海底隧道联络通道冻结法施工健康监测技术研究

许黎明， 陈晓坚， 彭正勇， 周建军

(1. 厦门轨道交通集团有限公司， 福建 厦门 361001； 2. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)

0 引言

人工地层冻结法是通过在地层中布置的冻结管内循环冷媒，使冷媒与地层发生热交换以吸收地层的热量，从而降低地层温度使土中水固结成冰，使得冻结管周围土体加固形成冻土帷幕，同时隔绝地下水的一种特殊的岩土施工方法。由于其安全可靠性高、适应范围广等特点，目前在北京、上海、广州、南京等地的地下城市轨道交通建设中得到较多的应用，在某些特殊环境下发挥了不可替代的作用[1-4]。厦门轨道交通2号线一期工程线路呈东西走向，西起海沧大道站，终点为五缘湾站，其中过海段区间隧道位于海沧大道站至东渡路站之间，全长2.7 km，中间设置的联络通道位于含水砂层中，施工中需要采取人工冻结法来加固砂层，以隔绝海水影响，保证海底隧道施工安全。

在海底进行冻结法施工时，需要考虑海底环境下含盐地层以及高水压环境对冻结法施工过程的影响[5]； 而且海底的不利环境条件以及冻结后的融沉可能对联络通道结构的长期使用产生危害，造成结构变形或者破坏，修复难度较大。与常规隧道间的联络通道冻结法施工工程相比，海底隧道联络通道不具备地面的监测条件，结构的变形及引起的上部地层的变化较难测试，当发现结构损害时一般都已处于变形较大阶段，从而导致损害较严重，直接影响海底隧道的安全。因此，需要在整个施工及运营阶段对海底隧道联络通道的健康状况进行监测及评估，掌握结构的基本状态，保证结构的安全。

结构健康监测是指针对工程自身结构采取的非损伤检测，包括对结构材料特性、结构几何特性以及结构边界条件体系的连续性等改变的监测，对保证结构的长期使用性能具有重要作用[6]。通过将能够采集海底隧道联络通道及隧道结构的变形、温度信息的传感器，根据需要布置到结构的相应位置，然后实时准确地收集传输各监测指标数据进行分析处理，最终通过预警系统对整个施工及运营过程中联络通道各结构部分的健康安全状态进行判断，保证海底隧道联络通道施工及运营的安全。同时，通过健康监测收集结构的变形及受力数据等基本信息，可为规范及设计理论的优化提供参考。

1 海底联络通道结构破坏机制

海底高水压会增加冻结法施工的难度，影响冻结帷幕的发展效果，而冻结帷幕的形成效果直接关系到施工安全及工程成败[10]。在冻结法施工期间和正常使用期间，结构的抬升和沉降会影响到结构内力的分布，特别是结构与隧道连接部位的应力过大，会造成结构开裂、混凝土破碎等破坏。

1.1 联络通道施工期间

联络通道施工期间的关键环节是通过冻结法在开挖范围的外部形成一定厚度的冻结壁来提供维护作用[11]。在开挖过程中，可能会出现冻结壁发育不好而导致漏水的现象，或者是冻结壁的变形过大导致临时支护结构失稳破坏； 另一个可能出现的破坏形式是冻结过程中产生过大的冻胀，从而导致临时支护承受过大的压力而发生失稳破坏。

对于防止冻结壁变形过大或者渗漏水造成的结构损坏，主要是通过控制形成的冻土帷幕的质量，其测试的参数包括冻土帷幕的厚度和平均温度，也可以直接测试冻土帷幕的变形来反映冻土在开挖过程中的稳定性； 对于防止临时支护结构受到过大的冻胀荷载作用而产生变形破坏，可以通过监测冻结法施工期间临时支护外部的荷载变化情况，从而判断开挖施工的安全性，也可以直接测试临时支护结构的变形，来评价支护结构的稳定性。

1.2 联络通道正常使用阶段

在联络通道结构施工完成后，即可停止冻结。冻土体的融化需要较长的时间，一般需要一二年[12]，而冻土融化导致的融沉或者由于其他外荷载的作用，会导致隧道与联络通道结构产生不均匀沉降，使联络通道结构发生破坏。联络通道结构与隧道结构之间均为刚性连接[13-14]，不均匀变形沉降也可能导致联络通道与隧道连接部位发生破坏，出现混凝土结构破碎等情况。

