沉管隧道结构健康监测技术

鲍轶洲， 沈永芳， 吕金良， 王兆卫

（1.广州市中心区交通项目管理中心，广州510030；2.上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司，上海200231；3.上海交大海科检测技术有限公司，上海200231）

0 引 言

我国大中型城市多依江河而建，跨江隧道是改善城市交通拥堵状况的常用方式之一。隧道按修建方法可分为明挖隧道、顶管隧道、盾构隧道、矿山隧道、沉管隧道等。沉管隧道凭借埋深浅、断面大、线路延长短、对航运影响小以及适应各种地质条件强等优点［1］，成为修建城市跨江河隧道首选结构形式之一。

沉管隧道多为薄壁箱型结构，隧道建成投入运营后，由于受水流冲刷、覆盖层淤积、地基沉降、车流等外部可变荷载的反复作用，沉管段长期处于复杂的弯、扭、拉、压状态，受力状况十分复杂［2-3］。混凝土管节受温度、混凝土收缩、地震等影响可能产生接头错位、剪切键破裂、PC拉索失效。在水压力的作用下不仅会造成结构混凝土水蚀变异、钢筋锈蚀，而且可导致隧道内部渗水［4］。水中沉管顶部受水流泥沙作用，可能造成覆盖层冲刷或淤积，影响隧道安全性，随着我国沉管隧道快速发展，其结构健康问题日益突出。研究沉管隧道健康监测技术，发展相关的监测技术与分析方法，将有助于延长隧道使用寿命，减低维护成本，保障交通安全及人民生命财产安全，进而推进沉管法隧道在我国工程中的应用水平，具有重大的社会和经济效益。

1 国内外研究现状

结构健康监测技术是一门交叉科学，涉及土木工程、计算机、电子通信、和材料等众多学科，是智能结构研究的一个重要方向［5］。隧道健康监测主要有：①正常荷载作用下的隧道结构响应和力学状况；②突发事件（地震、洪涝、重大交通事故等）之后隧道的损伤情况；③非结构构件和附属设施的工作状况；④隧道结构所处的环境条件，如空气、风速、温度等［6-8］。结构健康监测不仅是传统的结构检测技术的简单改进，而是运用现代化设备与光电通信及计算机技术，采用实时与定期相结合方法，监测结构服役阶段在各种环境条件下的响应和行为［9-10］，获取反映结构状况和环境因素的信息，由此评估结构可靠性、分析隧道结构健康状况，为隧道管理、养护和维修提供依据和指导［11-12］。

隧道在实际中，由于隧道设计时考虑因素欠周全，施工时受材料、环境等不确定因素影响，隧道在运营过程中，受到材料和结构退化、地震、火灾或者人为因素等影响，导致隧道主体结构的损坏和劣化，若不及时维修，将会导致隧道破坏或坍塌，带来非常巨大的损失。隧道埋于地下，受地质、水文条件影响大，结构受力特征与桥梁或大坝存在明显区别，健康监测项目及方法也与大坝和桥梁不同。沉管法隧道是在水域中由若干预制完成的管节，通过浮运、沉放、对接形成的隧道，其结构形式有别其他隧道，结构的健康监测技术存在较大差别［13-14］。

2 车陂路-新滘东路隧道结构特点

2.1 工程概况

车陂路-新滘东路隧道工程位于广州市天河区和珠海区，下穿珠江。工程南起现状新港东路，与在建的阅江路相交后，向北与临江大道（待建）、花城大道（待建）相交，止点至现状黄埔大道交叉口，全长2.07 km。采用沉管法结构，E2-1 管节和E2-2 管节之间作为最终接头位置，最终接头采用水下浇筑方式使E2-1 和E2-2 形成整体E2，E2 管节设最终水下接头2.5 m，即在E2-1 靠近E2-2 端预留2.5 m合拢段。图1 为隧道平面布置规划图。

图1 车陂路-新滘东路隧道平面规划

2.2 结构特点

隧道过江段采用E1 ＋E2 ＋E3 ＋E4 4 节沉管工艺，每节管长度123 m，沉管总长492 m，采用柔性接头，水中接头方式。管节采用单箱三室型断面，两孔车行孔，一孔管廊孔。横向总宽为30.4 m，总高为8.7 m。结构顶底板、侧墙、中墙厚分别为1.2 m、1.1 m和0.6 m。管节横断面如图2 所示。

