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隧道结构全寿命健康监测系统

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隧道结构全寿命健康监测系统

XXXX

隧道结构全寿命健康监测系统方案

2017年6月8日

1工程概况

xxx隧道的建设对xxx市的社会、经济发展具有十分重要的意义，xx隧道建成后，其长期安全的保证至关重要。

2监测断面选取

为保证xx通道隧道结构长期安全，考虑隧道管片衬砌结构所赋存的工程水文地质条件及施工特点，拟针对隧道结构受力及变形状态、地震及钢筋混凝土腐蚀三个方面的信息进行长期监测，分别选取典型监测断面信息如下所示。

隧道衬砌结构受力及变形状态监测断面选取

综合考虑隧道赋存地层的工程水文特性、隧道埋深及结构体系情况，盾构段选取10个测试断面，岸上明挖段选取2个测试断面（见图2），其相应的里程及断面特征如表1所示，各个监测断面的具体地层及水文地质信息如图3所示。

表1隧道结构受力及变形状态监测断面

断面编号

断面里程

断面特征

1

WK3+700

岸边段近接盾构接收井断面（明挖断面）

2

EK3+820

岸边消能节点断面

3

WK4+100

隧道纵向变弯点

4

EK4+530

水下两消能节点间断面

5

EK4+620

水下消能节点断面

6

WK4+650

水下透水地层断面

7

WK4+800

水下软硬互层断面

8

EK5+500

水下地层突变断面

9

EK5+890

水下非透水地层断面

10

EK6+370

地层突变断面

11

WK6+750

临近始发井上软下硬地层

12

WK7+100

岸边段（明挖断面）

图2隧道结构受力及变形状态监测断面分布图

（a）断面1（b）断面2（c）断面3（d）断面4（e）断面5（f）断面6

（g）断面7（h）断面8（i）断面9（j）断面10（k）断面11（l）断面12

图3隧道结构受力及变形状态监测断面地质纵断面图

地震信息监测断面选取

综合考虑隧道赋存地层的工程水文特性及消能节点设置情况，选取如下4个测试断面（见图4）进行地震信息监测，其相应的里程及断面特征如表2所示。

图4地震信息监测断面分布图

表2地震信息监测断面

断面编号

断面里程

断面特征

1

WK3+700

岸边段近接盾构接收井断面（明挖断面）

2

EK4+530

水下两消能节点间断面

3

EK5+500

水下地层突变断面

4

WK6+750

临近始发井上软下硬地层

隧道结构腐蚀监测断面选取

考虑隧道结构特性及隧道赋存地层的工程水文特性，选取如下4个测试断面（见图5），其相应的里程及断面特征如表3所示。

表3隧道结构腐蚀监测断面

断面编号

断面里程

断面特征

1

WK3+700

岸边段近接盾构接收井断面（明挖断面）

2

EK3+820

岸边消能节点断面

3

WK4+650

水下透水地层断面

4

EK5+890

水下非透水地层断面

图5隧道结构腐蚀监测断面分布图

3监测内容及监测元件选取

根据不同类型的监测断面，选取相应的监测元件，主要介绍盾构衬砌管片的元件选取，岸上明挖段参考管片即可。

具体如下所示。

隧道结构受力及变形状态监测内容及监测元件选取

对于盾构隧道管片衬砌结构受力及变形状态的监测主要考虑管片衬砌结构所受的土/水压力、管片内力及管片接缝张开量等四项内容，各项监测内容所使用的监测元件及布置方式如下所示，在每块管片上的位置关系如图6所示。

图6元器件及接线孔平面位置展布图

（1）土压力

土压力采用土压力盒进行测量，针对xx通道管片衬砌结构的分块形式，拟对每个断面布置9个土压力盒，其布置位置及实施方法如下所述，其中土压力盒的布置位置如图7所示。

图7土压力盒布置图

土压力埋设在管片预制期间实施，根据所选断面位置确定相应的管片。

如图8所示，混凝土内的土压力盒的安装采用绑扎式安装，将感应面与管片迎土面相平，保证感应面暴露并能感受外部压力。

安装时，在土压力盒周围缠绕一层大约为1mm厚的弹性保护垫层，以减小管片变形对测试元件的影响，并根据管片外弧面混凝土保护层厚度选择适当直径的钢筋来连接压力盒与受力主筋，通过绑扎方式固定测试元件位置。

