水底大直径盾构隧道健康监测系统分析

王场

【摘 要】伴随改革开放的不断深入，我国经济发展速度不断加快。水下大直径盾构隧道建设规模的扩大，越来越多隧道工程在复杂环境中呈现出结构健康问题，大直径盾构隧道健康监测系统建立应与桥梁结构健康监测经验相结合，在充分发挥其作用的同时，有效提升水底大直径盾构隧道的质量与安全，推动我国隧道事业的可持续发展与创新。为此，本文主要通过具体工程案例，对结构健康监测的概况、水底大直径盾构隧道健康监测系统的应用进行了分析与探究。

【关键词】水底大直径盾构隧道 健康监测系统 工程案例 结构健康监测 纵断面稳定性 横断面计算

1结构健康监测的概况

结构健康监测是指通过现场无损传感技术的合理运用，对其结构系统特性进行分析，其包含结构响应等，并调查研究结构损伤位置、程度，以此对结构损伤、退化进行准确检测。实施结构健康监测的目的就是为了进行实时监测系统的建立，以此为管理人员实时监测重大结构损伤提供便利，并对结构性能变化与剩余年限做出预测及提供科学有效的养护策略。

2工程案例

某水底大直径盾构隧道工程全长5853米，属于“左汊盾构隧道选取复合式泥水盾构机2台施工，其直径为14.93米，2895米为盾构段隧道总长度，14.5米为其外径，13.3米为内径，—51米为隧道最深位置。该工程施工地层主要以第四系全新统冲积层，粉质粘土、淤泥质粉质粘土等为其主要岩性。砂卵石透水性地层为隧道主要穿越区域，具有丰富的地下水及过大的水压力，60米为江中段隧道顶部和长江最高水位之间的差距。

3水底大直径盾构隧道健康监测系统的应用

3.1隧道结构纵断面稳定性分析

在运营过程中为对盾构隧道的受力情况进行准确有效地反映，对综合研究盾构隧道所在地质、地形条件、埋设深度、水压变化等，并根据对称性原则进行该工程研究，其关键部位应包括：盾构始发、大堤、变坡等，以此获取盾构隧道结构最大受力部位，为隧道结构健康监测纵向断面布设提供可靠保证。

选取三维有限元研究，将具体土层情况作为前提条件，对地质、地层与水压影响隧道结构安全性进行模拟。按照具体地质情况、土层计算参数，对基本假设进行计算，具体内容如下：

第一，选取摩尔—库伦准则计算；

第二，当具有较长纵向长度，管片混凝土衬砌可选取板单元模拟。根据弹性材料计算，需对刚度折减情况进行充分考虑，0.8为折减系数。

第三，在弹塑性范围内控制地层、材料应力应变。

第四，对地下水荷载作用充分考虑。

3.2模型与边界条件计算

按照隧道纵向对称性与模型规模等，选取1900米作为模型纵向长度，横向选取隧道左右2侧长度为53.05米，50米为纵向隧道底部选取长度，82到112米为模型高度。模型可进行194326个单元划分，节点数量为30686个。

3.3横断面计算结果

完成隧道工程后在隧道正上方部位极易出现地层变形情况，同时，相比水域地层沉降，陆域沉降较大并具有广阔的分布范围。与地层、管片结果纵向变形规律充分结合与研究，如变坡（X）为5160毫米时，横断面管片外侧计算结果如表1所示，其结论如下：

第一，管片顶部与底部的管片外侧压应力值较大，拱顶可产生2.25MPa最大压应力。相比拱顶、隧道受力情况，隧道衬砌环左右侧受力呈相反趋势，在衬砌环右侧可产生0.75Mpa最大拉应力。

第二，压应力同时存在于管片拱顶、隧底内侧，隧底将产生0.51Pma最大压应力。相比衬砌外侧应力，其内侧2侧应力呈现相反趋势，一般在衬砌右侧出现3.52Mpa最大压应力。

序号

测点位置

外侧最小应力值（kpa）

外侧最大应力值（kpa）

内侧最小应力值（kpa）

内侧最大应力值（kpa）

1

0°

-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 横断面最大、最小应力值

3.4确定监测断面

因隧道具有较长的线路及较大的洞径，需从不同地层穿越，进而增加了施工难度。隧道施工中需在结构、地层内埋设大量仪器，以此监测施工环节变形、位移、应力与水压，实现信息化作业。隧道通车使用阶段通过以上仪器与设备可实时监控隧道结构变形、受力情况，确保隧道运行的安全性。