车陂路隧道存在连续纵坡，与岸上段相连的位置高达4.9%的纵向坡度。这对于采用静力水准仪布置带来难度。管节侧墙和中隔墙位置安设了竖向剪切健。周围预埋纵向限位装置，给传感器布设带来限制。因此，对于沉管隧道检测方法和测点的选取、监测仪器的选型必须结合隧道实际情况而定。

车陂路隧道管节对接完成后，其PC 拉索以及竖向剪切键示意图如图2 所示。

图2 管节横断面结构图

3 结构健康监测项目和方法

结构健康监测技术的研究关键在于监测项目和监测方法的确定，不同的实际工况所要求的监测项目不尽相同，所采用方法也因地制宜。大多数的健康监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发，兼顾结构设计验证以及工程问题研究［15-16］。典型的沉管法隧道结构健康监测宜采用传感器实时监测和人工定期检测相结合的方法，通过传感器系统进行实时动态检测，结合人工实施定期检测与实时监测数据相印证，监测项目和方法见表1。

表1 沉管隧道结构监测项目和方法

3.1 竖向位移

隧道运营期间，受车辆荷载反复作用，管顶覆盖层受水流冲刷或淤积，都会致使隧道基础产生沉降变化，导致隧道主体结构会出现不均匀沉降。

隧道竖向位移采用基于静力水准仪系统自动监测，系统由多个观测点组成，每个观测点安装一套静力水准仪。静力水准仪的贮液容器相互连通，贮液容器内注入液体，当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上，此时每一容器的液位由传感器测出，即初始液位值分别为：H1，H2，H3，…，Hi，假设被测物体测点1 作为基准点，测点2 的地基上升，测点3 的地基下沉，测点4 的地基上升等，当系统内液面达到平衡静止后，则各测点连通容器内的新液位值分别为：H11，H21，H31，…，Hi1。

系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得，各测点液位变化量分别计算为：

其中：Δhi为正值表示该测点贮液容器内的液面升高，负值表示该测点贮液容器内的液面降低。静力水准仪系统工作原理图见图3。沉管隧道中在暗埋段两侧各设监测基准点，每年校验1 次。考虑隧道的纵向坡度，车陂路隧道静力水准仪布设位置如图4 所示。

图3 静力水准仪系统工作原理图

基准点是相对恒定的或是可用其他方式准确测定的点，精确计算各点的绝对垂直位移，必须核定基准点的沉降变化量。多点系统中，所有传感器的垂直位移均是相对于其中任意一点（这一点称为基准点或参照点）的变化，该点的垂直位移是相对稳定的或者是可用其他人工观测手段来确定，以便能精确计算静力水准系统各测点的沉降变化。

图4 车陂路隧道静力水准仪纵向布置示意图

3.2 接头三向位移

受温度变化的影响，混凝土管节存在热胀冷缩，纵向张开量。水流、地质、车流等运动，产生水平错位和垂直错位。因此，沉管隧道管节接头处三向位移包括：纵向张开量、垂直错位和水平错位。采用在管节接头4 个顶角部位各安装3 个位移计的方法，分别测量3个方向上位移。

位移传感器用于测量各种结构间的相对位移，也可用于实时监测裂缝张开与闭合，适用于各种隧道管片接缝、水坝坝体位移、土壤沉降、岩石、山体、边坡监测等。安装时将传感器和探头分别固定在移动物体和参考物体上，既可以进行长期监测，又可以作短期监测。

通过安装在接头部位的呈一定角度的位移计，监测管节接头纵向张开、水平错位和垂直错位。每个断面设置4 个监测点，每个检测点布置一套三向位移传感器，监测点布置示意图如图5 所示。

图5 接头三向位移监测点横断面布置示意图

纵向张开量监测位移计布置在管节对接缝两侧，转接板固定在右侧管节混凝土侧墙上，在左侧管节侧墙相应位置安装位移传感器。通过测量转接板与左侧管节的相对位移，可以得到管节接头的位移大小。同理，可测水平错位和垂直错位。图中红色部分为位移计，黑色部分是位移转接板，三向位移计安装如图6 ～8 所示。

3.3 接头PC拉索应力

对于多地震地区，为了隧道结构抗震，管节接头一般会设置预应力钢绞线钢索结构，钢索在安装时施加了设计要求的预应力。接头PC 拉索又称纵向限位装置，每条接头PC拉索由一对12φs15.2的高强低松弛钢绞线和连接套筒组成，锁体两端为固定端锚环和P锚挤压头，接头两侧的锁体通过中间的一对定位套环实现与连接套筒的连接，PC拉索结构如图9 所示。

