盾构法公路隧道全寿命期健康监测及评估体系研究与应用

盾构法公路隧道全寿命期健康监测及评估体系研究与应用
段创峰
【摘要】由于公路隧道建设与运营环境的复杂性以及其重要的社会影响,越来越多的隧道健康监测系统投入实际工程应用中并取得了一定的成果.为此,总结了盾构法
公路隧道全寿命期健康监测系统的多层架构体系,给出了每一层次的设计实施内容;
与此同时,归纳了传统的系统设计实施方案中存在的诸多问题.以杭州文一路地下通
道工程为案例,介绍了监测断面与监测内容设计、综合智能监测管片、数据通信系
统以及基于BIM的监测预警与评估管理系统等关键技术,这些关键技术的应用有助于提高系统的整体可靠性与适用性.
【期刊名称】《建筑施工》
【年(卷),期】2018(040)008
【总页数】3页(P1462-1464)
【关键词】盾构法公路隧道;全寿命期;健康监测;健康评估
【作者】段创峰
【作者单位】上海市地下空间设计研究总院有限公司上海 200020
【正文语种】中文
【中图分类】TU94
1 概述
隧道健康监测与评估系统建立的目的，是通过加强对运营阶段隧道健康状态的监测，
建立科学的运维养护策略，延长隧道的使用寿命。

目前国内已有多条盾构法公路隧道内实施了健康监测系统[1-5]，并取得了丰富的成果，但是由于公路隧道建设与运营环境的复杂性，目前的健康监测系统在实际应用方面还存在诸多问题。

本文将在系统性阐述隧道全寿命周期健康监测与评估系统的基础上，结合杭州文一路地下通道工程，探讨若干关键技术的应用。

2 全寿命盾构隧道健康监测系统架构设计
盾构法公路隧道全寿命健康监测与评估系统总体架构以数据的处理、流转与应用为核心，结合岩土、结构力学监测设备以及数据通信技术，形成一套结构健康监测和安全评估预警方案。

该架构包括数据采集层、数据传输层、数据存储层、数据融合分析层和数据应用服务层5个层次。

2.1 数据采集层
隧道健康监测数据主要有2个来源，一类是自动化监测数据，另一类为人工巡检数据。

自动化监测数据主要包含隧道沉降、隧道断面收敛变形、渗漏水、变形缝张开、裂缝张开、围岩水土压力、管片内力、螺栓应力、地面沉降变形、地下水位、结构动力响应等。

人工巡检数据主要针对隧道结构表观状态、渗漏水、预埋件状态的日常巡检，以及针对混凝土碳化、钢筋锈蚀、构件强度等方面。

人工巡检数据也可运用巡检机器人等新技术手段进行采集。

2.2 数据传输层
数据传输层可以细分为局域数据网络与数据通信干网。

局域数据网络将经由传感器转换得到的数字量发送至数据网关或数据采集终端，根据传感器的布点形式与数据通信要求可以选择有线和无线2种方式。

数据通信干网则是将数据网关或数据采集终端的数据用统一的网络协议进行打包，并发送至上位机服务器。

在大型公路盾构隧道内，数据通信干网以光纤传输为主，隧道内光纤多芯闭环的连接拓扑结构使得其可靠性较好。

2.3 数据储存层
数据存储层是在数据源的基础上进行数据整合，形成面向业务决策与上层数据应用的数据仓库和数据集。

在设计数据仓库的结果时，既要考虑到底层数据冗余、高并发数据可访问、简易数据计算和相关数据主题结构，又要兼顾业务在实际应用中的便捷性和可理解性。

包括设计统一的数据格式，依托数据服务器和数据库管理系统将监测和检测得到的原始数据进行存储，对不同类型的数据进行必要的预处理（如降噪和异常判断）。

2.4 数据融合分析层
数据融合分析层是整个系统架构的关键点，数据分析层既要通过不同算法满足不同需求的挖掘需要，又要根据数据需求尽可能地实时输出结果。

系统的数据分析层将根据隧道结构安全评价方面的专业规范，结合大数据分析方法，实时评估隧道的健康状态。

2.5 数据应用服务层
数据应用服务层主要用于数据融合分析结果的展示与应用，实现与外部系统的数据对接与共享。

对于健康监测系统，最重要的数据应用是预警，通过对单一指标或综合分析指标设定阈值，判断隧道健康状态的变化趋势，并提出相应的辅助决策。

数据应用服务层包含了勘察、设计、施工及养护等基础数据，可以通过BIM构件信息或GIS空间信息与监测数据相关联，实现深度应用。

3 系统关键技术设计与应用
3.1 项目概况
文一路地下通道（保俶北路—紫金港路）是杭州市“一环五横三纵”快速路网规划关键组成部分，工程全长5.80 km，其中隧道主线长约5.12 km（盾构区间3.33 km），双向4车道规模。

隧道南、北线2条隧道，分为东、中、西3个明挖段及东、西2个盾构段。

盾构段隧道的断面形式为圆形，内径为10.36 m、外
径为11.36 m，采用2台泥水平衡盾构机施工。

明挖段隧道断面形式为单孔矩形，净宽10.2 m，各类设备及管线主要布置于隧道两侧装修层内及顶部空间，顶部安
装空间取1.3 m。

匝道段净宽7.6 m，顶部安装空间1.0 m。

主线最大纵坡5%，
匝道最大纵坡6%，最小纵坡0.5%。

盾构覆土一般路段最少为11 m。

3.2 重点监测断面与监测内容
根据隧道穿越地层工程地质、管片设计形式、结构设计方案以及建设期与运营期主要风险点，按以下原则最终选择16个盾构段隧道断面为重点监测断面（图1）：
图1 重点监测断面布置示意
1）隧道覆土最大断面。

