黎 晨 趙小軍 范中林 張開銀

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （中建三局基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部2） 武漢 430070）（十堰市公路管理局3） 十堰 442000）

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)投入的不斷加大，各種超高層建筑、近海平臺、大跨度橋梁及水底隧道等復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)大量問世；與此同時，許多已建和在建工程結(jié)構(gòu)事故頻發(fā)，引起了社會對結(jié)構(gòu)安全問題的極大關(guān)注［1］.值得注意的是，在這些事故突發(fā)前，都出現(xiàn)了各種不同程度的結(jié)構(gòu)破壞征兆.只要采取適當(dāng)?shù)臋z測和監(jiān)測手段，就能避免事故的發(fā)生，將生命和財產(chǎn)的損失降低到最小程度.

相比而言，水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)遭遇突發(fā)事件后，損失相對較高，而且難以修復(fù).對于長距離、高水壓、大直徑盾構(gòu)隧道，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐久性等，是設(shè)計、施工及運營階段需要重點考慮的問題.因此，將現(xiàn)代傳感測試技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)相結(jié)合，以明確盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)，進(jìn)而對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命進(jìn)行預(yù)測并做出維護(hù)決定，保障結(jié)構(gòu)的安全運營［2］.所以，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究，是延長盾構(gòu)隧道運營周期、提高社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的有效手段.

1 盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測技術(shù)特點

1.1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

盾構(gòu)隧道的主要受力構(gòu)件是管片結(jié)構(gòu)，其次是管片周邊一定范圍內(nèi)的地層（注漿加固圈和天然地層）.盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)是管片結(jié)構(gòu)和地層相互作用的結(jié)果，外界影響因素很多，各因素的影響程度不同.相對于地面大型建筑物、橋梁等荷載明確的結(jié)構(gòu)而言，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外部荷載的變化大部分必須通過地層才能反映到管片結(jié)構(gòu)上.因此，隧道結(jié)構(gòu)對外荷載的敏感度不直接，主要影響因素及影響程度需通過進(jìn)一步研究確定.

1.2 監(jiān)測過程的連續(xù)性

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測包括施工階段和運營階段.施工階段的監(jiān)控量測目的是保證施工安全，同時反饋指導(dǎo)施工.而運營階段的健康監(jiān)測則主要是為了保證隧道結(jié)構(gòu)能夠正常、安全的承擔(dān)運營任務(wù).盾構(gòu)推進(jìn)打破地層原有的平衡狀態(tài)，進(jìn)入運營階段后逐步趨于新的平衡，即2個階段的受力狀態(tài)變化呈連續(xù)性.要建立完善的健康監(jiān)測系統(tǒng)必須全面了解盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)從施工到運營整個過程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息.

1.3 監(jiān)測元件的耐久性

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)周圍為地層，大部分監(jiān)測元件必須預(yù)埋，這對監(jiān)測元件的耐久性提出了較高要求.由于水底盾構(gòu)隧道工程環(huán)境的特殊性，除了要考慮一般原則外，還應(yīng)當(dāng)重點考慮在潮濕或含水條件下元件的穩(wěn)定性和耐用性.光纖光柵傳感器通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，其優(yōu)點是信號衰減小、耐腐蝕性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易于實現(xiàn)分布式測量等，在盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)中不斷得到應(yīng)用［3］.

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

2.1 工程概況

南京市緯三路過江通道工程江中段采用雙管雙層8車道盾構(gòu)隧道，管片外徑14.5m，厚度0.6m.工程所處的位置水壓高、入巖深度大、厚度不均、河床沖刷深度大、地質(zhì)條件多變等，這些復(fù)雜建設(shè)條件對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的受力、防水、耐久性、抗浮、抗震均不利（見圖1），對盾構(gòu)隧道施工過程的安全，乃至隧道運營期的安全保障等方面均提出了嚴(yán)峻考驗.

2.2 工程特點

根據(jù)相關(guān)資料，本項目具有如下特點：地質(zhì)條件復(fù)雜，其中江中段有長達(dá)700多m的巖層，部分全斷面侵入巖層；盾構(gòu)段復(fù)合地層長達(dá)4 135m；水壓力高達(dá)0.77MPa；最大埋深達(dá)66m；江中覆土厚度超淺約0.7 D，淺覆土段長達(dá)1 000m等.