图6 纵向张开量监测位移计

图7 水平错位监测位移计

图8 垂直错位监测位移计

图9 纵向限位装置

由于管节接头PC 拉索数量较多，难以采取全量监测，同时考虑到实际PC 拉索在管节上下侧均匀分布的特点，在满足拉索工作状态实时有效评价的前提下，每个接头分别在顶部、底部抽取2 根PC 拉索进行监测，如图10 所示。抽取拉索的位置可按实际情况选择不同位置。

图10 纵向限位装置布置横断面图

充分考虑监测结构在服役阶段的环境条件，采用应变传感器监测PC拉索应力。对于长期监测优先采用光纤光栅传感器，该方法具有测试精度高、动态响应快、寿命长、耐腐蚀和潮湿、抗电磁干扰以及便于信号远距离传输等优点，非常适合隧道结构的长期在线监测，光纤光栅应变计是基于一种光纤光栅应变的封装机制，适用于钢结构表面长期应变测量。

3.4 竖向剪力键

管节接头剪力键按位置分为垂直（竖向）剪力键和水平剪力键，根据材料可分为钢结构剪力键和混凝土剪力键。垂直剪力键限制地震或隧道不均匀沉降等产生的垂直错位，使其不超过水密性要求。剪力键之间设置橡胶支座，使接头在垂直方向上具有一定的弹性，当垂直位移量增大到一定程度时，剪力键承受的剪切力增大，产生“钢化”现象，从而保证接头的水密性要求。水平剪力键限制因地震等产生的水平位移量，使其不超过水密性要求的允许值。

车陂路隧道运营阶段管节带两个混凝土剪力键和两个钢剪力键，混凝土剪力键受荷标准值3.5 GN 左右，钢剪力键受荷标准值2.655 GN左右，橡胶支座长约60 cm，高约15 cm。竖向剪力键布置如图11 所示。

图11 竖向剪力键布置图

接头剪力键内力监测点均匀布置在垂直剪力键两键接触面上，采用土压力盒或薄膜压力传感器的监测剪力键内力，测点布置示意图如图12 所示。

图12 压力传感器布置示意图

土压力盒适用于长期测量土坝、土堤、边坡、路基等结构物内部土体的压应力，是了解被测结构物内部土压力变化量的有效监测设备，并可同步测量埋设点的温度。薄膜压力传感器是将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力的信息，压力越大，电阻越小，可以将此单点传感器在一个面积上布置多个传感器（几百到上千），从而测量一个受力面不同区域的压力分布图。

3.5 管节顶部覆盖层

沉管隧道运营期间，通过水下声呐扫测方法定期检测隧道顶部覆盖层，判断和分析覆盖层冲淤变化情况。测量前进行控制网复核，对平面坐标进行比对，比对误差控制在5 cm以内，符合水深定位精度要求并通过人工验潮方法观测水位，水位观测要求见下表2。

水深测量检测范围包括隧道水中段保护区及其以外50 m区域，采用多波束全覆盖测量。多波束测深系统由多波束声呐、姿态传感器、罗经、GNSS 系统、声速剖面仪和表面声速仪组成，图13 为多波束声呐水下检测系统。

表2 水位观测要求

图13 多波束声呐系统

数据后处理采用专业的后处理软件对原始数据进行编辑，包括声速改正、水位改正、数据清理、数据比对和数据输出等步骤。数据经处理后，应进行主、检重合点水深比对，超限的点数不应超过参加对比总数的15%。数据经处理后输出水下地形三维图、等高线图和断面图，隧道覆盖层水下地形三维示意图如图14所示。

图14 覆盖层检测三维地形示意图

4 结论与建议

根据车陂路-新滘东路沉管隧道结构特点和受力特征，通过监测隧道竖向位移、管节接头三向位移、管节接头纵向限位装置（PC 拉索）应力、管节接头竖向剪力键内力以及管顶覆盖层冲淤变化，采用传感器实时监测和人工定期检测相结合的监测、检测技术，满足了车陂路-新滘东路隧道工程运营期结构健康监测的要求。尤其对于管节接头重点部位的监测，解决长期的沉管隧道接头处监测的技术瓶颈。本文仅对陂路-新滘东路沉管隧道结构健康监测技术的原理、监测对象和方法等进行了阐述，隧道各监测项目指标预警范围和健康评估方法还有待进一步研究。