厦门翔安隧道结构长期监测系统预警管理研究——厦门市路桥管理有限公司.docVIP

中国桥梁（隧道）管理研究会第17届年会论文集厦门翔安隧道结构长期监测系统预警管理研究陈玖彬1，夏才初2（1.厦门市路桥管理有限公司 厦门市 361009；2.同济大学土木工程学院 上海市 200092）摘要：翔安隧道是我国内陆地区第一条海底公路隧道，目前，国内尚无海底隧道长期监测的工程案例。本文以翔安隧道为工程背景，基于模型试验与统计分析等手段，研究翔安隧道长期监测系统监测项目安全性的定量评价，建立适用于翔安隧道长期监测系统监测预警的判定标准。关键词：翔安隧道 长期监测 监测预警1 引言厦门翔安海底隧道是我国内陆地区第一条公路海底隧道，隧道全长约6.05km，跨越海域段约4.2km1。海底隧道与山岭隧道不同，其地质环境更为复杂，工作环境更为恶劣。海底隧道承受高的孔隙水压力和较大的地下水渗流梯度，所处的环境地震发生频度较高23。这些特点决定了海底隧道结构的健康状况更为人们所关注。由于隧道建成后围岩被支护结构所封闭，难以量测，因此隧道在运营期的结构长期监测应以支护结构，尤其是二次衬砌结构的受力和变形为主4，通过量测支护结构的变形和受力状态，推测围岩和支护结构之间的相互作用关系，间接获得围岩的活动情况5。隧道运营期长期监测项目安全性的评价信息大致分为两类：（1）位移信息。主要是二次衬砌位移。（2）应力信息。包括围岩与初期支护接触应力、初期支护与二次衬砌接触压力、围岩与初期支护间水压力、初期支护与二次衬砌间水压力、钢支撑内力、二次衬砌应力等。位移信息安全性的判定，当前更多的重点是放在隧道的施工阶段，如坑道断面的收敛量测（位移信息），因为在施工阶段，位移量测数据较容易获得，通过位移信息进行反馈设计的方法居多。但是对于运营阶段二次衬砌的位移变形，目前还没有统一的判定基准。应力信息是可以直接判定隧道安全性的信息。在隧道运营期，通过长期监测系统埋设的传感器容易获取相关的应力信息，并用于判定隧道的安全性。2 长期监测系统的监测内容翔安隧道结构长期监测系统：通过埋设在初支和二次衬砌等支护结构上的传感器监测隧道特殊区段隧道结构的变形或受力状态的变化。翔安隧道长期监测系统的监测内容包含了：二次衬砌位移、围岩与初支见接触压力、初支与二衬间接触压力、围岩与初支间水压力、初支与二衬间水压力、钢支撑内力、二衬内应力、二衬表面应变、地震加速度等。翔安隧道长期监测系统监测内容及传感器6见表1。表1 翔安隧道长期监测内容及传感器监测项目传感器量程精度接触压力TPC型振弦式压力计02MPa0.1%F.S.水压力PWS型振弦式渗压计01 MPa0.1%F.S.二衬变形线位移传感器25mm0.1%F.S.角位移传感器500.01弧度二衬结构内部应力埋入式光纤光栅应变传感器15000.2%F.S.二衬表面应力表面式光纤光栅应变传感器10000.2%F.S.初支钢拱架应力贴片式光纤光栅应变传感器15000.2%F.S.混凝土温度光纤光栅温度传感器-50 +1500.2%F.S.地震加速度加速度传感器0.5g0.2%3长期监测系统预警管理的研究长期监测系统通过预先埋设的传感器采集隧道运营阶段相关的监测数据，对于所采集到的监测数据需要判读其是否安全，必须在监测系统中对监测项目设置相关的预警值，即监测数据的安全管理基准。根据翔安隧道长期监测系统设置的监测项目，通过统计分析、模型试验等手段，建立适用于翔安海底隧道的长期监测管理基准，为隧道的安全运营和科学养护提供指导。3.1 衬砌二次位移管理基准1、统计分析依据翔安隧道施工期间，对不同围岩条件的断面进行长期的现场量测所获得的数据进行统计分析，找出二次衬砌施作后，其位移变形与时间变化的规律。监测断面YK8+425处于V级围岩海域段（支护类型：S5d）。