临海富水软土地区综合管廊结构健康监测系统设计

张忠宇，黄 俊，陈喜坤，唐心煜

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

临海富水软土地区综合管廊结构健康监测系统设计

张忠宇，黄 俊，陈喜坤，唐心煜

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

连云港大部分综合管廊处于富水软土地区，运营中面临着较大的病害风险。以徐圩新区综合管廊（一期）结构健康监测系统设计为例，研究了富水软土地区综合管廊结构健康监测系统设计关键技术问题。明确了监测应以不均匀沉降、接缝张开、断面扭转作为重点监测项目；确立了重点关注穿河节点、穿路节点、断面变化处和管廊节点处为重点监测断面；建立了FBG光纤传感系统架构，并提出了以三级预警为基础的结构监测报警预警值及其控制指标。

富水软土；综合管廊；健康监测；光纤光栅；结构评估；病害

0 引言

结构健康监测系统是通过在结构易发病害位置埋设不同类型的传感器，采集到结构应变、应力、位移等指标后通过传输系统反馈到数据处理服务器，并采用数据评估软件实时分析评估，从而判断结构安全状况，对结构的病害预防和管理具有指导意义[1]。

20世纪90年代以来，结构健康监测系统逐渐受到学术界和工程界的关注[2]。在土木工程领域，最早采用结构健康监测系统的是大型桥梁[3]，取得较好效果之后逐渐推广至建筑物、构筑物与隧道等。目前已经在一些大型隧道中得到了具体应用[4]，见表1。

近些年，综合管廊的建设如火如荼，国家、地方相继出台了大量政策支持综合管廊的建设。江苏省十三五期间规划开工建设城市地下综合管廊300 km以上。

据了解，目前江苏地区建设的大部分综合管廊均处于新城区，而大部分新城区处于富水软土环境中。这种地质具有蠕变特性[5]，一般表现为流塑状态，压缩性高、土质差[6]，对综合管廊后期沉降和结构变形会造成较大影响，如图1所示。

表1 健康监测系统应用案例

富水软土环境中，综合管廊在长期的自然环境和使用环境双重作用下出现渗水、结构不均匀变形、裂缝、腐蚀等病害的风险较一般环境更高[7]，这给结构的正常使用带来较大威胁，甚至造成安全事故[8]。因此，采用结构健康监测系统实时了解结构病害发展程度和发展过程，对于评估结构使用功能、制定维修养护对策、避免重大安全事故等具有重要意义。本文以连云港徐圩新区综合管廊为依托开展了结构健康监测系统设计，该项目场区内基本为淤泥质软土，且距黄海较近，工程风险较大，开展结构健康监测设计十分必要。

图1 江苏省内软土分布情况

1 工程概况及问题的提出

1.1 概述

连云港市徐圩新区地下综合管廊项目位于徐圩新区节能环保科技园，属省级综合管廊试点项目，采用“三纵三横”管廊布局，总长24.8 km，一期拟实施16 km，包括徐圩新区江苏大道、环保二路、西安路、方洋路四条园区道路地下综合管廊以及为上述道路综合管廊配套的控制中心，如图2所示。

图2 综合管廊平面布置图

本项目容纳管线较大，属大断面综合管廊。其中，江苏大道综合管廊采用三舱、四舱断面，断面宽10.40～15.35 m；西安综合管廊采用双舱断面，断面宽13.80～14.90 m。各管廊断面尺寸见表2。

表2 管廊断面尺寸

1.2 工程地质及水文地质

场区地处沿海，地基承载力差，属海积平原区[9]。本工程沿线地段地层主要由第四系的素填土、黏性土、粉（砂）土构成，管廊下穿位置存在大量淤泥层，主要特性为灰黑色、流塑状，属全新世海积物，厚2～10 m。含水量80%，属高压缩性土，为不良工程地质层。此软土地质环境下，建成的管廊面临着不均匀沉降、易腐蚀等问题。

此外，场区内还有大量盐田地带，近海淤泥层厚度愈大，顶板埋深愈浅，工程地质条件愈差。该地段以四层结构为特点。淤泥层厚度13～15 m，局部厚达20 m；顶板埋深1～2 m。淤泥层底部分布黏土或粉、细砂层。此地带有浅层地下水，具有结晶性侵蚀作用，如图3所示。

