高水压大直径越江电力管廊隧道结构健康监测方案探讨

2021-02-03黄常元刘学增陈松涛樊思成龚彦峰王振宇

电力勘测设计 2021年1期

黄常元，刘学增，陈松涛，樊思成，龚彦峰，谢俊，王振宇

(1. 国家电网有限公司，北京 100031；2. 同济大学，上海地下基础设施安全检测与养护装备工程技术研究中心，上海 200092；3. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；4. 上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092；5. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；6. 水下隧道技术湖北省工程实验室，湖北武汉 430063)

0 引言

盾构隧道逐渐成为交通或电力工程跨海越江的优选方案之一，但是受地形与地质环境的影响，这类水下隧道结构受力较为不利，运营期不仅要承受长期的高水压侵蚀，还因频繁穿越淤泥质软弱土层或海底风化槽等软硬不均地层，导致沉降特别是差异沉降显著，由此带来的接缝张开、错台、开裂、渗漏水等病害问题突出，严重威胁运营安全与服役性能。针对这类高水压、大直径的水下盾构隧道，有必要开展健康监测，及时监控结构受力状态，动态评估结构安全，为运营养护提供必要的数据支撑。

围绕武汉长江隧道、南京长江隧道、上海长江隧道等代表性盾构隧道结构健康监测，国内外学者已开展不少研究与实践工作，何川、封坤、方勇[1]总结了现有盾构隧道建设技术，分析了各类病害对未来隧道运营的安全影响；林楠、谢雄耀和黄宏伟等[2-3]通过数值模型研究了管片损伤特点，分析了结构病害发展机理，开展了健康监测系统研究；黄俊[4]通过对隧道的力学计算以及数值模拟，确定了南京纬七路、扬子江过江通道的健康监测重点内容以及相应的评价标准和体系。刘胜春、张顶立、傅道兴等[5-6]结合传感监测技术及无损检测技术获得南京长江隧道运营期结构变形受力数据，设计了系统的功能模块，建立了从安全性、耐久性、实用性三方面综合考虑的隧道安全评估方法。舒恒等[7]针对南京纬三路过江隧道开展了详细的健康监测设计研究，介绍了系统的组成以及各个系统的功能；李晓军等[8]通过分析多条隧道的健康监测系统，提出了健康监测系统在监测内容、位置选取、数据集成等方面的注意事项以及不足之处。何晓等[9]开展了上海大连路隧道监测系统设计工作，介绍了一体化激光断面收敛、三向测缝计、大坡度长距离纵向沉降监测等新技术的运用。陈卫忠、李长俊等[10]基于模糊综合评价方法提出了适用于南京扬子江隧道的结构健康监测评价和预警方法。吴世明、王湛等[11]对杭州庆春路大直径过江隧道进行了长期健康监测，分析了潮水作用对隧道横截面受力、隧道变形的影响。

总览上述研究工作与工程实践，设计一套合理可行的水下盾构隧道健康监测方案，其核心是解决“测什么、测哪里、怎么测”的问题，同时还应兼顾监测数据实时采集、动态评价、系统稳定和易维护等问题。工程地质条件和建设方案的不同，结构健康监测方案也会有较大不同。针对苏通GIL综合管廊工程，本文在分析隧址地质条件、结构设计方案的基础上，开展了典型断面管片外部荷载及力学性能的计算分析工作，为监测项目、监测断面、测点布设及仪器参数的选择提供数据支撑；继而探讨了监测系统的集成、故障诊断、数据管理应用等环节技术要点，设计了一套适用于苏通GIL综合管廊越江隧道结构的健康监测方案，以指导隧道结构健康监测工作的实施。

1 隧道结构健康监测设计方案

1.1 工程概况

苏通GIL综合管廊采用盾构方案越江，是目前世界上电压等级最高)1 000 kV)、输送容量最大、技术水平最强的超长距离GIL创新工程。隧道全长5 468.5 m，外径11.6 m，管片厚0.55 m，环宽2 m，混凝土等级为C60，主筋为HRB400级钢筋。采用“7+1”分块模式错缝拼装，接头为斜螺栓，机械性能10.9级。结构承载与防水性能、运维安全要求，均处于行业之最。

1.2 监测断面选取

由岸边至江中深槽区段，隧道依次穿越淤泥质软土层、粉质粘土层、粉土、粉细砂、细砂等软弱土层，沿线地层软弱不均、覆土厚度差异大，纵坡坡度大且频繁变坡)最大坡度达5%)，导致隧道外部荷载变化较大。图1为理论计算得到的全线拱部水土压力分布情况，南岸水土压力曲线起伏波动比较大、变化较为频繁，最小值约为0.3 MPa；江中深槽段水土压力最高，约为1.0 MPa，最大水压达0.8 MPa，且河床冲刷、淤积作用将引起江中约4.4 m填土高差，在高水压和潮汐冲淤影响下，隧道结构承受不同程度的加卸载循环效应，受力体系复杂且极为不利；而北岸水土压力起伏不大，为0.6～0.8 MPa。

