岩溶地区高速公路运营隧道结构健康监测系统研究及应用

2022-04-27熊雅文何华张志超刘家宇

西部交通科技 2022年2期

熊雅文　何华　张志超　刘家宇

摘要：为有效感知岩溶地区高速公路运营隧道衬砌结构受力和变形发展状况，分析病害成因并及时预警潜在风险，文章依托河池至都安高速公路高岭二号隧道结构健康监测系统工程实例，从监测断面和内容的选取，以及测点布置等方面，探索了岩溶地区高速公路运营隧道结构健康监测系统构建技术。近7个月的监测数据表明，该健康监测系统能较好反映隧道衬砌结构的受力和变形规律，具备良好的可实施性。

关键词：隧道工程;结构健康监测;现场试验;高速公路运营隧道;岩溶隧道;专项检测

中国分类号：U456.3

0引言

随着“十三五”规划的收官和“十四五”规划开篇，广西地区公路交通里程出现爆发式增长，高速公路逐渐向崇山峻岭扩张，隧道里程也出现井喷式增长，运营隧道的安全问题日益突出。结构健康监测技术在隧道工程中的应用相对较晚，在我国近十余年间才逐步得到重视和应用。国外较早的隧道健康监测系统出现于1987年修建完成的日本青函海底隧道[1]，此外，国外较知名的建立了结构健康监测系统的隧道有英吉利海峡盾构隧道、韩国釜山沉管隧道、英国海峡隧道铁路连接线盾构隧道、丹麦厄勒海峡沉管隧道、希腊普雷韦扎沉管隧道、英国希思罗机场隧道、爱尔兰利墨瑞克沉管隧道等[2]。国内隧道健康监测近年来也有较大发展，涌现出很多工程案例，根据施工工艺可分为沉管隧道（宁波甬江隧道[3]、宁波常洪隧道[4]等）、盾构隧道（上海崇明越江隧道、南京扬子江隧道等[5]）、明挖水下隧道（南京玄武湖隧道[6]）、明挖软土隧道（宁波永达路隧道、南京地铁、深圳地铁等[7]）。针对采用矿山法施工的山岭隧道健康监测案例较少，而针对高速公路隧道运营期间实施的健康监测案例几乎没有，如何构建合理有效的运营隧道健康监测系统是当下亟待解决的问题。

本文依托广西河都路高岭二号隧道结构健康监测工程案例，融合物联网、4G数据传输等技术，在广西交投科技有限公司自主研发的广西高速公路灾害风险智慧云控平台基础上，探索了岩溶地区运营隧道健康监测系统设计的重难点问题，对监测断面、监测内容、测点布设、数据分析等方面进行了论述，同时对隧道健康监测亟待解决的问题进行了思考，可为今后类似运营隧道健康监测系统构建提供参考借鉴。

1工程概况

2019年7月，广西河都路高岭二号隧道管养单位在日常巡检过程中发现，高岭二号隧道下行线ZK1807+790～ZK1807+900（施工桩号为ZK63+745～ZK63+855）发生突泥，现场出现侧壁检查井冒浆、施工缝顶部冒浆等情况。通过竣工资料可知，高岭二号隧道下行线ZK1807+690～ZK1808+190段设计围岩级别依次为Ⅱ级（ZK1807+690～ZK1807+845）、Ⅲ级（ZK1807+845～ZK1807+950）、Ⅱ级（ZK1807+950～ZK1808+190）。ZK1807+815～ZK1807+896区段在施工中发生过塌方、冒顶和突泥灾害，本次突泥病害段主要集中在该区段。

2隧道病害专项检测

2.1外观检测结果

隧道外观病害分布如图1所示，其外观病害主要分布在YK1807+850～YK1807+900之间，表现为衬砌裂缝、渗漏水，局部渗漏水较严重，呈滴水状。

2.2衬砌混凝土强度检测结果

通过回弹和碳化深度检测，结果显示衬砌混凝土强度良好，均满足C25混凝土设计要求。

2.3衬砌厚度及背后脱空情况检测结果

高岭二号隧道下行线右拱腰位置雷达检测结果如图2所示。通过雷达检测结果可知，ZK1807+790～ZK1807+900为主要突泥段，围岩软弱区段为ZK1807+815～ZK1807+896（施工过程中发生突泥段），ZK1807+960～ZK1808+190区段衬砌背后围岩松散、节理裂隙发育。

经过专项检测，初步推测衬砌突泥主要是由于围岩内部溶蚀裂隙发育，溶洞坍塌等，引起围岩水压增大并四处扩散，通过衬砌裂缝、预留槽等渗漏水薄弱环节，发生突泥灾害。为有效感知隧道衬砌结构的健康状况，预测病害发展趋势，有必要对病害段进行结构健康监测。

3运营隧道健康监测系统设计

3.1隧道健康监测系统总体设计

隧道结构健康监测系统主要分为数据采集模块、数据传输模块、数据分析模块和数据展示模块等4部分，整体布置方案如图3所示。

3.2运营隧道健康监测内容及方法

3.2.1监测内容及方法

本文将运营隧道健康监测内容划分为环境、荷载、受力、变形等四个方面，以隧道受力和變形作为监测评价指标，兼顾考虑隧道所受荷载及所处环境等各方面，具体如表1所示。高岭二号隧道监测内容包括：表面应变（应力）（55个振弦式表面应变计）、拱顶下沉（11个激光位移计）、周边位移（11个激光位移计）、渗水压力（4个渗压计）、裂缝宽度（2个振弦式裂缝计）、视频（1个高清摄像头）、雨量（1个雨量计）。

