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臨海富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2018-01-03 05:12:55張忠宇陳喜坤唐心煜
城市道橋與防洪 2017年12期
關(guān)鍵詞:管廊軟土斷面

張忠宇,黃 俊,陳喜坤,唐心煜

(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210019)

臨海富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張忠宇,黃 俊,陳喜坤,唐心煜

(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210019)

連云港大部分綜合管廊處于富水軟土地區(qū),運營中面臨著較大的病害風(fēng)險。以徐圩新區(qū)綜合管廊(一期)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為例,研究了富水軟土地區(qū)綜合管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題。明確了監(jiān)測應(yīng)以不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉(zhuǎn)作為重點監(jiān)測項目;確立了重點關(guān)注穿河節(jié)點、穿路節(jié)點、斷面變化處和管廊節(jié)點處為重點監(jiān)測斷面;建立了FBG光纖傳感系統(tǒng)架構(gòu),并提出了以三級預(yù)警為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測報警預(yù)警值及其控制指標。

富水軟土;綜合管廊;健康監(jiān)測;光纖光柵;結(jié)構(gòu)評估;病害

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是通過在結(jié)構(gòu)易發(fā)病害位置埋設(shè)不同類型的傳感器,采集到結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力、位移等指標后通過傳輸系統(tǒng)反饋到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,并采用數(shù)據(jù)評估軟件實時分析評估,從而判斷結(jié)構(gòu)安全狀況,對結(jié)構(gòu)的病害預(yù)防和管理具有指導(dǎo)意義[1]。

20世紀90年代以來,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)逐漸受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注[2]。在土木工程領(lǐng)域,最早采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的是大型橋梁[3],取得較好效果之后逐漸推廣至建筑物、構(gòu)筑物與隧道等。目前已經(jīng)在一些大型隧道中得到了具體應(yīng)用[4],見表1。

近些年,綜合管廊的建設(shè)如火如荼,國家、地方相繼出臺了大量政策支持綜合管廊的建設(shè)。江蘇省十三五期間規(guī)劃開工建設(shè)城市地下綜合管廊300 km以上。

據(jù)了解,目前江蘇地區(qū)建設(shè)的大部分綜合管廊均處于新城區(qū),而大部分新城區(qū)處于富水軟土環(huán)境中。這種地質(zhì)具有蠕變特性[5],一般表現(xiàn)為流塑狀態(tài),壓縮性高、土質(zhì)差[6],對綜合管廊后期沉降和結(jié)構(gòu)變形會造成較大影響,如圖1所示。

表1 健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用案例

富水軟土環(huán)境中,綜合管廊在長期的自然環(huán)境和使用環(huán)境雙重作用下出現(xiàn)滲水、結(jié)構(gòu)不均勻變形、裂縫、腐蝕等病害的風(fēng)險較一般環(huán)境更高[7],這給結(jié)構(gòu)的正常使用帶來較大威脅,甚至造成安全事故[8]。因此,采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實時了解結(jié)構(gòu)病害發(fā)展程度和發(fā)展過程,對于評估結(jié)構(gòu)使用功能、制定維修養(yǎng)護對策、避免重大安全事故等具有重要意義。本文以連云港徐圩新區(qū)綜合管廊為依托開展了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,該項目場區(qū)內(nèi)基本為淤泥質(zhì)軟土,且距黃海較近,工程風(fēng)險較大,開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計十分必要。

圖1 江蘇省內(nèi)軟土分布情況

1 工程概況及問題的提出

1.1 概述

連云港市徐圩新區(qū)地下綜合管廊項目位于徐圩新區(qū)節(jié)能環(huán)??萍紙@,屬省級綜合管廊試點項目,采用“三縱三橫”管廊布局,總長24.8 km,一期擬實施16 km,包括徐圩新區(qū)江蘇大道、環(huán)保二路、西安路、方洋路四條園區(qū)道路地下綜合管廊以及為上述道路綜合管廊配套的控制中心,如圖2所示。

圖2 綜合管廊平面布置圖

本項目容納管線較大,屬大斷面綜合管廊。其中,江蘇大道綜合管廊采用三艙、四艙斷面,斷面寬10.40~15.35 m;西安綜合管廊采用雙艙斷面,斷面寬13.80~14.90 m。各管廊斷面尺寸見表2。

表2 管廊斷面尺寸

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

場區(qū)地處沿海,地基承載力差,屬海積平原區(qū)[9]。本工程沿線地段地層主要由第四系的素填土、黏性土、粉(砂)土構(gòu)成,管廊下穿位置存在大量淤泥層,主要特性為灰黑色、流塑狀,屬全新世海積物,厚2~10 m。含水量80%,屬高壓縮性土,為不良工程地質(zhì)層。此軟土地質(zhì)環(huán)境下,建成的管廊面臨著不均勻沉降、易腐蝕等問題。

