甬舟铁路金塘海底隧道结构健康监测方案研究

2021-10-11唐雄俊毛优达

铁道标准设计 2021年10期

唐雄俊，毛优达，孙州

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063；3.舟山市甬舟铁路建设指挥部，浙江舟山 316099；4.上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092；5.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)

引言

随着隧道投入运营年限的不断增长，在外部与内部条件变化的多重因素影响下，隧道结构易产生渗漏水、劣损、变形沉降等各种病害[1-3]，从而威胁隧道的运营安全。近年来，国内外学者针对隧道结构开展了大量研究，认为健康监测系统能有效地对结构病害进行监测，通过实时监测数据可及时预警，并对结构状态进行安全评价[4-7]。

张俊儒等[8]针对监测技术单一、监测系统集成化、自动化程度低、系统缺乏整体性等问题，提出一种“隧道健康监测与智能信息管理评估系统”的构想；杨建平等[9]根据武汉长江隧道布设的健康监测系统，分析了环境温度、长江水位和时间对管片应变、纵向接缝和环向接缝张开度变化的影响规律；陈卫忠等[10]由南京扬子江隧道结构健康监测系统，建立了基于在线监测数据的隧道运营安全状况实时模糊综合评价模型；鲍轶洲等[11]基于广州车陂路—新滘东路隧道工程，确定了沉管隧道结构重点监测项目及其监测方法、监测点数量和监测点布设位置；任喻云等[12]根据隧道本身缺陷，选择设计预埋特定传感器，建立长期隧道结构健康监测系统；何川等[13]总结了盾构隧道建设技术，分析了各类病害对隧道运营的安全影响；舒恒等[14]通过对南京纬三路过江隧道(扬子江隧道)开展健康监测设计研究，介绍了系统的组成以及各个系统的功能；吴世明等[15]通过对杭州庆春路过江隧道进行健康监测，分析了潮水作用对隧道横截面受力、隧道变形的影响；黄大维等[16]采用缩尺模型试验研究了地表超载引起的隧道顶部附加应力及管片接头内力和变形；刘胜春等[17]结合传感监测技术及无损检测技术获得了南京长江隧道运营期结构变形受力数据，建立隧道安全评估方法；傅鹤林等[18]提出了基于云理论的隧道结构健康状态诊断方法，并对某市地铁2号线隧道结构健康进行诊断；CHEUNG[19]等在地铁盾构隧道施工中布设光纤，监测隧道结构裂缝发展情况；陈世杰等[20]通过运用压缩感知理论获取可靠、完备的地铁健康相关监测数据，并以武汉地铁2号线长汉区间监测点累计沉降数据为样本，评估了地铁隧道的可靠程度；张凯南等[21]以武汉地铁3号线王宗区间段为背景，提出一种基于小波包变换的隧道健康监测预警方法，判断结构损伤的全过程变化，在实际应用中具有可行性。

甬舟铁路金塘海底隧道具有长距离、高水压、地中对接、土岩复合地层以及海床演变复杂、冲淤幅度大等显著特点，隧道运营速度快，结构安全运营要求高。因此，开展隧道结构健康监测，动态监测、全面掌握隧道结构健康状态，指导后期铁路隧道运营养护是极为必要的。

1 工程概况

甬舟铁路西起宁波东站，经宁波市北仑区、舟山市金塘岛、册子岛、富翅岛，终于舟山本岛白泉站，线路全长76.774 km，采用250 km/h的高速铁路建设标准。

金塘海底隧道位于宁波北仑西站与舟山金塘站之间，采用单洞双线盾构法隧道下穿水深流急、水文和地质条件极为复杂的金塘水道，两岸采用矿山法施工。隧道全长16.18 km，其中盾构隧道长11.21 km，矿山法隧道长4.93 km，明挖工作井长0.04 km，隧道平面线位如图1所示。

图1 金塘海底隧道平面线位

盾构隧道采用单洞双线双层结构，管片结构外径14.0 m，内径12.8 m，结构厚0.6 m，二衬厚0.3 m，盾构隧道结构横断面布置如图2所示。

图2 盾构隧道结构横断面布置(单位：mm)

2 隧道结构健康监测方案研究

2.1 监测指标与目的

监测指标应能反映结构的受力性能与损伤程度，结合工程特点、建设重难点，确定管片外部水土压力、混凝土应力、螺栓轴力、管片与内衬间接触压力、隧道变形及沉降等作为甬舟铁路金塘海底隧道结构健康监测指标，通过开展结构健康监测动态监控隧道结构健康状态，辅助铁路隧道运维养护决策，延长隧道服役寿命。

2.2 监测断面及区段选取

依据工程类比、勘察设计资料分析，综合考虑地质条件、覆土厚度、高水压、线形变化、海中对接、周边环境影响等因素，共选取11个监测断面，见表1，考虑后期规划下穿的公路隧道施工、软硬不均地层、海底冲刷、淤积演变频繁、纵坡变化等因素引起差异沉降显著，选取6个沉降区段进行监测，见表2，监测断面布设如图3所示。

图3 监测断面及区段布设

表1 监测断面及选取依据

表2 隧道沉降监测区段

2.3 监测测点布置

考虑监测测点与监测部位应能反映出结构的整体受力与变形状态，重点选取隧道拱顶、拱底、左右拱腰以及接缝处布置监测测点，金塘海底隧道结构监测测点布置情况如表3和图4所示。

图4 测点布设方法

表3 监测测点布置

2.4 监测方法及技术要求

在仪器布设与安装过程中，甬舟铁路金塘海底隧道结构健康监测仪器寿命要求为15年，安装方法及要求如表4和图5所示。

图5 监测仪器安装方法

表4 监测仪器及安装要求

2.5 数据采集与传输

为满足隧道不同阶段对健康监测数据采集的需求，需设置合理的数据采集方案，主要包括采集设备、采集方式等，施工期采用便携式采集仪人工定期采集数据，运营期采用自动化实时采集数据。施工期隧道电力和网络供应不稳定，数据主要采用人工进行采集，隧道运营初期(0～5年)外部荷载和环境变化较大，宜采用较高频率进行监测；运营5年以后，可认为隧道进入稳定运营期，监测频率可适当降低。当监测数据出现异常状态时，应及时提高监测频率，金塘海底隧道监测频率见表5。

表5 监测频率

为防止数据传输过程中出现数据丢包、失真、中断等问题，保证数据快速、高效传输，需结合隧道内通讯环境，设置合理的数据传输方案，目前，主要数据传输方式分为有线传输和无线传输。

考虑到高铁隧道内通讯信号微弱或不稳定等问题，若采用GPRS无线传输可能造成数据丢包、失真、传输中断等，另外，隧道盾构段全长11.21 km，长距离数据传输宜采用传输距离更长、更高效的光缆传输方式，因此，隧道内前端光纤光栅传感器宜采用多芯光缆引入盾构隧道下腔廊道，接入解调仪，然后借助网络通信信号上传至数据库，用户端通过数据管理平台对监测数据进行调用、可视化展示、分析及预警，评估隧道结构安全状况，辅助隧道运维养护决策。

监测系统主要包含工程信息可视化、监测信息配置、监测数据管理、结构安全状态评估、故障诊断和数据接口等功能模块，可实现用户管理、数据库管理、图形界面展示、表格曲线管理、预警管理等功能，系统功能架构如图6所示。