在围岩压力作用下，隧道二次衬砌位移-时间关系如图1所示。图1 YK8+425断面衬砌位移时间曲线由上图可以看出，二次衬砌施作5年后，其位移基本趋于稳定，拱顶下沉最大值为4.8mm，拱腰变形1.8mm。2、模型试验根据S5d型衬砌（V级围岩海域段）模型试验的结果，最小安全系数随位移变化规律见表2与图2。表2 最小安全系数随洞周位移变化规律（单位：mm）加载(T)拱顶左拱腰左拱脚仰拱右拱脚右拱腰最小安全系数拉/压位置10.830.72-0.17-0.72-0.110.7210.80拉拱部23.172.61-0.72-1.11-1.112.618.26拉拱部36.115.08-1.72-1.56-3.065.055.26拉拱部59.547.02-4.39-2.28-5.396.472.92拉拱部811.838.53-6.44-3.00-7.728.131.16拉拱部图2 最小安全系数随洞周位移变化规律（单位：mm）从以上图表分析可知，随着安全隧道变形逐渐增大，二者几乎呈线性变化，当安全系数达到规范7规定的最低安全系数时，结构开始处于不稳定状态，最终产生裂缝并破坏。由于结构最小安全系数位于拱部，且受拉控制。结构处于安全状态的最低安全系数为2.4，其对应的结构位移为10.2mm，此时边墙位移约为7.4mm，该位移即为允许位移值。3、二衬位移管理基准的确定通过对具有代表性的围岩条件断面进行分析研究，最终获得翔安隧道二衬位移安全管理基准，见表3。表3 翔安隧道二衬位移安全管理基准围岩级别埋深类型地下水类型支护类型极限位移（mm）拱顶边墙深埋海域S5d5.010.26.07.4浅埋潮间带S5c4.08.65.06.5深埋海域S4b3.17.23.05.7深埋海域S3b3.05.22.54.03.2 衬砌结构应力管理基准翔安隧道衬砌混凝土强度等级为C50和C30，根据规范7，其对应的抗压极限强度分别为36.5MPa和22.5MPa，对应的抗拉极限强度分别为3.1MPa和2.2MPa。由此根据公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）管理基准的确定方法，建立翔安隧道应力管理基准，见表4。表4 翔安隧道二衬结构压应力管理基准混凝土等级管理应力（MPa）危险等级管理应力（MPa）危险等级C50-36.5破坏+3.1破坏-36.5-24.3险情2.1+3.1险情-24.3-12.2异常1+2.1异常-12.2正常+1正常C30-22.5破坏+2.2破坏-22.5-15险情1.4+2.2险情-15-7.5异常0.7+1.4异常-7.5正常+0.7正常注：-表示压应力，即应力监测值为负值；+表示拉应力，即应力监测值为正值。3.3 水压力管理基准基于翔安隧道在水压力环境下衬砌模型的试验结果，用于研究水压力对二次衬砌结构安全性的影响进行分析。取S5d型衬砌（V级围岩海域段）的试验结果进行分析。在醉倒围岩压力时，不同水压对衬砌结构的影响规律见表5和图3。表5 不同水压力情况下二次衬砌安全系数的变化衬砌类型水压大小（kPa）拱部拱腰边墙安全系数拉/压安全系数拉/压安全系数拉/压S5d（深埋）5752.581拉2.17压2.501压4602.91拉2.371压2.953压3453.34拉2.607压3.047压2303.907拉2.909压3.458压1154.422拉3.305压4.046压04.317拉3.838压4.859压图3 安全系数随水压分布规律从以上图表分析可知，结构安全系数随着水压的增加而减小，拱腰处安全系数最小，拱顶受拉控制，边墙和拱腰受压控制；当水压力达到575kPa，拱腰的安全系数略大于允许值2.07，可见水压力应控制在575 kPa以内。