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地下综合管廊健康监测项目技术方案

更新时间:2022-06-29 11:23:00点击次数:10882次字号:T|T

城市地下管道综合走廊,简称为“综合管廊”或“共同沟”,是指将设置在地面、地下或架空的各类公用类管线集中容纳于一体,并留有供检修人员行走通道的隧道结构。即在城市地下建造一个隧道空间,将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集于一体,设有专门的检修口、吊装口和监测系统,实施统一规划、设计、建设和管理,彻底改变以往各个管道各自建设、各自管理的零乱局面。各管线需要开通时,只需通知有关负责部门,接通接口即可,既便于修理,又节省了国家的资源。

由于共同沟将各类管线均集中设置在一条隧道内,消除了通讯、电力等系统在城市上空布下的道道蛛网及地面上竖立的电线杆、高压塔等,避免了路面的反复开挖、降低了路面的维护保养费用、确保了道路交通功能的充分发挥。同时道路的附属设施集中设置于共同沟内,使得道路的地下空间得到综合利用,腾出了大量宝贵的城市地面空间,增强道路空间的有效利用,并且可以美化城市环境,创造良好的市民生活环境。

由于综合管廊通常长度较长,在具体建设过程中往往需要设置伸缩缝、沉降缝,甚至采用预制拼接方法进行施工。管廊拼接处通常为薄弱位置,在环境荷载作用下可能会出现混凝土开裂、不均匀沉降、水平错动等诸多问题。这些问题不仅会严重削弱混凝土管廊的适用性和耐久性,还会对管廊内附属的各类管道造成不良影响。因此需要对混凝土管廊及附属管道进行结构健康监测,确保其安全稳定运行。

1  地下管廊结构特点介绍

随着城市的不断建设和发展,地下综合管廊由于其管理方便和提高空间利用率等各种无可比拟优点而成为中国未来市政管道建设的发展趋势。地下综合管廊也称为市政综合沟,是指将城市的给水、排水、燃气、热力、电力、通信等各种管线集中布置在一个隧道空间,行成一个集约化、规范化的新型市政基础设施。地下综合管廊属于浅层地下结构,是一种特殊的隧道。实际工程中多采用整体现浇的施工方法,现在也正在逐步地使用预制拼接的施工工艺。管廊结构具有以下特点:

(1) 线路长、覆盖面广

地下管廊结构作为重要的市政基础设施和城市生命线工程,承担着整个城市的物质和信息供应,有着城市“输送血管”的称号。由于需要覆盖和保障整个城市的水、电和网络等生活资源的供应,地下管廊结构的线路长度一般较长并且其线路覆盖面也较大,

(2) 设计使用年限长

地下管廊结构作为新型的管线铺设方式,避免了路面开挖对交通的影响,是重要的城市基础设施,因此其结构设计使用年限一般较长,在结构分类里面属于特别重要建筑,其建筑设计使用年限往往能达到100年。

(3) 地下防水等级高、预留孔洞多

地下管廊结构内集约了水、电、气等多种重要的城市基础生活资源,同时管廊结构的使用年限又较长,因此要求地下管廊结构具备较高的防水等级以防止长期渗水影响结构性能的长期稳定和可靠性。同时管廊结构设计时不仅仅是为了满足当年城市生活的需要,还会综合考虑未来较长一段时间内的城市需求,因此在设计建设时往往会预留孔洞以满足未来城市发展的需求。

(4) 结构易受外部因素影响

地下管廊结构一般位于浅层地下且地质环境复杂,同时周围建筑物较多,这些特点导致地下管廊结构容易受到外部因素的影响。上部超限荷载、结构附近未做保护措施的基坑开挖等等这些因素都可能会影响管廊结构的安全和可靠性。

2  地下管廊常见结构病害、危险性及难点分析

2.1  常见结构病害

地下管廊结构线路长、覆盖面广、所处地层环境复杂和易受外部因素影响等等这些结构特性导致地下管廊在实际使用的过程中容易出现结构病害。同时地下管廊结构的设计使用年限较长又属于特别重要建筑类型,这些结构病害会严重影响地下管廊结构的长期安全性和使用功能。因此这些病害都需要引起人们的重视并加以监测以及时进行处理和维护,地下管廊常见的结构病害如下:

(1) 沉降

地下管廊结构线路长、覆盖面广,其结构采用分段铺设的建设方法。地下管廊所处的地层又较浅,因此地下管廊结构容易受地质环境扰动而发生不均匀沉降,这些不均匀沉降特别容易集中在管廊拼接缝处,随着地下管廊结构服役时间的增加,管廊拼接缝处的沉降问题也会显得愈发突出。