图1 水土压力计算分布

经验与理论分析表明，超浅埋、超高水压、覆土变化明显、冲淤剧烈、线型变化及淤泥质软黏土、粉土等典型土层区段，结构运营期变形较大、病害频发，是长期监测的重点部位。基于此，设计布设13个监测断面，其中，南岸地层分布不均匀，水土压力起伏波动大，洞口覆土厚度最小，且穿越液化土层，布设监测断面1～4；江中深槽水土压力最大，且线型变化较大，布置断面5～9；北岸地层分布较为均匀，水土压力起伏相对较小，因此布置的间隔较为稀疏，但出洞位置有液化土层，布设断面10～13，监测断面的里程、埋深、坡度等信息见表1。

考虑全线以软土和砂土为主，软硬互层、埋深、纵坡变化频繁，盾构施工扰动引起的固结沉降特别是差异沉降显著，同时存在局部区段砂土液化的问题，建议全线实施纵向沉降监测。

1.3 监测项目确定

监测项目应反映结构的受力变形状态和材料损伤程度，结合地质特性、设计参数、施工方法和经济成本等条件，本工程结构健康监测项目包括水土压力、钢筋应力、接缝张开、螺栓轴力和纵向沉降。

钢筋应力间接反映了隧道管片的内力水平，通过监测钢筋应力，可以掌握隧道关键部位的应力状态，结合水土压力监测，可为评估管片的力学性能和损伤程度提供数据支持。接头部位是盾构隧道结构承载及防水的最薄弱环节，通过监测螺栓轴力和接缝张开量，可直接反映隧道结构的防水性能和隧道断面变形情况。

表1 监测断面信息

1.4 测点布设与仪器选型

健康监测关注的是代表性断面、关键部位，重点是结构应力和螺栓轴力水平高、接缝张开量较大的部位。通过荷载—结构法建立考虑斜螺栓连接的三维错缝拼装计算模型，如图2所示，分析外荷载影响下结构的变形过程、应力分布及发展规律，从而确定水土压力、钢筋应力、接缝张开和螺栓轴力的布设位置以及监测设备的量程和精度要求。详细的计算分析过程参照文献[13-14]。

图2 错缝拼装管片精细化模型

1.4.1 典型断面结构受力性能

图3为不同土层结构在极限状态下的钢筋应力、螺栓轴力、接缝张开的最大值，钢筋应力较大值出现在隧道顶底和左右拱腰处，基本符合相关工程经验和文献报道[11]。螺栓应力的分布规律性不明显，不同土层螺栓轴力差异大，且上半环位置管片块中间位置螺栓受力水平更高(每块3根连接螺栓)，下半环相反。拱顶处的接缝张开量最大。

由此确定测点布设方案：①钢筋应力以90°为分界点，每断面在顶底、左右腰布设4个测点，内外成对布置；②水土压力测点与钢筋应力一致，以相互验证；③环向螺栓每断面布设6～8个测点，上半环监测应力水平更高的中间一根螺栓，下半环相反；④纵向螺栓与钢筋应力测点基本一致，关注环间错位的发展；⑤受下半环现浇层的影响，接缝张开测点仅布设在上半环，纵缝4个测点，环缝3个测点，如图4所示。

纵向沉降按20～50 m间距布设测点，软硬不均、埋深变化、坡度变化区段取20 m，砂性土、均匀土层等取大值。

图3 隧道力学性能分析

图4 监测仪器测点位置

1.4.2 仪器选型与优化措施

1)水土压力。为确保数据可靠度，选用接触面积更大的柔性土压力监测水土压力。图1显示，江中深槽段水土压力值介于600～1 000 kPa，南北两岸水土压力值300～600 kPa，仪器量程分别选1 500和1 000 kPa，精度1.5%FS。

针对柔性土压力计，设计了相应的防水装置。该装置由预埋盖板、C形防水模板、盖板框、定位螺杆、C形橡胶密封垫、橡胶止水条、环氧树脂涂层组成，如图5所示。通过C形防水模板和橡胶密封垫形成闭合防水密封系统，可以有效解决管片安装水土压力监测设备时面临的防水隐患，降低了安装难度。

图5 柔压计防水装置

2)钢筋应力。钢筋应力采用钢筋计监测。钢筋屈服强度为400 MPa，模拟计算结果最大为235 MPa，考虑钢筋计工艺水平，钢筋计量程取为±200 MPa，精度为0.5%FS。

3)螺栓轴力。螺栓轴力计有垫圈式、薄膜式、开孔刻槽式等几种类型，如图6所示。开孔埋入微型应变计，加工工艺要求高，且会损坏螺栓的完整性，通过对比，本工程采用垫圈型的电阻式应变轴力计，螺栓轴力计直接嵌套在加长螺栓的杆端即可，操作简便，如图7所示。根据力学计算结果，螺栓轴力计量程选取为0～550 kN，精度为1.0%FS。

