南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用Word格式文档下载.docx

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技术难度高,施工风险大以及国内同级别盾构隧道

施工经验较少的特点,有必要在施工阶段对隧道管

片结构的受力与变形状态进行监测,以确保工程的

顺利实施.

同时,隧道建成运营后,为保证管片结构处于良

好的功能状态,有必要采用先进的监测手段.根据

隧道所处水文,地质条件的特殊性,对其结构关键部

位进行长期监测,以便实时掌握隧道结构状态的变

化,判断隧道结构的可靠性,进而采取相应的控制措

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施,使隧道结构始终处在良好的和可控的安全状态.

为此,南京长江隧道专门建立了系统的管片结

构健康监测系统,通过布设各类传感器及监测设备,

监测南京长江隧道特殊地段环境地质作用与管片结

构的受力状态及变形情况,对隧道在施工期与运营

期的结构行为及影响进行监测和数据分析,从而对

隧道的健康状况以及使用寿命进行评估,判断隧道

结构在设计基准期内的安全性,以指导运营.同时,

给出实时安全报警,提前主动采取有效的工程措施,

保证隧道结构在设计基准期内的安全;

还可以合理

配置隧道养护资源,降低成本,及时高效地保证隧道

运营状态的健康和安全.

2工程地质与水文地质条件

南京长江隧道场地为长江冲积平原区,地貌由

长江高漫滩渐变为长江低漫滩,穿越长江水域,到达

江心洲.隧道穿越地区地层较为复杂,包括:

④层淤

泥质粉质黏土,⑥层淤泥质粉质黏土夹粉土,⑦层

粉细砂,⑦:

层粉土,⑨层粉细砂,⑩层砾砂,⑩层份

细沙,⑩层圆砾.结构覆土变化较大（结构顶部至

既有河床面深度11.1～30.3m）.工程地质剖面如

图1所示.

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图1长江南京梅子洲下游地层剖面示意图

K:

:

白垩系上统浦口组.上更新统冲积层（Q;

）:

1.黄褐色粉质黏土,有的底部含砾;

2.砾砂,砾石层区;

3.灰色中粗

砂新统冲积物（Q）;

4.灰色粉细砂;

5黄褐色粉质黏土夹灰褐色淤泥质土;

6.褐黄色粉质黏土

《地下工程与隧道））2009年第3期一5一

场地地下水含水岩组主要为第四系松散岩类孔

隙水和碎屑岩类孔隙一裂隙水,其中第四系松散孔

隙水又分为潜水含水岩组和承压含水岩组,碎屑岩

类孔隙一裂隙水主要为基岩裂隙水.潜水水位受季

节及气候影响明显,承压水的动态变化主要随江水

的起落,水位相应升降,年变幅随距江边的距离增大

而减小,同时亦因上覆潜水的越流补给的影响,降雨

后水位亦升高.拟建隧道附近水位年变幅:

红色砂

岩地区接近5m,上更新统粉质黏土组成一级阶地

地区约3m,全新统分布的漫滩区略小于2.5m.碎

屑岩类孔隙一裂隙水渗透性能差,水位变幅较小.

3管片布置形式

南京长江隧道盾构段采用通用楔形环管片,通过

楔形环管片不同角度的旋转拟合线路.管片环宽

2000mm,厚度60Omm,管片布置采用"

7+2+1"

形

式,采用1/3错缝方案进行拼装.相邻管片在环,纵

缝面采用螺栓连接,环缝面安装剪切销（见图2）.

图2典型断面管片布置形式

4健康监测系统设计

4.1监测断面

基于隧道穿越地层的工程地质与水文地质条

件,管片布置形式以及隧道结构设计方案,确定单孔

布设3个监测断面,分别位于隧道两岸所穿越的江

堤段以及江中最深覆土处,江中超浅埋处位置,双洞

共设6个监测断面.

4.2监测技术

健康监测系统中采用了先进的光纤光栅传感技

术.该技术的最大优势在于可实现多传感器的级联

复用,大幅降低了单个传感器的布设成本.同时,该

技术还具有耐久性好,无电磁干扰等优势.此外,健

康监测系统中还采用了振弦式传感器与梯形阳极腐

蚀计.

4.3监测内容

对隧道管片结构健康监测分为自动实时监测部

分与定期人工检测部分,其中,自动实时监测部分包

括3个方面.

（1）环境地质作用,包括管片所承受的土压力

与孔隙水压力.

（2）管片结构力学响应,包括管片在荷载作用

下混凝土变形,钢筋应力,混凝土温度,管片间纵向

相对位移与环向相对位移以及连接螺栓拉力.

（3）混凝土腐蚀程度.

表1给出了单个监测断面上传感器种类及其数

量,其中梯形阳极系统仅布置在两个江中段断面.

定期人工检查部分包括三个方面,分别为:

断面

变形监测,结构变形监测和地层围岩监测.

针对以上检测内容选定检测设备如表2所示.

表1自动实时监测内容与传感器

监测内容监测项目传感器量程精度数量

土压力振弦式土压力计2.0MPa≤l.5%F.S.10环境地质作用

孔隙水压力振弦式渗压计1.0MPa±

0.1%F.S.10

混凝土温度光纤光栅温度计一30℃～200℃≤0.5cc10

拉伸≤0.5%F.S.,24混凝土变形光纤光栅埋人式应变计±

15001xe

压缩≤1.0%F.S.

钢筋应力光纤光栅埋人式钢筋计拉伸300MPa拉伸≤O.5%F.S.,24

管片结构力学响应压缩100MPa压缩≤1.0%F.S.