然后将测试用的信号传输电缆导入专用走线通道。

图8土压力盒、水压力计安装

（2）水压力

水压力采用水压力计进行测量，针对xx通道管片衬砌结构的分块形式，拟对每个断面布置5个水压力计，其布置位置及实施方法如下所述，其中水压力计的布置位置如图9所示。

图9水压力计布置图

在埋设前，在孔隙水压力计周围缠绕一层大约1mm厚的弹性保护垫层，以减小管片变形对测试元件的影响，并用毛巾块封住水压力计渗水石，确保其在浇注混凝土和施工进行壁后注浆时不被水泥砂浆封堵，保证其渗透作用，以感应水压力。

在对其进行固定时，将水压力计两端绑扎于预先固定在管片受力筋上的两个Φ10钢筋上，如图8所示。

然后将测试用的信号传输电缆导入专用走线通道。

（3）管片内力

管片内力采用混凝土应变计及钢筋应力计进行测量，针对xx通道管片衬砌结构的分块形式，拟对每个断面布置9对混凝土应变计和9个钢筋应力计，其布置位置及实施方法如下所述，其中混凝土应变计和钢筋应力计的布置位置如图10所示。

图10混凝土应变计和钢筋应力计布置图

由于混凝土应变计测试的是管片环向应变，因此应变计的绑扎方向应与环向受力主筋方向平行，且每个测试点内外侧钢筋上各布置一个应变计，混凝土应变计和环向主筋高度一致并量测内外应变计之间的距离。

钢筋应力计的应变感应方向和环向受力主筋方向一致，每个测试断面内外侧各布置一个，将主筋截断相应长度后将钢筋应力传感器和主筋焊接为一体，焊接中要确保钢筋应力传感器不受弯，并严格控制钢筋应力传感器的温度，将测试传输电缆导入专用走线孔，如图11所示。

（a）混凝土应变计（b）钢筋应力计

图11结构内力测试仪器的安装

（4）管片接缝张开量

管片接缝张开量采用表贴式测缝计进行测量，针对xx通道管片衬砌结构的分块形式，拟对每个断面布置5个接缝张开量测点，分别为拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底，每个测点放置环向和纵向两个表贴式测缝计，其布置位置及实施方法如下所述，其中混凝土应变计和钢筋应力计的布置位置如图12所示。

（a）测缝计测点分布图（b）单点测缝计布置图

图12表贴式测缝计布置图图13表贴式测缝计安装图

表贴式测缝计分别用来测量环向分块间的接缝张开量和环间（纵向）接缝张开量，表贴式测缝计不需预埋，在管片衬砌拼装完成后固定于管片混凝土内表面，安装时，表贴式测缝计要和管片分块接缝保持垂直，如图13所示。

地震信息监测元件选取

对于地震信息的监测主要考虑监测断面处的加速度及动应变监测，加速度采用埋入式三向加速度传感器进行监测，动应变采用埋入式或表贴式动应变计进行监测。

加速度传感器与动应变计的埋设在管片预制期间实施，根据所选断面位置确定相应的管片，加速度传感器与动应变计的布置位置如图14所示。

加速度传感器通过绑扎方式固定在管片钢筋上，动应变计则在测点处管片的内外弧面各布置一个，应注意保证管片混凝土保护层厚度，然后将测试用的信号传输电缆导入专用走线通道。