2.3 監(jiān)測重點

圖1 S線縱斷面示意圖

在運營期，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測包含許多項目，其中盾構(gòu)段管片結(jié)構(gòu)里程長、接縫多，所處環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜多變，故管片結(jié)構(gòu)是健康監(jiān)測的重點.在調(diào)研國內(nèi)外水底盾構(gòu)隧道工程實例的基礎(chǔ)上，針對南京市緯三路過江通道工程的特點，對管片結(jié)構(gòu)的橫、縱斷面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計算，計算中考慮隧道縱坡的變化、覆土厚度的變化及縱向地質(zhì)條件的變化等幾種最不利工況.根據(jù)計算結(jié)果對管片結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析總結(jié)，從而初步得到了盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布特點.

1）縱斷面監(jiān)測重點 由于地面（含河床線）起伏變化較大，在結(jié)構(gòu)計算時根據(jù)隧道所處的地層特點、上覆土變化、地下水位等特征選取不同的橫斷面進(jìn)行計算，岸上段水位取勘察現(xiàn)狀水位，江中段取百年一遇水位11.08m，計算斷面見表1，圖2.

表1 典型計算斷面

圖2 S線計算斷面位置圖

2）橫斷面監(jiān)測重點 見圖3.

圖3 管片結(jié)構(gòu)有限元彎矩云圖

（1）管片左、右側(cè)（0°，180°）受力與管頂、底相反，內(nèi)外側(cè)拉壓應(yīng)力均較大.

（2）管片結(jié)構(gòu)彎矩零點大致位于45°，135°，225°，315°部位.

（3）上述結(jié)論為管片結(jié)構(gòu)在一般情況下的內(nèi)力分布規(guī)律，精確受力分布情況及大小需視工程具體位置受載情況經(jīng)結(jié)構(gòu)計算而定［4］.

2.4 系統(tǒng)在線監(jiān)測項目

通過對南京市緯三路過江通道工程中起控制作用的斷面進(jìn)行環(huán)境調(diào)查和理論分析，確定了健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測位置、項目及儀器等.盾構(gòu)結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測項目見表2.

表2 南京市緯三路過江通道工程健康監(jiān)測項目表

3 系統(tǒng)架構(gòu)

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一個多學(xué)科交叉的綜合性系統(tǒng)工程，既包括硬件系統(tǒng)的集成，也包括軟件系統(tǒng)的集成.其核心任務(wù)是獲得環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對監(jiān)（檢）測信息進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的運營提供技術(shù)支持［5－9］.

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理控制子系統(tǒng)

1）傳感元件模塊 該模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)最底層的硬件模塊.其主要功能是：在起控制作用、具有代表性的截面和部位上安裝各種類型的傳感測試元件，拾取結(jié)構(gòu)荷載源參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，然后通過適宜的傳輸方式傳送給數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊中的采集板卡或調(diào)理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采集.

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊 該模塊包括電子采集傳輸硬件設(shè)備和采集傳輸控制軟件的開發(fā).主要功能是通過該模塊的采集板卡或調(diào)理器將傳感器傳過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號并通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)輸送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理和控制模塊.

3）數(shù)據(jù)處理與控制模塊 該模塊包含監(jiān)控中心計算機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件.主要功能是由計算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、后處理、歸檔、顯示和存儲等數(shù)據(jù)管理，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和控制現(xiàn)場的各個傳感測試元件、數(shù)據(jù)采集站和調(diào)理器設(shè)備.

3.2 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)是整個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心.根據(jù)數(shù)據(jù)采集和處理控制子系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)和信息，安全評估系統(tǒng)進(jìn)行客觀分析和評估，實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的整體安全性、耐久性和正常使用性的科學(xué)評價，為盾構(gòu)隧道管理者提供維護(hù)決策依據(jù).而盾構(gòu)健康結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作目標(biāo)之一是建立一個參數(shù)正確、邊界條件符合實際的有限元計算分析模型.因此，有限元結(jié)構(gòu)分析過程分如下3步.

1）有限元分析模型 健康監(jiān)測評估子系統(tǒng)采用專用巖土工程分析程序Flac 3D，MIDAS GTS、同濟(jì)曙光和結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS，ABAQUS等建立“荷載－結(jié)構(gòu)”或“地層－結(jié)構(gòu)”模型.前者主要對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行平面分析；后者將管片襯砌離散成梁單元（或板單元），地層離散為實體單元，可以考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，并可以對隧道及地層進(jìn)行穩(wěn)定性和動力特性計算分析.根據(jù)評估的項目和目的不同并結(jié)合效率綜合選擇平面或三維分析方法建立計算模型.

2）參數(shù)修正和評估 最初的計算模型建立在設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，而實際的隧道狀態(tài)與設(shè)計的理想狀態(tài)是有一定差別的，這樣在結(jié)構(gòu)分析計算中不可避免的存在誤差.