(2) 裂缝

地下管廊一般采用多段管段拼接安装的施工工艺,管段为钢筋混凝土结构而管段之间采用后浇或其他刚性连接方式。当地下管廊结构上部出现过大的扰动因素影响时(如结构上部出现过大的超限荷载、周围地质环境的变化),地下管廊结构会出现裂缝病害,这些裂缝不仅会出现管段钢筋混凝土结构上还会集中发展在管段拼接缝的位置。

(3) 水平位移

地层扰动等外界影响因素同时也会导致地下管廊结构出现水平错动,这种水平方向的错动位移一般集中于管段拼接缝处。

2.2  危险性分析

地下综合管廊作为市政综合沟,内部集中布设了给排水、燃气和热力等多种管道和管线,当结构出现上述病害时会对地下管廊结构的使用和安全造成多种不利的影响,当其结构病害超过安全范围时,可能会导致以下后果:

(1) 结构出现渗水现象

当地下管廊结构拼接缝处出现严重的沉降、裂缝和水平错动时,地质环境中地下水可能会在水压的作用下渗透进地下管廊,从而导致管廊结构出现渗水现象。渗水现象不仅会严重影响结构长期使用的安全性,同时还会大大影响其结构的使用功能。同时渗水问题也对管廊内铺设的电类线缆和网络通信光缆造成较大影响,严重时可能会引起电路短路或者通信断阻等现象。

(2) 管廊内铺设管道破裂

地下综合管廊内铺设的各种市政管道均为刚性结构,管道拼接也均采用刚性拼接或者一定程度的柔性连接。当管廊结构出现过大的沉降、裂缝和水平错动时会导致市政管道出现变形,变形发展到一定程度时则会引起管道破裂等严重后果。

(3) 结构使用寿命和安全性大大降低

地下综合管廊的设计服役期一般较长,当沉降、裂缝和水平错动等病害的发展会导致结构出现渗水、不均匀受力和应力集中等问题。在管廊漫长的服役期内,这些病害和问题的发展会大大降低结构的使用功能和寿命以及结构安全性。

综上所述,非常有必要对地下管廊结构进行结构健康监测,及时了解其结构病害的发展程度并及时进行预警,在结构出现不可逆转的灾变以前及时采取相应措施以确保管廊结构长期安全使用。

2.3  难点分析

地下综合管廊虽然较早就被引入到国内,但受限于种种原因而没有得到广泛的推广,近些年来随着城市规模的不断扩大,各种市政问题的不断凸显,地下管廊由于其种种优势而引起人们的重视。对于地下管廊结构的健康监测更是处于起步探索阶段,由于管廊结构的特殊性,对其进行结构健康监测也存在着诸多难点:

(1) 传统监测手段难以直接应用于管廊结构

地下管廊结构线路长,传统的沉降、裂缝和倾角传感器大都是电类传感器,电类传感器会因长距离的信号传输会导致其信噪比大大降低,从而影响其测量精度。同时管廊内一般都会有燃气管道,电类传感器会引起一定程度的安全隐患,所以传统的电类传感器难以直接应用于管廊结构健康监测。近些年来迅速发展的光纤光栅传感技术由于其信号传输距离长、不受电磁信号干扰以及以光作为敏感和传输介质的特性而非常适用于地下管廊结构健康监测,光纤光栅传感器技术也逐渐成为管廊结构健康监测技术的发展趋势。

(2) 需要发展管廊结构专用的监测传感器及安装方式

由于管廊结构的特殊性,目前市面上现有的电类沉降、裂缝和位移传感器都难以直接运用于管廊结构健康监测当中。而现有的基于光纤光栅传感技术的传感器受限于测量量程、测量精度和安装手段等原因也难以直接用于管廊结构监测当中。因此,需要针对管廊结构的特殊性以及监测环境的特殊性开发基于光纤光栅传感技术的管廊监测专用传感器。同时由于地下管廊结构拼接安装的施工方式以及结构病害往往集中于拼接缝处的结构特性,传统传感器的安装方式难以直接移植至管廊结构,需要研发针对管廊结构的传感器安装方式,开发相应的结构转换装置以适用管廊特殊的安装环境。

(3) 监测系统开发及集成难度大

地下管廊结构管线长、覆盖面广,因此其结构健康监测系统具有以下几个特点:1)传感器种类多、数量大;2)监测位置分布广;3)信号同步采集精度高;4)数据采集系统需要具备较强的数据处理和运算分析能力等。管廊结构健康监测系统的以上特点都大大提高了其监测系统的开发和集成难度。

针对于地下管廊结构常见的结构病害和监测难点,我们提出了基于光纤光栅传感技术的管廊结构健康监测方案,研发出针对于地下管廊结构健康监测的光纤光栅传感器、安装手段、监测设备和系统以及结构安全性评价方法。

本项目将针对上海世博园内综合管廊为工程背景,针对管廊及附属管道的裂缝、沉降、水平位移等问题提出一整套监测方案。
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