楊勇

(太原西北二環(huán)高速公路發(fā)展有限公司 山西太原 030045)

1 工程概況

山西某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，全長3 105 m，屬特長隧道。該隧道下穿河流段位于山間溝谷沖洪積區(qū)，地形呈東高西低，隧道洞頂與河床底部最小距離僅20 m，其穿越河流受影響的隧道段長度達(dá)850 m。該隧道地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）松散堆積物，上部為粘土層，下部為含泥卵石混合土，呈典型的二元結(jié)構(gòu)。上層粘土層呈淺黃色，稍濕，液限低，具有中等壓縮性，含有少量植物根系及礫石，厚度為1.5～5.0 m；下層含泥卵石混合土呈淺棕色，呈飽和狀，稍密，卵石為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，強(qiáng)度較低，手搓即碎裂，呈圓狀-次圓狀，厚度為5.0～29.5 m。由于該隧道下穿河流段地層強(qiáng)度較低，含水量較大，在施工擾動(dòng)下產(chǎn)生了多次突泥、涌水、初支結(jié)構(gòu)大變形、塌方等不良地質(zhì)災(zāi)害，并伴隨發(fā)生多次隧道地表塌陷，對(duì)隧道施工安全造成極大的威脅，其現(xiàn)場情況如圖1、圖2所示。

圖1 隧道突泥涌水情況

圖2 隧道掌子面塌方情況

鑒于此，為確保隧道施工及運(yùn)營安全，準(zhǔn)確掌握下穿河流隧道段結(jié)構(gòu)健康狀況，避免因地質(zhì)災(zāi)害而產(chǎn)生的不良影響，該項(xiàng)目采用新型光纖傳感技術(shù)對(duì)隧道下穿河流段進(jìn)行大范圍、全方位的監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的自動(dòng)、實(shí)時(shí)、長期的健康監(jiān)測。

2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)隧道下穿河流段監(jiān)測目的及現(xiàn)場實(shí)際情況，確定該項(xiàng)目的具體監(jiān)測內(nèi)容及技術(shù)路線。首先，以該隧道下穿河流的中心位置為中點(diǎn)，前后50 m范圍內(nèi)確定為重度影響區(qū)，采用密集分布式定點(diǎn)應(yīng)變感測光纜對(duì)該隧道段所有的接縫多維變形進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形縫的縱向開合變形、兩側(cè)邊墻位置豎向差異變形、頂板位置水平差異變形的全面監(jiān)測；其次，針對(duì)該隧道施工期出現(xiàn)突泥涌水的不良地質(zhì)段、工法轉(zhuǎn)換過渡段等部位選取10個(gè)典型斷面，采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測。通過上述兩方面的監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該隧道下穿河流段進(jìn)行全方位的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，為其安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

3 監(jiān)測實(shí)施方案

3.1 隧道接縫多維變形監(jiān)測

隧道結(jié)構(gòu)接縫處的變形主要表現(xiàn)為縱向開合變形、兩腰位置豎向差異變形、頂板位置水平差異變形等表現(xiàn)形式[1-2]。沿隧道環(huán)向定間距布設(shè)傳感光纜，在隧道邊墻部位布設(shè)橫向傳感光纜，同時(shí)為提高隧道接縫變形監(jiān)測精度，在拱腳部位布設(shè)一條溫度補(bǔ)償光纖，整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 隧道接縫多維變形監(jiān)測示意圖

該項(xiàng)目采用1.5 m定點(diǎn)密集分布式應(yīng)變感測光纜，該光纜采用獨(dú)特內(nèi)定點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空間非連續(xù)非均勻應(yīng)變分段測量，配合密集分布式光纖感測技術(shù)（DDS）使用，具有良好的機(jī)械性能和抗拉壓性能，施工便捷，可抵御各種惡劣工況[3]，其現(xiàn)場安裝情況如圖4所示。

圖4 定點(diǎn)光纜現(xiàn)場安裝圖

3.2 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測

針對(duì)該隧道施工期出現(xiàn)突泥涌水的不良地質(zhì)段、工法轉(zhuǎn)換過渡段等部位選取典型斷面，采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測，在每個(gè)監(jiān)測斷面的左右拱肩、左右拱腰和拱頂各布設(shè)1支表面應(yīng)變計(jì)，布設(shè)位置如圖5所示。該傳感器的量程為-1 500～+1 000 με，分辨率為0.1%F.S.，尺寸為φ13×126 mm。在現(xiàn)場實(shí)施過程中，首先選取相應(yīng)的夾具，用膨脹螺絲將夾具底座固定在隧道混凝土結(jié)構(gòu)上；然后將光纖光柵應(yīng)變計(jì)放入夾具底座，利用水平尺確定位置，以保證應(yīng)變計(jì)與夾具呈垂直狀態(tài)，再將夾具上部進(jìn)行固定安裝；最后將應(yīng)變計(jì)接入光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行調(diào)試，檢測應(yīng)變計(jì)在自由狀態(tài)下及均勻受力狀態(tài)下的波長信號(hào)，確保波長變化量小于200 pm方可認(rèn)定為安裝成功[4]。其現(xiàn)場安裝情況如圖6所示。

