南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用

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1、南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用南京长江隧道管片结构健康监测系统设计与应用王军,张巍(1.南京长江隧道有限责任公司;2.南京大学)摘要: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,设计了南京长江隧道管片结构健康监测系统,以隧道左线浦口侧江堤下监测环为例,分析了隧道施工阶段管片所受环境地质作用与结构响应状态,确定该阶段内监测环管片结构处于"健康"的工作状态.关键词:盾构隧道;管片结构;健康监测;预警报警系统1概述南京长江隧道工程位于南京长江大桥与长江三桥之间,连接南京河西新城区,江心洲和浦口区.隧道总长5853

2、m,为双向6车道城市快速路,设计车速80km/h.工程采用"左汊盾构隧道+右汊桥梁"方案,其中:左汊盾构隧道建筑长度3790nl,采用两台014.93m泥水平衡盾构同向掘进.隧道穿越地层主要为第四纪沉积的软土,沙土,中段最深点为一51.O0m,最大水压约0.65MPa.南京长江隧道为超大直径盾构隧道,工程面临水压力高,透水性强,地质条件复杂,覆土超薄,掘进距离长等世界级技术难题.鉴于工程建设规模大,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

3、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j一一施,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

4、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.21111!!!1211图1长

5、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

6、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

7、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.

8、(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