7 孔隙水压力变化时程曲线圈 f一 81B2J日期苜 _IB7日期图 8 混凝土温度变化时程曲线7,q28 日 8 月 27El9 月 24EI10 月 29 日 11 月 2e 日 t2p126E01 月 2日图 9 管片环向位移变化时程曲线日期(下转第 13 页)地下工程与隧道)2009 年第 3 期喵日垒嘿坦1d1dJ 翻l:主(1)房山线与近期市区线网其他线路换乘较便利.乘客进入中心城可选择的路径较多,换乘效率较高.(2)采用两站
16、换乘方式,既能减轻郭公庄站换乘压力,又可减轻大量换乘客流对 M9 线通过能力的冲击,从而提高中心城与房山新城客流交换的效率.该方案缺点为:其一,应对远期轨道交通线网调整的灵活性略差,房山线远期是否与 M15 线,M16 线贯通,成市域快线方案,目前尚存在一些不确定因素.由于本线占用了 M16 线的规划走廊,如 M16 线仍维持原规划走向,则基本明确了本线与 M16 线贯通及与 M9 线换乘的运营方案,远期欲调整为其他运营方案的可能性不大.(上接第 8 页)3oo2oo兰oo觳.翅.100.2oo图 10 钢筋应变变化时程曲线图 11 混凝土应变变化时程曲线地下工程与隧道)2009 年第 3 期其二,与近期建设规划比较,需增加一定工程规模,本方案需增加二站二区间线路,该线路并未纳人北京轨道交通近期建设规划范围,需要增