图14加速度传感器与动应变计布置图图15钢筋锈蚀传感器布置图

隧道结构腐蚀监测元件选取

对于盾构隧道管片衬砌结构腐蚀监测主要考虑监测断面处管片内钢筋的锈蚀情况监测，监测元件采用埋入式钢筋锈蚀传感器。

钢筋锈蚀传感器的埋设在管片预制期间实施，根据所选断面位置确定相应的管片，考虑到结构受力特征及钢筋锈蚀传感器的工作原理，钢筋锈蚀传感器的布置方式如图15所示。

钢筋锈蚀传感器固定在管片主筋上，应注意保证管片混凝土保护层厚度，然后将测试用的信号传输电缆导入专用走线通道。

隧道明挖断面结构监测元件布设

在岸边暗埋区段增加结构受力及变形状态监测断面2个、地震响应监测断面和结构腐蚀监测断面各1个。

鉴于结构施工工法的差异，元件布置方案与盾构隧道监测断面不同，其断面元件布置如图16所示，在埋设过程中，结合明挖法衬砌具体施工部序进行预埋。

图16明挖法断面传感器布置图

4费用预算

隧道结构全寿命健康监测系统经费预算费用合计800万元，主要包括：

测试元器件费、测试设备费、数据采集终端研发费、试验材料费、测试化验加工费、差旅费以及软件系统研发费用等。

隧道结构全寿命健康监测系统经费预算费用合计800万元，主要包括：

测试元器件费、测试设备费、数据采集终端研发费、试验材料费、测试化验加工费、差旅费以及软件系统研发费用等。

（1）测试元器件费用（万元）

表4消耗性测试元件数量与费用开销一览表（总计万元）

设备名称

计量

单位

单价

（万元/单位数量）

购置数量

金额

（万元）

用途

钢筋计

个

120

现场钢筋应力测量

应变传感器

个

238

现场混凝土应变

土压力传感器

个

110

现场土压力测量

孔隙水压力计

个

66

现场孔隙水压

表贴式测缝计

个

110

裂缝张开量

加速度计

个

8

地震测试

动应变计

个

38

结构动力响应测试

钢筋锈蚀计

个

22

钢筋锈蚀测试

数据线

卷

30

测试数据采集

（2）测试设备费（万元）

表5测试设备开销一览表（总计万元）

设备名称

计量

单位

单价

（万元/单位数量）

购置数量

金额

（万元）

用途

静态数据采集仪

个

12

静态数据采集

动态数据采集仪

个

8

动态数据采集

（3）数据采集终端研发费（万元）

表6数据采集终端开销一览表（总计万元）

设备名称

计量

单位

单价

（万元/单位数量）

购置数量

金额

（万元）

用途

数据采集终端

套

20

数据自动采集

（4）试验材料费（万元）

表7室内模型试验材料费用开销一览表（总计万元）

材料名称

计量

单位

单价

（万元/单位数量）

购置数量

金额

（万元）

备注

钢筋

吨

6

水泥

吨

10

河沙

方

20

模型土

方

20

石膏

吨

5

豆石骨料

方

10

粗骨料

方

10

矿物掺合料

吨

添加剂

吨

模具用木材

方

20

腐蚀环境模拟化学材料

套

50

二氧化碳、氯离子、化学腐蚀剂等

运输费

次

20

（5）测试化验加工费（万元）

表8测试化验加工费预算明细表

测试化验名称

计量单位

单价

（万元/单位数量）

数量

金额

（万元）

传感器标定

套

1000

实验室仪器校正及检验费

次

20

传感器安装加工费

个

800

地下结构内测线埋设及固定

点

2000

合计

万元

（6）差旅费（万元）

差旅费包括现场测试外埠交通及住宿费用、市内交通费用等，总计万元，按照目前平均水平进行预算，差旅费预算明细表如下所示。

表8差旅费

费用名称

计量单位

单价

（万元/单位数量）

出差人次

金额

（万元）

备注

现场测试外埠交通费

人次

200

平均单程按每人万元考虑，往返为万元

现场测试外埠住宿费

人天

200

每人次出差按3天住宿计，每天万元

试验期间市内交通费

人次

500

合计

万元

（7）软件系统研发费用（万元）

主要包括数据采集、传输、处理、评估方法及预警的研发、软件系统的研发等费用，以支持远程长期监测系统的搭建，所涉及的相关调研、开发、测试等费用合计万元，其中调研费万元，评估方法及预警的研发费用万元，软件系统开发费用万元，软件测试费用万元。