图6 螺栓轴力计

图7 螺栓轴力计布置示意图

4)接缝张开。通过测缝计监测接缝张开量，量程为12.5 mm，精度为0.1%FS，为降低渗水隐患，经实测，选用直径8 mm、长3 cm的膨胀螺栓固定。

5)纵向沉降。对于沉降，自动化监测一般采用静力水准仪，但常规仪器量程100～500 mm，而本工程纵坡坡度最大5%，即每百米高差5 m，远超上述量程。为此，本工程选用压差式静力水准仪，同时通过变高安装(充分利用巡视通道侧墙高度)的方案，将百米高差降低为3.2 m，选用3.5 m量程的仪器，精度要求不低于0.1%FS，分辨率不大于0.01%FS，局部布置如图8所示。坡度最大区段每3～5个测点中转一次，后期应结合人工复核修正中转产生的误差。

图8 南岸基准点段沉降测点布设图

此外，尽管苏通GIL综合管廊输送电压高达1000 kV，但前期电磁兼容性方面的研究成果表明，采用GIL技术后，距离管壁0.2 m外的磁场强度很小，可不考虑其影响，选用工作性能更加稳定的振弦式仪器即可满足要求，监测仪器信息统计见表2。

表2 监测设备技术性能

2 自动化监测系统

管廊投入运营后，人工巡视频率较低，宜组建自动化监测系统，分软、硬件两部分，硬件由前端监测设备和数据采集设备组成，软件为结构健康监测管理平台。

2.1 数据采集和传输

遵循就近原则，在每个监测断面位置设置独立的光纤与供电接入点，采集仪输出的串口信号经过配套光端机转换为光信号后，接入光纤环网，传送至南、北引接站服务器，见图9。

施工期隧道环境恶劣，电力和网络供应不稳定，数据采集依靠人工完成。隧道运营初期外部荷载和环境变化较大，监测数据较为关键，宜采用较高的监测频率；运营5 a以后，可认为隧道进入稳定运营期，监测频率可适当降低。出现灾害、数据异常或临近预警状态时应提高监测频率，苏通GIL管廊隧道监测频率见表3。

图9 隧道健康监测数据传输

表3 隧道沉降、受力及变形监测频率

2.2 基于健康监测平台的数据管理

隧道结构健康监测管理平台以地质体和管片结构为索引，集成地质、设计参数、掘进拼装信息、施工及健康监测数据、巡查病害等，综合监测检测多源数据，自动评价结构健康状态，并为病因溯源、处治决策提供数据支持，功能架构和首页展示如图10和图11所示。

图10 苏通GIL综合管廊工程隧道结构健康监测管理平台功能架构

2.3 健康状态评价体系

结合结构力学性能分析、材料强度特性、规范规定及工程经验，建立“单点—区段—总体”的多层次评价体系，单点健康状态依赖于单一指标评价，区段与总体通过打分法或模糊综合理论评价，如图12所示，建议健康状态评估分4步走：

1)动态分析监测断面的水土压力、钢筋应力、螺栓轴力和接缝张开等，进行单一指标的评价与分级，超限时及时预警，加强巡查或监测；

2)针对经常、定期或者专项检查获取的病害数据，进行单点病害的单一指标评价，指导单点病害的处治即小修保养决策；

3)综合定期检测或专项检查得到的衬砌裂损、渗漏水、劣化及监测数据，利用模糊综合评价法或打分法对各个区段的健康状态进行评价，判定是否进行大、中修；

4)基于打分法、概率统计及“一票否决”(重点指衬砌裂损、渗漏水等指标超限的情况)，由各个区段的健康状态汇总、评价整体结构的安全状态，指导全线的大、中修决策及巡检频率。

图12 监测系统安全评估体系

2.4 故障诊断

健康监测系统稳定运行是实现结构安全评估的前提条件，除加强软件维护性能外，建立监测硬件系统的故障自检体系也是必要的。

故障自检主要包括仪器设备、通信和供电三方面，逻辑层次为供电＞网络＞仪器设备，见图13。自检功能的语言逻辑为：①首先判断供电完好情况，通过布置继电器实现供电状况监测；②其次检查网络通畅情况，通过“ping”定期返回监测系统中交换机、采集仪等设备IP地址，检查网络通畅性；③最后查看监测设备)采集仪、传感器)通道信号是否正常，判断仪器性能。

图13 监测系统故障自检

2.5 监测数据分析

上述方案指导了苏通GIL综合管廊隧道结构的健康监测实施工作，截止目前13个断面的钢筋应力计、螺栓轴力计、测缝计已安装完成。以江中深槽段、里程DK1+630监测断面为例，图14为该断面的钢筋计实测值变化曲线，数据稳定后的监测断面钢筋应力见图15。钢筋计实测值衰减较快，然后趋于稳定。隧道拱顶内侧受压最大为85.13 MPa，右腰外侧略小于拱顶压力。