图3 场区内典型地质断面图（单位：m）

1.3 周边环境

如图4所示，场址周边开阔空旷，基本无建（构）筑物。但场址范围内河道较多，主要有张圩港河、方洋河、纳潮河、中心河等，综合管廊与河道、道路的主要交叉节点情况如下：

（1）江苏大道综合管廊下穿河道节点3处、道路节点19处、铁路节点1处。

（2）西安路综合管廊下穿河道节点2处、道路节点4处。

（3）环保二路综合管廊下穿河道节点1处、道路节点1处。

（4）方洋路综合管廊下穿道路节点7处。

图4 周边环境

1.4 主要工程风险

本工程面临的主要工程风险为：

（1）深厚淤泥层中，线状综合管廊结构的纵向不均匀沉降。

（2）临近道路，大断面综合管廊结构的横向不均匀沉降。

（3）近海富水软土，结构防水失效、结构开裂等导致的耐久性问题。

（4）下穿河流、道路、铁路节点处，结构断面变化处，结构的差异沉降。

（5）新城区综合管廊周边新建项目实施引起的地层位移及结构损伤。

2 结构健康监测系统设计

2.1 设计内容

结构健康监测系统设计的主要内容包括监测项目、监测断面和测点布设、系统架构、预警及报警。

2.2 监测项目的选取

2.2.1 监测项目重要性分级

本项目位于富水软土地区，存在多种结构病害种类，同时结构健康监测系统又属传感器投入较多的保障系统，从兼顾结构安全与经济性角度出发，重点考虑监测项目超过警戒值对结构危害大、发生概率高，且发生后需及时处理的监测项目。

分析本工程可能存在的结构病害情况，根据结构病害的危害程度、发生概率及紧急程度等不同，分成 A、B、C 三级，见表 3。

表3 本项目监测项目分析

经分析，认为结构渗漏水通常因结构变形、结构裂缝产生，属于间接病害；结构轴向变形可通过结构不均匀沉降及接缝张开度等间接获取。因此，本次监测选取不均匀沉降、接缝张开度、断面扭转三个指标进行实时监测。同时，结构健康监测系统预留部分接口，后期必要时可增设相关测点。

2.3 监测断面和测点布设

2.3.1 结构病害的发生规律

（1）不均匀沉降。建设范围内软塑淤泥层对徐圩新区综合管廊的影响较大，结构不均匀沉降的风险较大，这种结构变形可直接导致管廊伸缩缝错台、密封垫失效，从而发生渗漏水、内部设备腐蚀等一系列后果。

（2）接缝变形。伸缩缝是地下结构为适应荷载变化、地基沉降、混凝土收缩与徐变等引起变形而采取的措施。伸缩缝过度张开或挤压将损坏接缝处止水带，进而导致结构渗漏水，甚至导致混凝土结构碎裂（挤压）。

（3）断面扭转。徐圩新区综合管廊断面有2、3、4舱，横向宽度6.55～15.53 m，综合管廊单侧沉降或加固不均等因素均会导致管廊发生横向扭转病害，从而导致管廊内设备发生损坏。

2.3.2 全线监测内容

由于本项目综合管廊规模较大，达16 km，监测断面的选择与测点的布置在很大程度上决定了结构健康监测系统的成本。本次设计充分考虑结构病害发生的规律，从功能性与经济性的角度出发，采用总体监测与局部重点监测的组合方式。既能够满足对整个工程的全覆盖，也能够满足重点区域具有足够的数据。

全线监测以全部工程主体为对象，采用准分布式方式布置断面，监测的主要内容为不均匀沉降。全线监测以交叉节点（穿越河流、穿越道路）、地质条件变化处、结构断面变化处为主要监测断面。江苏大道综合管廊的全线监测断面见表4，该综合管廊与道路、铁路、河道交叉节点较多，全线共布置85个断面。

表4 全线监测断面布置

2.3.3 局部重点监测内容

作为全线监测的补充，在部分已布设差异沉降测点的断面上增设其他监测项目，如综合管廊下穿河道最低点，下穿主干道处、结构断面突变处，上覆荷载突变处等位置。增设的监测内容为伸缩缝张开量、断面扭转。江苏大道综合管廊局部重点监测断面见表5。

表5 重点监测断面

不均匀沉降（差异沉降）监测通过布设位移计实现。传感器布置于综合管廊接缝处，每个接缝处布设两个位移计（横向和斜向）。

伸缩缝张开量与断面扭转监测通过布设位移计、高差计实现。为了准确反映结构变形特征，用于不均匀沉降的位移计布设于侧墙中部；用于接缝张开量的位移计布设于顶板中部；高差计布设在管廊两侧侧墙，中墙处预留连通空孔洞。不同断面的位移计、高差计等传感器布设如图5所示。