10管片环向变形光纤光栅位移计0～

25mm≤0.5%F.S

管片纵向变形光纤光栅位移计5

拉伸≤0.5%F.S.,15螺栓拉力光纤光栅应变计±

1500￡

混凝土腐蚀混凝土腐蚀电流梯形阳极系统±

999mV±

2mV2

——

6——《地下工程与隧道））2009年第3期

表2定期人工检测内容与设备

监测内容监测项目监测元件与仪器

断面变形监测隧道净空收敛收敛计,激光断面仪

结构变形监测隧道衬砌纵向沉降连通管线形监测系统

地层围岩监测注浆后空洞地质雷达

4.4软件系统

软件共包括6个子系统:

仪器控制系统,预警报

警系统,SQL数据库系统,三维有限元分析系统,隧

道数字化管养决策系统与隧道结构安全状况评估系

统.其中,仪器控制系统仅安装在采集工控机上,用

于控制光纤光栅解调仪（Sm125—500）与振弦式传

感器数据采集模块MCU的参数设置等;

预警报警系

统也同时安装在采集工控机上,当实时采集的监测

数据一旦超过预设的各级阈值后将触发报警器或其

5理论模型

它报警装置;

SQL数据库系统分别安装在采集工控

机,数据库服务器,备份服务器和2台工作站上,其

中在采集工控机上完成实时监测数据的短期存储,

在数据库服务器上完成重要数据的长期存储,在备

份服务器实现数据备份以及数据库访问,查询,统

计,分析;

三维有限元分析系统安装在后端工作站1

上,根据数据库内监测数据统计值对结构模型进行

修正后,计算结构在各工况下的响应,并将计算结果

存储;

隧道数字化管养决策系统与隧道安全状态评

估系统同时都安装在工作站2上,采用C/S结构,

通过访问数据库服务器内基本设计资料,人工采集

数据以及实时监测数据,实现管理决策与评估,并将

经过修正后的报警阈值传送至前端采集工控机.

软件系统层次结构如图3所示.

图3软件系统结构层次图

针对隧道管片结构布置形式,采用修正惯用计

算法与梁一弹簧模型进行管片内力计算,结构按匀

质圆环考虑.其中,弹簧一梁模型的典型布置示意

图如图4所示.

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图4弹簧一梁模型典型布置示意图

《地下工程与隧道&

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）2o09年第3期

采用荷载～结构模型进行有限元分析,局部采

用弹簧,曲梁一弹簧模型,共312个单元,490个节

点.其中,地层弹簧刚度根据地勘报告中给出的土

层的厚度和压缩模量等信息设置,管片接头弹簧分

剪切弹簧和弯曲弹簧,其刚度根据部分实测土水压

力一应变数据反复修正得到.

局部弹簧效应是通过全周设置只受压不受拉的

LinklO单元实现的.边界条件:

约束LinklO单元一

端的全部自由度;

耦合管片之间的环向平动自由度;

为防止衬砌整体绕圆心转动,约束四个象限点的平

动自由度（即不考虑摩擦）.有限元模型如图5所

示.荷载采用水,土压力计实测数据,作为均布荷载

加在各个管片上,自重另加.

——1——

图5有限元计算模型

6施工监测

基于已建立的管片结构健康监测系统,可实现

隧道施工期实时监测或定期检测,在隧道运营期内

可实现隧道的远程实时监测.

隧道左线浦口侧江堤下监测环里程号为LK3+

795,图6～图l2分别给出了该断面在2009年1月

21日各管片所受环境地质作用与管片结构的力学

响应,所有传感器初值于管片安装前统一采集.

由图6,图7可见,监测环管片安装就位后,从7

月28It至1月21日之间,各管片所受土压力与孔

压线性小幅降低,这与枯水期长江水位下降引起地

下水位降低的规律相对应.由图8可见,混凝土温

度随环境温度变化明显.由图9可见,各管片接缝

间距增大.由图l0与图11可见,管片内钢筋与混

凝土应变线性小幅增大.由图12可见,纵向螺栓应

变产生较大的线性增大,这表明隧道在该监测断面

位置沿纵向产生较大变形.

基于有限元模型,根据各期水,土压力变化量计

算相应结构响应变化量,并以之作为理论报警阈值.

监测结果表明,结构响应均处于报警阈值内,表明监

测环管片结构在该时问段内处于"

7结语

南京长江隧道结构健康监测系统布置各类传感

器共682只,可对6个监测断面管片结构受到的土,

水压力,各类结构响应以及混凝土腐蚀性状进行实

时在线监测,确保施工阶段工程的顺利实施,使隧道

在运营阶段始终处于"

的工作状态.下一阶

段,将进一步建立结构时变可靠度的理论计算模型,

作为长期结构健康监测结果的理论分析依据.监测

结果将为验证设计与运营管养提供宝贵的实测数据

与重要的科学依据.

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图6土压力变化时程曲线

图7孔隙水压力变化时程曲线

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图8混凝土温度变化时程曲线

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图9管片环向位移变化时程曲线

（下转第13页）

《地下工程与隧道））2009年第3期

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（1）房山线与近期市区线网其他线路换乘较便

利.乘客进入中心城可选择的路径较多,换乘效率

较高.

（2）采用两站换乘方式,既能减轻郭公庄站换

乘压力,又可减轻大量换乘客流对M9线通过能力

的冲击,从而提高中心城与房山新城客流交