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盾构隧道结构健康监测系统研究

更新时间:2016-04-25 08:48:16点击次数:4756次字号:T|T
引言

随着我国基础建设投入的不断加大各种超高层建筑近海平台大跨度桥梁及水底隧道等复杂工程结构大量问世与此同时许多已建和在建工程结构事故频发引起了社会对结构安全问题的极大关注值得注意的是在这些事故突发前都出现了各种不同程度的结构破坏征兆只要采取适当的检测和监测手段就能避免事故的发生将生命和财产的损失降低到最小程度相比而言水下盾构隧道结构遭遇突发事件后损失相对较高而且难以修复对于长距离高水压大直径盾构隧道结构稳定性及耐久性等是设计施工及运营阶段需要重点考虑的问题因此将现代传感测试技术数据采集与处理技术和结构安全评估技术相结合以明确盾构隧道结构关键部位的受力状态进而对盾构隧道结构的性能变化和剩余寿命进行预测并做出维护决定保障结构的安全运营所以盾构隧道结构健康监测关键技术的研究是延长盾构隧道运营周期提高社会效益和经济效益的有效手段

1盾构隧道健康监测技术特点

1.1盾构隧道结构的复杂性

盾构隧道的主要受力构件是管片结构,其次是管片周边一定范围内的地层(注浆加固圈和天然地层).盾构隧道结构的力学响应是管片结构和地层相互作用的结果,外界影响因素很多,各因素的影响程度不同.相对于地面大型建筑物、桥梁等荷载明确的结构而言,盾构隧道结构外部荷载的变化大部分必须通过地层才能反映到管片结构上.因此,隧道结构对外荷载的敏感度不直接,主要影响因素及影响程度需通过进一步研究确定.

1.2监测过程的连续性

盾构隧道结构的健康监测包括施工阶段和运营阶段.施工阶段的监控量测目的是保证施工安全,同时反馈指导施工.而运营阶段的健康监测则主要是为了保证隧道结构能够正常、安全的承担运营任务.盾构推进打破地层原有的平衡状态,进入运营阶段后逐步趋于新的平衡,即2个阶段的受力状态变化呈连续性.要建立完善的健康监测系统必须全面了解盾构隧道结构从施工到运营整个过程的结构状态信息.

1.3监测元件的耐久性

盾构隧道结构周围为地层,大部分监测元件必须预埋,这对监测元件的耐久性提出了较高要求.由于水底盾构隧道工程环境的特殊性,除了要考虑一般原则外,还应当重点考虑在潮湿或含水条件下元件的稳定性和耐用性.光纤光栅传感器通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息,其优点是信号衰减小、耐腐蚀性好、抗电磁干扰能力强、易于实现分布式测量等,在盾构隧道健康监测系统中不断得到应用.

2健康监测系统研究

2.1工程概况

XX市过江通道工程,江中段采用双管双层8车道盾构隧道,管片外径14.5m,厚度0.6m.工程所处的位置水压高、入岩深度大、厚度不均、河床冲刷深度大、地质条件多变等,这些复杂建设条件对盾构隧道结构的受力、防水、耐久性、抗浮、抗震均不利(见图1),对盾构隧道施工过程的安全,乃至隧道运营期的安全保障等方面均提出了严峻考验.

2.2工程特点

根据相关资料,本项目具有如下特点:地质条件复杂,其中江中段有长达700多m的岩层,部分全断面侵入岩层;盾构段复合地层长达4 135m;水压力高达0.77MPa;最大埋深达66m;江中覆土厚度超浅约0.7D,浅覆土段长达1000m等.

2.3监测重点

在运营期,盾构隧道结构健康监测包含许多项目,其中盾构段管片结构里程长、接缝多,所处环境及地质条件复杂多变,故管片结构是健康监测的重点.在调研国内外水底盾构隧道工程实例的基础上,针对过江通道工程的特点,对管片结构的横、纵断面进行了结构计算,计算中考虑隧道纵坡的变化、覆土厚度的变化及纵向地质条件的变化等几种最不利工况.根据计算结果对管片结构的受力状态进行分析总结,从而初步得到了盾构隧道管片结构的应力、应变分布特点.

1) 纵断面监测重点

由于地面(含河床线)起伏变化较大,在结构计算时根据隧道所处的地层特点、上覆土变化、地下水位等特征选取不同的横断面进行计算,岸上段水位取勘察现状水位,江中段取百年一遇水位11.08m,计算断面见表1,图2.


2) 横断面监测重点,见图3

(1)管片左、右侧(0°,180°)受力与管顶、底相反,内外侧拉压应力均较大.

(2)管片结构弯矩零点大致位于45°,135°,225°,315°部位.

(3)上述结论为管片结构在一般情况下的内力分布规律,精确受力分布情况及大小需视工程具体位置受载情况经结构计算而定[4].

2.4系统在线监测项目通过对南京市纬三路过江通道工程中起控制作用的断面进行环境调查和理论分析,确定了健康监测系统监测位置、项目及仪器等.盾构结构实时在线监测项目见表2

3系统架构

盾构隧道结构健康监测系统作为一个多学科交叉的综合性系统工程,既包括硬件系统的集成。

也包括软件系统的集成.其核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息,在对监(检)测信息进行综合分析的基础上评估结构的安全状态,为结构安全、高效、经济的运营提供技术支持.

3.1数据采集与处理控制子系统

1)传感元件模块

该模块是整个监测系统最底层的硬件模块.其主要功能是:在起控制作用、具有代表性的截面和部位上安装各种类型的传感测试元件,拾取结构荷载源参数和结构响应参数,然后通过适宜的传输方式传送给数据采集和传输模块中的采集板卡或调理器进行模数转换,完成数据采集.