計算誤差主要包括：模型誤差、測量誤差、施工誤差.

在施工階段，為了盡量獲得盾構(gòu)隧道的實際狀態(tài)，需要將隧道的變形、內(nèi)力等各項指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算值進(jìn)行比較，分析結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，用誤差分析理論來確定或識別引起這種偏差的原因，并進(jìn)行修正以達(dá)到最大程度減小計算模型與實際隧道結(jié)構(gòu)的偏差.

在營運階段，結(jié)構(gòu)初期受車輛、環(huán)境溫度等外界荷載作用，結(jié)構(gòu)與地層的狀態(tài)會發(fā)生一定的變化，而這種變化主要發(fā)生在開始運營的頭兩年.利用運營前幾年對結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力、動力特性的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對有限元分析模型進(jìn)行修正并對修正后的計算結(jié)果進(jìn)行校核，保證計算與實際相吻合，然后建立結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，以便在后續(xù)分析中消除其它因素影響，使健康評估系統(tǒng)真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形.有限元模型見圖4.

圖4 有限元分析模型

3）預(yù)警閥值設(shè)定 結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警是隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的第一層次，目標(biāo)是全面、及時和可視化監(jiān)控且快速識別異常.預(yù)警閥值的設(shè)定是整個隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中必不可少的模塊之一，占據(jù)著重要的地位.

3.3 用戶界面子系統(tǒng)設(shè)計

1）監(jiān)控中心軟件 主要包含一個界面框架和多個擴(kuò)展模塊，包括靜態(tài)資料管理擴(kuò)展模塊、實時數(shù)據(jù)處理擴(kuò)展模塊、巡檢管理擴(kuò)展模塊等等.用戶界面子系統(tǒng)以用戶界面框架為中心，以插件的形式加載其它擴(kuò)展模塊，并通過界面框架提供的接口進(jìn)行協(xié)調(diào)以及相互的功能調(diào)用，還可以根據(jù)功能需求隨時定義和增加新的擴(kuò)展模塊.

2）數(shù)字化模型展示 通過GIS平臺（見圖5）展示系統(tǒng)范圍內(nèi)的地形、地貌、結(jié)構(gòu)物以及系統(tǒng)設(shè)備、附屬物等信息，并可以實現(xiàn)查詢、統(tǒng)計、分析、定位等功能.

3）系統(tǒng)控制功能 通過界面子系統(tǒng)，設(shè)定和下發(fā)其它子系統(tǒng)的運行參數(shù)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行自動化管理和配置，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)進(jìn)行工作，該功能通過開發(fā)者定義的用戶界面進(jìn)行操作，部分功能通過用戶定義和配置數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過計時或者條件觸發(fā)，自動實施控制.

圖5 健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化模型

4）靜態(tài)數(shù)據(jù)管理功能 提供和結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息進(jìn)行管理的靜態(tài)信息管理功能，主要包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計資料、施工資料、竣工資料、隧道試驗資料以及本系統(tǒng)的設(shè)計實施資料和與系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)有關(guān)的其他資料，統(tǒng)一納入靜態(tài)數(shù)據(jù)管理中進(jìn)行管理.

5）實時數(shù)據(jù)處理功能 提供數(shù)據(jù)的采集和實時展示的功能，通過接受數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)，實時解算并進(jìn)行初步分析，對處理結(jié)果進(jìn)行展示，主要包括實時數(shù)據(jù)的展示、與模型的關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)設(shè)備工作工況的查看以及監(jiān)測系統(tǒng)提供的專業(yè)專題.

4 結(jié) 論

1）光纖光柵傳感器元件以其優(yōu)越性成為健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測儀器，即以光纖光柵長期監(jiān)測手段為主，結(jié)合其它定期檢（監(jiān)）測儀器來監(jiān)測盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力.

2）結(jié)合有限元理論分析結(jié)果和盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點、破壞模式，明確結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和易于發(fā)生破壞的位置，由此可確定高水壓、大直徑和長距離水底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的項目、內(nèi)容和重點.

3）將現(xiàn)代傳感測試技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)相結(jié)合，確定損傷區(qū)域，并采用與人工巡檢相結(jié)合的手段對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評估.

4）預(yù)警、報警級別的確定及控制值，及各項評估指標(biāo)的權(quán)值需從國內(nèi)外大直徑水底盾構(gòu)隧道的建設(shè)經(jīng)驗、試驗成果、理論分析及專家系統(tǒng)各方面綜合確定，且受地質(zhì)條件的影響，是一個動態(tài)的過程.因此，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評估和診斷是一個動態(tài)的、長期的過程，需要持續(xù)的研究和探索.

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