2）隧道结构形式变化断面。

3）周边有地铁线路穿越的断面。

4）地表有河浜流经的断面。

5）隧道1倍洞径范围内有重要高层建筑的断面。

表1中监测项为自动化监测内容。

其中所有监测设备均为外挂式传感器，在盾构
段及明挖段结构施工完成后安装（图2），确保在运维期整套系统易于维护与更换。

表1 自动化监测内容及监测方法监测项监测设备断面布置方法横断面收敛激光
断面收敛仪安装在重点监测断面的拱顶管片接缝激光测缝计安装在重点监测断面横径与纵径处明挖段变形缝激光测缝计每道明挖段变形缝均设置测点渗漏水渗漏水感应线缆覆盖重点监测断面周边50 m范围沉降监测静力水准仪盾构段隧道全线布设加速度传感器加速度计安装在重点监测断面的拱顶
图2 自动化监测设备重点安装监测示意
3.3 综合智能监测管片
在文一路地下通道健康监测系统的方案设计中，提出了“综合智能监测管片”的理念，并将之贯彻到系统设计与施工中。

综合智能监测管片是一种在不影响管片结构
性能和防水性能的前提下，以集成化系统为理念的管片设计制造应用方案，该方案的核心是包含了标准化的外部设备固定接口、标准化的传感器供能与通信电气接口、标准化的外部岩土监测通道等3个标准化解决方案（图3）。

图3 综合智能监测管片概念设计
3.3.1 标准化的外接设备固定接口
根据管片制造与拼装形式以及盾构段监测设备的安装运行方式，在管片内侧预埋一组标准化的槽型预埋件以及螺栓套筒，以此作为标准化的外接设备固定接口。

这种标准化的外接设备固定接口，可以在管片浇筑阶段通过改造管片钢模的方式实现精确埋设，埋设重复精度能够达到0.5 mm。

这种高精度的预埋构件能够很好地控制传感器的最终安装姿态，达到预想的设计效果。

3.3.2 标准化的传感器供能及通信总线
智能综合监测管片的两端各设有一个总线盒，管片表面布置有一套通信供能总线，其中既可以传输数据信号也可以传输直流供电电压。

一套通信供能总线有若干个端口，分别布设在传感器附近。

管片的两端分别设有端口，可以与相邻管片的总线进行串联，从而使得断面上所有传感器均在同一总线构架下（图4），统一地进行供电与通信，从而大幅提高监测系统的集成度。

图4 传感器供能及通信总线拓扑图
3.3.3 标准化的外部岩土监测通道
在智能监测管片的注浆孔处设置标准化的成套防喷装置（图5），形成外部岩土监测通道。

各类岩土监测传感器能够通过该装置插入隧道围岩土体内（图6），测量土压力、孔隙水压力、电导率、波速等物理指标，同时，避免外部泥浆或地下水侵入隧道内部。

图5 标准化防喷装置
图6 外部岩土监测
3.3.4 综合智能监测管片布设方式
综合智能监测管片的布设方式是灵活的，可以根据监测系统的需求进行单片离散设置、整环设置、区域连续设置。

在文一路地下通道工程中，在每个重点监测断面处，综合智能监测管片采用了整两环设置的方式（图7）。

3.4 基于BIM的监测预警与评估管理系统
图7 综合智能监测管片布设方式
图8 监测预警与评估管理系统
监测预警与评估管理系统（图8）将隧道全生命周期涵盖的设计、制造、建设和运营等数据集成和信息融合，实现数据资源集中使用和多方信息资源共享。

为便于了解隧道健康状态，系统依托文一路地下通道BIM模型，以三维模型、二维曲线、图像等形式展示整条隧道的监测预警信息，并通过分析指标阈值、当前病害信息、历史病害评价结果对监测数据进行分析并生成预警。

系统对隧道主体设施建立完善的健康档案，利用大数据分析技术，对主体设施和重要机电设备的状态快速诊断，动态生成资产养护方案，提供辅助运营决策。

4 结语
本文介绍了盾构法公路隧道全寿命期健康监测系统的总体架构及若干关键技术在杭州文一路地下通道工程中的应用，总结了盾构法公路隧道全寿命期健康监测系统的多层架构体系，介绍了每一层次的实施内容。

以杭州文一路地下通道工程为例，介绍了系统的重点监测断面与监测项的设计原则与方法、智能综合监测管片、监测预警与评估系统等关键技术的实施要点。

“智能综合监测管片”理念的应用，解决了原有系统实施方式中存在的问题，提高了系统的整体集成度与可靠性。

参考文献
【相关文献】
[1] 刘胜春,张顶立,黄俊,等.大型盾构隧道结构健康监测系统设计研究[J].地下空间与工程学报,2011,7(4):741-748.
[2] 舒恒,吴树元,李健,等.超大直径水下盾构隧道健康监测设计研究 [J].现代隧道技
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[3] 何晓.上海大连路隧道长期运营结构健康监测系统研究[J].中国市政工程,2016(1):75-77.
[4] 郭小红.厦门翔安海底隧道风化槽衬砌结构稳定性研究[D].北京: 北京交通大学,2011.
[5] 黄灵强.厦门翔安海底隧道风化槽围岩渗透破坏及岩体流变试验研究[J].福建建设科技,2012(6):20-22.。