2)数据采集与传输模块

该模块包括电子采集传输硬件设备和采集传输控制软件的开发.主要功能是通过该模块的采集板卡或调理器将传感器传过来的模拟信号转换成计算机可识别的数字信号并通过有线、无线网络输送到监控中心的数据处理和控制模块.

3) 数据处理与控制模块

该模块包含监控中心计算机设备和相应的数据处理和分析软件.主要功能是由计算机系统完成数据的预处理、后处理、归档、显示和存储等数据管理,并通过网络设置和控制现场的各个传感测试元件、数据采集站和调理器设备.

3.2结构安全预警与综合评估子系统

盾构隧道结构安全预警与综合评估子系统是整个长期健康监测系统的核心.根据数据采集和处理控制子系统获得的数据和信息,安全评估系统进行客观分析和评估,实现对隧道结构的整体安全性、耐久性和正常使用性的科学评价,为盾构隧道管理者提供维护决策依据.而盾构健康结构健康监测评估系统的基础工作目标之一是建立一个参数正确、边界条件符合实际的有限元计算分析模型.因此,有限元结构分析过程分如下3步.

1)有限元分析模型 健康监测评估子系统

采用专用岩土工程分析程序Flac 3D,MIDASGTS、同济曙光和结构分析软件ANSYS,ABAQUS等建立“荷载-结构”或“地层-结构”模型.前者主要对结构受力进行平面分析;后者将管片衬砌离散成梁单元(或板单元),地层离散为实体单元,可以考虑结构的几何非线性,并可以对隧道及地层进行稳定性和动力特性计算分析.根据评估的项目和目的不同并结合效率综合选择平面或三维分析方法建立计算模型.

2)参数修正和评估

最初的计算模型建立在设计参数的基础上,而实际的隧道状态与设计的理想状态是有一定差别的,这样在结构分析计算中不可避免的存在误差.计算误差主要包括:模型误差、测量误差、施工误差.在施工阶段,为了尽量获得盾构隧道的实际状态,需要将隧道的变形、内力等各项指标的监测数据与理论计算值进行比较,分析结构的实际状态与理想状态的偏差,用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的原因,并进行修正以达到最大程度减小计算模型与实际隧道结构的偏差.在营运阶段,结构初期受车辆、环境温度等外界荷载作用,结构与地层的状态会发生一定的变化,而这种变化主要发生在开始运营的头两年.利用运营前几年对结构刚度、内力、动力特性的监测,根据监测数据对有限元分析模型进行修正并对修正后的计算结果进行校核,保证计算与实际相吻合,然后建立结构响应数据库,以便在后续分析中消除其它因素影响,使健康评估系统真实的反应结构的内力和变形.有限元模型见图4.

3)预警阀值设定

结构损伤预警是隧道结构健康监测系统设计的第一层次,目标是全面、及时和可视化监控且快速识别异常.预警阀值的设定是整个隧道结构健康监测系统中必不可少的模块之一,占据着重要的地位.

3.3用户界面子系统设计

1)监控中心软件

主要包含一个界面框架和多个扩展模块,包括静态资料管理扩展模块、实时数据处理扩展模块、巡检管理扩展模块等等.用户界面子系统以用户界面框架为中心,以插件的形式加载其它扩展模块,并通过界面框架提供的接口进行协调以及相互的功能调用,还可以根据功能需求随时定义和增加新的扩展模块.

2)数字化模型展示

通过GIS平台(见图5)展示系统范围内的地形、地貌、结构物以及系统设备、附属物等信息,并可以实现查询、统计、分析、定位等功能.


3)系统控制功能

通过界面子系统,设定和下发其它子系统的运行参数,对整个系统进行自动化管理和配置,协调各个子系统进行工作,该功能通过开发者定义的用户界面进行操作,部分功能通过用户定义和配置数据库,系统通过计时或者条件触发,自动实施控制.

4)静态数据管理功能

提供和结构相关的信息进行管理的静态信息管理功能,主要包括结构的设计资料、施工资料、竣工资料、隧道试验资料以及本系统的设计实施资料和与系统和结构有关的其他资料,统一纳入静态数据管理中进行管理.

5)实时数据处理功能

提供数据的采集和实时展示的功能,通过接受数据采集和传输子系统上送的数据,实时解算并进行初步分析,对处理结果进行展示,主要包括实时数据的展示、与模型的关联、系统设备工作工况的查看以及监测系统提供的专业专题.

4结论

1)光纤光栅传感器元件以其优越性成为健康监测系统的主要监测仪器,即以光纤光栅长期监测手段为主,结合其它定期检(监)测仪器来监测盾构隧道结构的变形和受力.

2)结合有限元理论分析结果和盾构隧道结构特点、破坏模式,明确结构的薄弱环节和易于发生破坏的位置,由此可确定高水压、大直径和长距离水底盾构隧道结构健康监测的项目、内容和重点.

3)将现代传感测试技术、数据采集与处理技术和结构安全评估技术相结合,确定损伤区域,并采用与人工巡检相结合的手段对盾构隧道结构健康状况进行评估.

4)预警、报警级别的确定及控制值,及各项评估指标的权值需从国内外大直径水底盾构隧道的建设经验、试验成果、理论分析及专家系统各方面综合确定,且受地质条件的影响,是一个动态的过程.因此,盾构隧道结构健康状况评估和诊断是一个动态的、长期的过程,需要持续的研究和探索.