2.4 系统架构

2.4.1 传感器选型

目前，健康监测系统采用的传感器类型主要为钢弦式、电阻式、光纤光栅式，各类型传感器的特点见表6。由于钢弦式传感器温度补偿误差较大，需要人工修正；电阻式传感器信号传输距离存在限制，因此本工程采用潮湿环境下耐久性良好、传输距离长的FBG传感器。

2.4.2 系统组成

结构健康监测系统由监测数据采集子系统、结构健康评估子系统、结构健康数据管理子系统组成，如图6所示。

图5 测点横断面布设

表6 各种传感器特性

整个系统基于GIS平台和分布式数据库管理系统，结合互联网技术，建立一个三层C/S和B/S混合结构的结构健康监测及安全监控预警系统。

2.5 结构评估及预警

系统的预警报警流程如图7所示。

图6 系统总体架构

图7 预警报警流程

根据需要，结构的危险状态进行三级预警，1级黄色预警代表结构已明显表现出趋向危险状态的趋势，2级橙色预警代表结构已接近危险状态，3级红色预警代表结构已达到危险状态。

1级为“黄色区”，达到该区域时，监测系统全部进入工作状态，仪器监测改为实时连续监测，为进一步分析预处理系统提供原始资料。“黄色区”的阈值为报警控制值的1/2。

2级为“橙色区”，监测指标中部分达到这一水平后，系统自动在操作平台上显示报警，提示报警铃声，进入该状态后，除启动所有监测、监控系统开展实时不间断工作外，将启动评估软件进行数据实时评估分析，同时启动结构损伤评估分析系统，并将提出评估分析系统的结论提交综合管廊管理者进行管养决策。“橙色区”的阈值为报警控制值的2/3。

3级为“红色区”，当部分测点数值超过该区域设定值后，整个健康监测及数字化管养系统全面、连续地开展工作，损伤评估软件进行连续的、多次快速的评估分析，并应用综合健康状况评估系统对结构整体状况做出综合评价，同时迅速根据各种计算分析结论，会同专家现场检查，经会议讨论决定是否对结构进行修复调整、加固等措施。“红色区”的阈值为测点达到规范设计值。

报警控制值的确定主要参考综合管廊变形设计值以及相关规范，见表7。

表7 健康监测系统报警控制值

系统中三级区域的阈值将在营运一段时间后结合系统长时间实测数据分析以及结构数值模型计算分析结果，做出适合于综合管廊状况变化和发展趋势的调整，更新系统设置的阈值和评估指标体系的专家打分权值。

3 结语

（1）近年来，我国城市综合管廊建设进入高峰期，大量的综合管廊建设于新城区范围。其中部分省份如江苏省，存在大量建设于富水软土地区的综合管廊。限于地质及周边环境条件，此类综合管廊极易发生各类结构病害，布设结构健康监测系统十分必要。

（2）综合管廊断面宽度在10 m上下，但长度往往达数千米，为典型线状结构物，建设在富水软土地区，最为突出的结构病害为不均匀沉降、接缝张开、断面扭转等，在结构健康监测设计中应该给予重点关注。

（3）由于综合管廊建设里程较长，断面布设上需结合综合管廊特点，兼顾经济性进行结构健康监测系统设计，采用全线监测配合具备重点监测思路为宜。

[1]汪波,何川,吴德兴.隧道结构健康监测系统理念及其技术应用[J].铁道工程学报,2012(1):67-72.

[2]郑浩龙.公路软岩隧道健康监测标识系统研究[D].成都：西南交通大学,2014.

[3]秦权.桥梁结构的健康监测[J].中国公路学报,2000,13(2):37-42.

[4]黄俊.水底大直径盾构隧道健康监测系统研究与应用[D].北京：北京交通大学,2013.

[5]缪林昌,张军辉,陈艺南.江苏海相软土压缩特性试验研究[J].岩土工程学报,2007,29(11):1711-1714.

[6]缪林昌,经绯.江苏海相灵敏性软土特征研究[J].岩土力学,2006,27(8):1283-1286.

[7]褚平进.软土盾构隧道运营初期服役病害及纵向沉降变形分析[J].建筑工程技术与设计,2015(11):771.

[8]周亮.城市地下综合管廊安全监测系统建设关键技术研究[J].现代测绘,2016,39(6):39-41.

[9]陈艺南,潘华良,刘松玉,等.连云港软土工程特性初探 [J].路基工程,2002(6):1-5.

TU99

B

1009-7716（2017）12-0208-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.057

2017-08-17

江苏省建设系统科技项目（2015ZD08）

张忠宇（1983-），男，山东济宁人，工程师，主要从事隧道及地下工程设计、研发工作。