此外,場區(qū)內(nèi)還有大量鹽田地帶,近海淤泥層厚度愈大,頂板埋深愈淺,工程地質(zhì)條件愈差。該地段以四層結(jié)構(gòu)為特點。淤泥層厚度13~15 m,局部厚達20 m;頂板埋深1~2 m。淤泥層底部分布黏土或粉、細砂層。此地帶有淺層地下水,具有結(jié)晶性侵蝕作用,如圖3所示。

圖3 場區(qū)內(nèi)典型地質(zhì)斷面圖(單位:m)

1.3 周邊環(huán)境

如圖4所示,場址周邊開闊空曠,基本無建(構(gòu))筑物。但場址范圍內(nèi)河道較多,主要有張圩港河、方洋河、納潮河、中心河等,綜合管廊與河道、道路的主要交叉節(jié)點情況如下:

(1)江蘇大道綜合管廊下穿河道節(jié)點3處、道路節(jié)點19處、鐵路節(jié)點1處。

(2)西安路綜合管廊下穿河道節(jié)點2處、道路節(jié)點4處。

(3)環(huán)保二路綜合管廊下穿河道節(jié)點1處、道路節(jié)點1處。

(4)方洋路綜合管廊下穿道路節(jié)點7處。

圖4 周邊環(huán)境

1.4 主要工程風(fēng)險

本工程面臨的主要工程風(fēng)險為:

(1)深厚淤泥層中,線狀綜合管廊結(jié)構(gòu)的縱向不均勻沉降。

(2)臨近道路,大斷面綜合管廊結(jié)構(gòu)的橫向不均勻沉降。

(3)近海富水軟土,結(jié)構(gòu)防水失效、結(jié)構(gòu)開裂等導(dǎo)致的耐久性問題。

(4)下穿河流、道路、鐵路節(jié)點處,結(jié)構(gòu)斷面變化處,結(jié)構(gòu)的差異沉降。

(5)新城區(qū)綜合管廊周邊新建項目實施引起的地層位移及結(jié)構(gòu)損傷。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計內(nèi)容

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容包括監(jiān)測項目、監(jiān)測斷面和測點布設(shè)、系統(tǒng)架構(gòu)、預(yù)警及報警。

2.2 監(jiān)測項目的選取

2.2.1 監(jiān)測項目重要性分級

本項目位于富水軟土地區(qū),存在多種結(jié)構(gòu)病害種類,同時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)又屬傳感器投入較多的保障系統(tǒng),從兼顧結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟性角度出發(fā),重點考慮監(jiān)測項目超過警戒值對結(jié)構(gòu)危害大、發(fā)生概率高,且發(fā)生后需及時處理的監(jiān)測項目。

分析本工程可能存在的結(jié)構(gòu)病害情況,根據(jù)結(jié)構(gòu)病害的危害程度、發(fā)生概率及緊急程度等不同,分成 A、B、C 三級,見表 3。

表3 本項目監(jiān)測項目分析

經(jīng)分析,認為結(jié)構(gòu)滲漏水通常因結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生,屬于間接病害;結(jié)構(gòu)軸向變形可通過結(jié)構(gòu)不均勻沉降及接縫張開度等間接獲取。因此,本次監(jiān)測選取不均勻沉降、接縫張開度、斷面扭轉(zhuǎn)三個指標進行實時監(jiān)測。同時,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)留部分接口,后期必要時可增設(shè)相關(guān)測點。

2.3 監(jiān)測斷面和測點布設(shè)

2.3.1 結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生規(guī)律

(1)不均勻沉降。建設(shè)范圍內(nèi)軟塑淤泥層對徐圩新區(qū)綜合管廊的影響較大,結(jié)構(gòu)不均勻沉降的風(fēng)險較大,這種結(jié)構(gòu)變形可直接導(dǎo)致管廊伸縮縫錯臺、密封墊失效,從而發(fā)生滲漏水、內(nèi)部設(shè)備腐蝕等一系列后果。

(2)接縫變形。伸縮縫是地下結(jié)構(gòu)為適應(yīng)荷載變化、地基沉降、混凝土收縮與徐變等引起變形而采取的措施。伸縮縫過度張開或擠壓將損壞接縫處止水帶,進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏水,甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)碎裂(擠壓)。