2 健康监测指标及监测方法

针对联络通道结构需要长时间健康监测的特点，要求传感器具有精度高、传输距离长、不带电等特点[15]，因此选用光纤光栅温补应变计以满足监测结构应变及温度的需要。光纤光栅温补应变计可以对结构体进行温度、应变耦合测量，测量精度相对较高。实际应用的温度测量范围为-50～150 ℃，精度为0.1 ℃；应变测量范围为-2 000～+2000 μm/m，精度为1 μm/m。

针对联络通道冻结法施工阶段及正常使用阶段2个不同时期，结构受到的外荷载是不同的，而且在外荷载作用下的受力变形差别较大，监测的内容和数据的精度要求差别较大。因此，针对不同阶段提出利用光纤光栅温补应变计作为传感器的监测技术。

2.1 联络通道的冻结法施工期间的监测

为了掌握积极冻结期联络通道的冻结效果，需要对冻结法施工过程进行实时监测。联络通道冻结法施工需要实时掌握土体的冻结效果、联络通道支护结构内力变化、冻胀对既有隧道结构的影响等安全状态，因此选取的健康监测指标为冻土帷幕的温度以及临时支护结构和隧道管片的变形与沉降。

2.1.1 土体冻结效果监测

提高众筹门槛，完善对于受捐人的审查机制。加强对项目的审查，只有项目通过审查后方可在平台公开筹款。平台应仔细审查受捐人的家庭情况、医保情况以及病情是否与筹款额度符合等。对于无资产或资产与市场行情不符者需给出理由并提供相应证据，平台可适当延长审核时间，保证信息的真实性。平台可将求助者个人的信用等级情况与众筹门槛相结合，与银行、房产、工商、公安、医疗、居委会等机构建立联合关系，搭建多部门信息核查平台，全面了解发起人自身的信誉状况以及项目本身的相关信息，从而保证项目的真实性。

通过钻孔把冻结管埋入地层将热量带走进行热交换的同时，通过测温孔进行地层温度实时监测，测温孔是感知冻结效果的重要手段。首先将光纤光栅传感器放置在冻结管指定位置，然后将冻结管打入地层设计位置，用于实时监测地层温度和冻结管的应变，形成专门的温度应变测量孔。为了测定不同深度土层位置的实时温度应变情况，在测温测应变的冻结管内纵向间隔约1.5 m处设置一个光纤光栅传感器。图1和图2示出布置测温点的传感器的具体孔位及深度布置情况，其中D1，D2，…，D56为冻结孔，C1，C2，…，C9为测温孔，X1和X2为泄压孔。在冻结积极发展阶段，通过预埋的传感器，可以在冻结帷幕形成过程中实时监测整个冻土发展区域不同位置冻土的温度变化、应变变化。

(a) 左线隧道断面

(b) 右线隧道断面

Fig. 1 Plans of layout of real-time monitoring for frozen soil curtain

(a) 左线隧道断面

(b) 右线隧道断面

图2冻土帷幕安全实时监测布置剖面图

Fig. 2 Profiles of layout of real-time monitoring for frozen soil curtain

2.1.2 临时支护结构内力变化监测

对联络通道支护结构的实时监测，是控制联络通道长期使用状态的重要环节。从冻结期间开始考虑冻土体发展引起冻胀等因素对联络通道支护结构本身可能产生的不利影响，选择联络通道纵向长度的2个断面，分别在拱顶、两侧中下部3个最不利位置的工字钢架埋设光纤光栅传感器。通过直接对联络通道临时支护结构的变形监控，对积极冻结期间冻胀对联络通道支护结构引起的风险进行有效监控。选择图3(a)中联络通道的2个横断面进行监测，断面上具体传感器位置见图3(b)。

(a) 平面布置图

(b) 横断面布置图

图3联络通道支护结构监测传感器布置图

Fig. 3 Layout of monitoring sensors for cross-passage supporting structure

2.1.3 冻胀对既有隧道结构的影响监测

冻结法施工期间，联络通道的冻结土体不仅对联络通道支护结构有直接作用，其对附近隧道管片的影响也需要实时掌握。冻结土体影响的隧道管片区域主要是以联络通道中心线为中心的圆形区域范围。考虑到隧道轨道的存在，只有隧道中上部的管片方便埋设传感器。选择每块管片的注浆孔或吊装孔位置(此位置为单个管片弯矩最大即最不利位置)固定表面式光纤光栅传感器，从而获得实时的管片结构应变情况。

通过上述方法，对联络通道冻结法施工过程中需要实时监测的冻土帷幕的温度以及临时支护结构和隧道管片的变形与沉降3个指标进行系统性地实时数据收集，及时掌握施工期间可能产生的风险。