圖5 表面應(yīng)變計(jì)安裝位置示意圖

圖6 表面應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場安裝圖

3.3 監(jiān)測頻率

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660-2020）中關(guān)于隧道監(jiān)測頻次的要求，并結(jié)合該項(xiàng)目監(jiān)測工作的實(shí)際情況，其具體監(jiān)測頻率如表1 所示。由于該項(xiàng)目所有數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集，遇汛期、雨季及有異常情況發(fā)生時(shí)可隨時(shí)根據(jù)需要提高監(jiān)測頻率[5-6]。

表1 隧道下穿河流段監(jiān)測頻率

4 監(jiān)測結(jié)果分析

在上述傳感器布設(shè)完成后，該項(xiàng)目采用光纖調(diào)制解調(diào)儀按照既定監(jiān)測頻率對(duì)其進(jìn)行長期監(jiān)測。對(duì)于分布式光纖，該項(xiàng)目采用國產(chǎn)AV6419 型光纖調(diào)制解調(diào)儀，其頻率范圍為10.5～11.5 GHz，脈寬為10 ns，平均采樣間隔為0.05 m，空間分辨率為1 m；對(duì)于光纖光柵傳感器，該項(xiàng)目采用FBG-A03 型便攜式光纖光柵解調(diào)儀，其波長范圍為0～40 nm，解調(diào)速率為1 Hz，動(dòng)態(tài)范圍為45 dB。利用上述監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)重度影響區(qū)內(nèi)的隧道接縫多維變形及典型斷面變形情況的監(jiān)測結(jié)果見圖7、圖8。

圖8 隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測曲線圖

從圖7 中可以看出，該隧道段結(jié)構(gòu)接縫的絕大部分變形監(jiān)測值分布在350～550 με 之間，經(jīng)換算后，其裂縫寬度為0.075～0.15 mm，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可初步判斷該段隧道結(jié)構(gòu)接縫小于其規(guī)定的限值0.20 mm，基本處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。但在距離光纖起點(diǎn)75 m處，其對(duì)應(yīng)的監(jiān)測應(yīng)變值出現(xiàn)突變點(diǎn)，即圖中的紅色部分，該應(yīng)變值達(dá)到1 300～1 500 με之間，經(jīng)換算后其裂縫寬度達(dá)到0.32～0.38 mm；結(jié)合該處監(jiān)測值的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該處應(yīng)變值在8 個(gè)月內(nèi)由1 300 με 增加至1 500 με，其增幅達(dá)到17%，可見該處隧道結(jié)構(gòu)接縫處于快速發(fā)展階段，需采用相應(yīng)工程措施進(jìn)行處治加固。

圖7 隧道接縫多維變形曲線圖

從圖8 曲線圖可以看出，該典型隧道斷面的結(jié)構(gòu)變形值均小于6 mm，其測點(diǎn)1、2、3 分別在監(jiān)測20 d、52 d時(shí)產(chǎn)生突變，尤其是測點(diǎn)1在20 d時(shí)由1.38 mm增至3.14 mm，其增幅達(dá)到127%。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，經(jīng)綜合分析后，該處監(jiān)測值劇增的主要原因在于隧道地表發(fā)生強(qiáng)降雨，隧道下穿的河流水量劇增，導(dǎo)致地表水下滲增多，進(jìn)而引起隧道拱部及邊墻部位結(jié)構(gòu)變形值增大。結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)整體變形情況可知，隧道下部（測點(diǎn)4、5）的變形值增幅較緩，且各測點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形值最終基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。但結(jié)構(gòu)整體變形分布不均衡，易引起局部應(yīng)力集中，因此在隧道運(yùn)營過程中應(yīng)注意地表防水，避免地表水大量下滲引起隧道變形加劇。

5 結(jié)語

針對(duì)公路隧道下穿河流段施工過程中產(chǎn)生突泥、涌水、結(jié)構(gòu)開裂、塌方等一系列不良地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜工況，采用分布式光纖及光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)隧道接縫多維變形、差異沉降、結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變進(jìn)行全面監(jiān)測，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定其監(jiān)測頻率，實(shí)現(xiàn)了隧道下穿河流段結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的高精度、大范圍、全方位地進(jìn)行監(jiān)測，為隧道施工及運(yùn)營提供準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保施工及運(yùn)營安全，促進(jìn)隧道建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)朝信息化、智能化發(fā)展。