据分析，本工程隧道健康监测方案，要求左右线需分别进行5到8个断面布设。其中5个分别为盾构始发位置、2个变坡点、江中心与大堤位置，除此之外，与双线隧道施工先后特点相结合，施工隧道可进行3个断面的增设，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（变坡）LK5+400

RK5+160（变坡） RK5+800

K6+050～k6+614

LK6+600（进洞）

LK6+300（大堤）

合计

5个

3个

表2 纵向监测断面里程表

3.5健康监测内容与监测数据采集

管片接缝张开度、隧道外侧水压力、轴向力、弯矩等为健康监测的主要内容，柔性土压力计、光纤光栅钢筋应变传感器等为监测材料与设备。本文主要分析该工程隧道左右线第一个监测断面相关数据，根据结构健康监测系统大量监测数据采集情况，并与使用期间环境因素相结合，得出各监测断面结构健康情况如下。土、水压力监测值在监测期间因汛期控制因素影响，将产生上升现象，并逐步呈现稳定状态。管片纵向、环向变形与受力情况因汛期控制，将增加管片压力，并增加管片结构及出现变形情况，但外界压力却始终在控制值以下，同时需在理论值范围内对位移、应变情况进行有效控制，结构响应也需控制在安全范畴内。

3.6盾构隧道安全评估

（1） 工况计算。因多方面因素对结构横断面受力规律的影响，在软土层内为对隧道受力与变形规律进行准确半段，需进行5处断面的选取与分析，如陆上覆土最小位置、覆土最大位置等，其断面特征计算如表3所示。

工况

里程

特征

埋深m

水深m

计算模式

工况1

K3+600

陆上覆土最小处

6.9

/

水土合算

工况2

K3+762

防洪大堤

18.0

/

水土合算

工况3

K5+100

江中冲刷最大处

18.5

31.5

水土分算

工况4

K5+350

江中覆土最小处

15.1

33.7

水土分算

工况5

K6+190

覆土最大处

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 工况断面特征计算

（2）参数计算与荷载计算。14.5米为盾构隧道管片外径长度，13.3米为其内径长度，6.95米为衬砌管片环中心半径长度，600毫米为管片厚度，10片为衬砌各环管片数量，2米为管片宽度，C60为混凝土等级。

管片在梁弹簧计算模型中可看做简单的直梁单元计算，管片间与管片环间螺栓的具体效应模拟以旋转弹簧与剪切弹簧为主，模拟地基弹簧单元时可选取地层、管片间的互相作用。

根据国内外盾构隧道设计要求，确定管片接头弹簧参数，在此过程中续对螺栓特点选取经验值进行充分考虑。每环分10块管片，前后相近环管片纵向M30需4个螺栓连接，总数为42个。每环的10片管片连接可选取M36规格（3个），总数为30个。选取M36规格的环向螺栓；选取M30规格的纵向螺栓。地质条件不同，其选取的螺栓机械性能等级也不尽相同，一般环向螺栓选取6.8级机械性能，纵向螺栓选取8.8级机械性能。

3.7健康监测系统软件实现

工控机（1台）与其运行的相应软件为该工程隧道健康监测系统的仪器集成和预警报警子系统。其利用网络接口可由MOI光纤量解调仪（6台）进行光纤传感器监测数据（738个）的获取，利用工控机Access数据库接口进行振弦式渗压计、土压计监测数据（120个）的获取，其监测的物理量共有858个，针对收集的监测数据，子系统可进行解算、显示，根据相应格式进行数据库存写，并按照给定预警报警值进行声光报警。

4结语

综上所述，随着社会经济发展速度的不断提升，公路建设已无法满足交通运输需求量，通过扩大隧道工程建设，可有效扩大通行能力、减缓交通压力。水底大直径盾构隧道健康监测系统的建立与完善，对隧道工程建设安全性提高具有至关重要的作用。本文通过工程案例分析，对其健康监测系统各项内容进行了分析，并做出了相应的措施，以期有效提升盾构隧道工程建设质量、延长使用寿命。

参考文献：

[1]张成平，张顶立，王梦恕，刘胜春.城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机理及其控制[A]. 第2届全国工程安全与防护学术会议论文集（上册）[C]，2010.

[2]王如路，蔡轶曼，刘建航.上海市轨道交通4号线盾构隧道穿越地铁运营线路的监护工程[J].地下工程与隧道，2004（03）.