2.2 联络通道正常使用期间的监测

考虑到形成的冻结帷幕与隧道管片、联络通道与盾构隧道之间均为刚性连接，施工完成后的联络通道结构主要受到地层压力、弹性抗力等外荷载作用，同时考虑联络通道连接的两侧隧道的相对位移和不均匀沉降对联络通道结构造成的损坏。因此，除了继续监测积极冻结期间的支护结构和隧道管片结构安全状况以外，联络通道位置的隧道结构的局部垂直位移、水平位移和隧道断面收敛变形也要作为健康监测的指标进行实时监测。

不同的监测内容，相应的监测方法也不一样。对于隧道联络通道位置的隧道结构的局部垂直位移监测，可以采用电水平尺等传感器测量方法；对于水平位移监测，可以采用基准线法； 而对于隧道断面结构的收敛变形监测，可采用断面收敛仪等接触式测量方法或者全站仪观测计算收敛变形的非接触式测量方法。

冻土完全融化后，联络通道的融沉变形基本稳定，后期的测试指标基本不变，只是监测的频率可以适当降低，不同阶段的健康监测指标见表1 。

表1 不同阶段健康监测指标表

3 健康监测及评价体系的建立

3.1 健康监测数据的传输及采集

在完成了传感器的布置后，需要将各个实时数据通道进行汇总集成到监测基站，建立健康监测和评价体系。监测基站应具备长时间全天候工作、实时采集健康监测数据的能力，同时还需要具备将数据进行进一步储存、传输的功能。因此，选用多通道光纤光栅解调仪，可同时监测多个传感器，适用于应变、温度、加速度等多种测量，可以满足实际监测系统要求。

通过监测传感器的现场布置和监测基站的收集处理，可以完成联络通道健康监测系统的建立工作。受到数据传输距离的限制，监测基站的位置相距不能太远，但要做到长期的健康监测，需要提供一个更加低成本、人性化的监控数据动态的方式，做到数据的远程传输。通过建立局域网，将监测基站的数据实时传输到监控中心计算机，即可形成一个可视化、人性化的健康实时监测系统，实现永久结构的远程实时监控，如图4所示。

图4 基于局域网的数据传输系统基本原理图

Fig. 4 Basic working principle of data transmission system based on local area network

3.2 监测系统的建立

传感器的数据监测、监测基站的收集传输以及远程实时监控构成了完整的监测系统，通过软件将得到的监测数据进一步转化为数字数据进行分析和储存，来评价联络通道的健康状态。按照规范要求，对混凝土变形及裂缝进行控制； 同时参照工程经验，确定联络通道从冻结法施工至正常使用过程中的变形阈值，并通过设置配置参数表的形式，将阈值在联络通道健康监测系统中予以设定。当实测的数据大于阈值时，监测系统显示的数据会根据不同情况变成黄色或者红色，以实现监测过程的自动预警和报警操作。

4 结论与建议

本文以厦门地铁2号线海底隧道联络通道冻结加固工程为依托，基于对联络通道结构破坏机制的分析，研究了冻结法施工阶段和正常使用阶段对联络通道结构的监测方法，获得主要结论如下。

1)海底隧道联络通道结构施工期间发生破坏的原因为冻结过程中冻土帷幕的低强度以及冻胀对结构产生的附加荷载，改变了临时支护结构的内力分布和结构变形；在结构的正常使用阶段，冻结帷幕的解冻以及地层的不均匀沉降，会使联络通道结构和隧道产生差异变形，从而导致结合部位产生变形或破坏。

2)联络通道冻结法施工阶段的主要监测内容包括冻土帷幕的温度以及临时支护结构和隧道管片的变形与沉降。

3)联络通道结构正常使用阶段的主要监测内容包括联络通道位置的隧道结构的局部垂直位移、水平位移和隧道断面收敛变形。

4)利用光纤光栅传感技术建立了联络通道自动健康监测体系，实现了无人自动监测和永久结构的远程实时监测，以满足长期监测的目的。

联络通道正常使用阶段的监测时间长，对于传感器在地下潮湿环境中的长期稳定性要求较高，因此可以进一步研究传感器的稳定性测试技术，选择潮湿环境下长期稳定性高的新型传感器，以满足长时间远程自动精确测试的技术要求；而正常使用阶段联络通道的受力和变形情况复杂，建议进一步开展联络通道的多参量综合测试技术研究，通过不同监测数据的对比，精确掌握联络通道的运行状态，对于保证联络通道的结构安全具有重要的意义。

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