通过对各种不同水压力工况的模型试验进行分析，获得翔安隧道不同围岩类型和支护类型条件下的水压力控制基准Pn，见表6。表6 翔安隧道水压力Pn控制基准围岩级别埋深类型地下水类型支护类型临界水压（kPa）换算水头（m）深埋海域S5d57557.5浅埋海域S5d36336.3深埋潮间带S5c23723.7深埋海域S4b54254.2深埋海域S3b46346.3将水压力控制基准进行分级，建立翔安隧道海水压力管理基准，见表7。表7 翔安隧道海水压力安全管理基准管理水压力危险等级管理等级维修养护措施PPn不安全专项检查2/3 PnPPn危险1/3 PnP2/3Pn较安全临时检查P1/3 Pn安全定期检查注：P为该隧道区段内的实测水压力；Pn为对应的临界水压力。3.4 地震加速度管理基准根据设计文件，翔安隧道设防地震峰值加速度为0.15g。因此，在长期监测中，当地震峰值加速度大于0.15g时，应立即进行结构损伤检查。4 工程应用翔安隧道结构长期监测系统已经运行1000多天，获得了大量的监测数据，真实地反映了翔安隧道二次衬砌结构内力变化的规律。依据长期监测系统所采集的数据，对其结构受力变化和安全性进行评价。4.1 二次衬砌结构安全性分析通过对施工阶段二衬应力进行无结构应力修正，获得有效应力，最终计算出各断面的最小安全系数，对各断面结构安全性进行评价。翔安隧道共设置了22个长期监测断面，其现阶段结构安全状况，见表8。表8 翔安隧道二衬结构长期应力监测安全性评价（部分断面）编号断面里程支护参数最小安全系数安全状况量值位置1ZK7+050S5b4.3拱顶安全2ZK8+967S5d4.5左拱腰安全3YK8+424S5d10.1拱顶安全4NK8+950SF5d7.3拱顶安全5YK11+315S5c5.4左拱腰安全4.2 土压力安全性分析以位于F1风化槽的监测断面YK8+424为例，分析该断面土压力变化规律。监测断面的初期支护与二次衬砌接触压力分布见图4。图4 YK8+424断面二次衬砌围岩压力分布图（单位：kPa）由上图可知，监测断面接触压力的最大值为195.2kPa，位于仰拱右部。4.3 水压力安全性分析监测断面YK8+424各测点的初期支护与二衬水压力时程曲线，如图5所示。图5 YK8+424断面二衬间水围岩压力时程曲线由上图可知，该监测断面最大水压力为37.2kPa，位于右墙脚位置处。根据水压力控制基准可知，该断面处于安全状态。5 结论本文通过对翔安隧道长期监测系统预警管理的研究，以及依据长期监测系统所采集的数据进行安全性的评价，得出以下结论：（1）通过研究建立了翔安隧道长期监测系统的预警管理基准，包括：二次衬砌位移管理基准、衬砌结构应力管理基准、水压力管理基准、地震加速度管理基准等。（2）通过对长期监测系统所采集数据进行的安全性分析，结果表明翔安隧道目前的运营状况良好，所建立的长期监测系统预警管理基准是适用的。参考文献1 中交第二公路勘察设计研究院，厦门市路桥建设投资建设总公司，厦门翔安隧道施工图设计，2005年2月2 EISENSTEIN Z D. Large undersea tunnels and the progess of technologyJ.Tunneling and Underground Space Technology, 1994,9(3)：283-2923 孙钧，海底隧道工程设计施工若干问题关键技术的商榷J.岩土力学与工程学报，2006，25（8）:1513-1521.（SUN Jun. Discussion on some Key technical issues for design and construction of undersea tunnelsJ.Chinese Journal of R