3.2.2监测断面选取及测点布置

3.2.2.1监测断面选取

根据围岩级别、衬砌类型及病害分布特征，本文按照每一类围岩级别或衬砌类型的区段均布置至少1个监测断面的原则，对ZK1807+690～ZK1808+190区段共布置有11个监测断面，具体如图4所示。

3.2.2.2测点布置

对于典型监测断面的测点布置情况如下：

（1）表面应力应变：布置5个测点，分别在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙位置。

（2）周边位移及拱顶沉降：周边位移布置1条测线，在两侧边墙位置;拱顶沉降布置1个测点。

（3）渗水压力：在典型断面布置1～2个测点，在两侧边墙位置。

（4）裂缝宽度：布置1～2个测点（根据现场情况而定）。

（5）视频监控：在保证对监测区段通视的情况下，尽可能布置在衬砌结构状况良好的位置。

（6）雨量监测：每座隧道外布置1处雨量监测点。

典型断面测点布置如图5所示。

4监测数据分析

高岭二号隧道健康监测系统于2020年12月安装调试完毕，经过7个月的数据观测，系统运行稳定，本文选取典型断面YK1807+885的监测数据进行分析。

4.1表面应变

YK1807+885断面表面应变监测结果如图6所示。由图6可知，衬砌表面应变整体呈受压趋势，且逐渐增长，符合隧道衬砌结构的受力规律。最大压应变约为180 με（C25混凝土弹性模量取28 GPa，换算成压应力为5.04 MPa）。

4.2拱顶下沉和周边收敛

YK1807+885拱顶下沉和周边收敛于2021-01-01开始监测，其中拱顶下沉监测结果如图7所示，周边收敛监测结果如下页图8所示。由监测结果可知，YK1807+885断面拱顶下沉监测期间累计下沉约3 mm，周边收敛无明显变化。

4.3裂缝宽度

裂缝宽度于2020-12-26开始监测，其裂缝宽度变化曲线如图9所示。根据监测结果可知，裂缝宽度整体呈现压紧、闭合趋势，与衬砌表面整体受压应力的规律一致。这表明监测期间，YK1807+885断面的裂缝宽度呈减小趋势，结构受挤压变形，累计闭合约0.035 mm。

4.4渗水压力和雨量

YK1807+885断面渗水压力于2021-05-28开始监测，其渗水压力变化曲线如图10所示。雨量于2021-06-01开始监测，其6月、7月的日降雨量分别如图11、图12所示。根据监测结果可知，随着钻孔封闭，渗水压力由83 kPa增长到164 kPa，之后一直处于较稳定状态，未出现明显增长。雨量监测结果显示6月21日和6月29日两天的日累积降雨量较大，而渗水压力监测结果仅在6月23日有小幅突增，6月29日以后有缓慢增长，由此可见渗水压力存在一定滞后性，推测是由于降雨下渗需要一定时间所致。

4.5环境温度

通过对比各断面测点的温度数据，温度大小和变化规律基本一致。本文选取YK1807+885断面右拱腰的温度作为代表性测点，如图13所示。通过温度监测数据可知，每天均存在一定的温度波动，波动幅度约为5 ℃，该温差可能对衬砌表面应力造成影响。

将温度变化曲线与左拱腰表面应变曲线进行综合分析，如图14所示，温度变化曲线与表面应变曲线存在明显的相关性。可见，对运营隧道进行环境温度监测是非常必要的。

5运营隧道健康监测系统设计重难点

运营隧道健康监测系统设计的重难点在于监测方案设计的合理性，主要表现在如下几个方面：

（1）运营隧道健康监测方案的设计必须基于详细的专项检测结果，通过专项检测，分析病害分布范围及成因，为运营隧道健康监测方案设计提供数据支撑。

（2）监测断面应尽可能覆盖病害区段，条件允许情况下，可向外扩展设置比对断面，且在病害区段内，按照围岩级别、衬砌类型、病害情况进行疏密相间布置（重点区段可按10 m间距设置断面，非重点区段可按20～50 m间距设置监测断面）。监测断面应尽可能兼顾每一类断面。

（3）二次衬砌结构的受力和变形响应能较好反映衬砌结构健康状况，可作为后期稳定性评价的主要指标。

（4）岩溶地区地下水丰富，结构受力变形与降雨下渗息息相关，应尽可能进行渗水压力和雨量监测。

6结语

本文通过依托广西河都路高岭二号隧道健康监测项目，对高速公路运营隧道健康监测系统的构建进行了探索，讨论了运营隧道健康监测系统方案设计和施工过程中存在的重难点，得出了以下结论：

（1）通过对高速公路运营隧道进行表面应变、拱顶下沉、周边收敛、裂缝宽度、渗水压力等方面的系统监测，能较好地反映隧道衬砌结构的受力和变形发展趋势。