(3)斷面扭轉(zhuǎn)。徐圩新區(qū)綜合管廊斷面有2、3、4艙,橫向?qū)挾?.55~15.53 m,綜合管廊單側(cè)沉降或加固不均等因素均會導(dǎo)致管廊發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)病害,從而導(dǎo)致管廊內(nèi)設(shè)備發(fā)生損壞。

2.3.2 全線監(jiān)測內(nèi)容

由于本項目綜合管廊規(guī)模較大,達16 km,監(jiān)測斷面的選擇與測點的布置在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本。本次設(shè)計充分考慮結(jié)構(gòu)病害發(fā)生的規(guī)律,從功能性與經(jīng)濟性的角度出發(fā),采用總體監(jiān)測與局部重點監(jiān)測的組合方式。既能夠滿足對整個工程的全覆蓋,也能夠滿足重點區(qū)域具有足夠的數(shù)據(jù)。

全線監(jiān)測以全部工程主體為對象,采用準分布式方式布置斷面,監(jiān)測的主要內(nèi)容為不均勻沉降。全線監(jiān)測以交叉節(jié)點(穿越河流、穿越道路)、地質(zhì)條件變化處、結(jié)構(gòu)斷面變化處為主要監(jiān)測斷面。江蘇大道綜合管廊的全線監(jiān)測斷面見表4,該綜合管廊與道路、鐵路、河道交叉節(jié)點較多,全線共布置85個斷面。

表4 全線監(jiān)測斷面布置

2.3.3 局部重點監(jiān)測內(nèi)容

作為全線監(jiān)測的補充,在部分已布設(shè)差異沉降測點的斷面上增設(shè)其他監(jiān)測項目,如綜合管廊下穿河道最低點,下穿主干道處、結(jié)構(gòu)斷面突變處,上覆荷載突變處等位置。增設(shè)的監(jiān)測內(nèi)容為伸縮縫張開量、斷面扭轉(zhuǎn)。江蘇大道綜合管廊局部重點監(jiān)測斷面見表5。

表5 重點監(jiān)測斷面

不均勻沉降(差異沉降)監(jiān)測通過布設(shè)位移計實現(xiàn)。傳感器布置于綜合管廊接縫處,每個接縫處布設(shè)兩個位移計(橫向和斜向)。

伸縮縫張開量與斷面扭轉(zhuǎn)監(jiān)測通過布設(shè)位移計、高差計實現(xiàn)。為了準確反映結(jié)構(gòu)變形特征,用于不均勻沉降的位移計布設(shè)于側(cè)墻中部;用于接縫張開量的位移計布設(shè)于頂板中部;高差計布設(shè)在管廊兩側(cè)側(cè)墻,中墻處預(yù)留連通空孔洞。不同斷面的位移計、高差計等傳感器布設(shè)如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.1 傳感器選型

目前,健康監(jiān)測系統(tǒng)采用的傳感器類型主要為鋼弦式、電阻式、光纖光柵式,各類型傳感器的特點見表6。由于鋼弦式傳感器溫度補償誤差較大,需要人工修正;電阻式傳感器信號傳輸距離存在限制,因此本工程采用潮濕環(huán)境下耐久性良好、傳輸距離長的FBG傳感器。

2.4.2 系統(tǒng)組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)組成,如圖6所示。

圖5 測點橫斷面布設(shè)

表6 各種傳感器特性

整個系統(tǒng)基于GIS平臺和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立一個三層C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

2.5 結(jié)構(gòu)評估及預(yù)警

系統(tǒng)的預(yù)警報警流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖7 預(yù)警報警流程

根據(jù)需要,結(jié)構(gòu)的危險狀態(tài)進行三級預(yù)警,1級黃色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已明顯表現(xiàn)出趨向危險狀態(tài)的趨勢,2級橙色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已接近危險狀態(tài),3級紅色預(yù)警代表結(jié)構(gòu)已達到危險狀態(tài)。

1級為“黃色區(qū)”,達到該區(qū)域時,監(jiān)測系統(tǒng)全部進入工作狀態(tài),儀器監(jiān)測改為實時連續(xù)監(jiān)測,為進一步分析預(yù)處理系統(tǒng)提供原始資料?!包S色區(qū)”的閾值為報警控制值的1/2。

2級為“橙色區(qū)”,監(jiān)測指標中部分達到這一水平后,系統(tǒng)自動在操作平臺上顯示報警,提示報警鈴聲,進入該狀態(tài)后,除啟動所有監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)開展實時不間斷工作外,將啟動評估軟件進行數(shù)據(jù)實時評估分析,同時啟動結(jié)構(gòu)損傷評估分析系統(tǒng),并將提出評估分析系統(tǒng)的結(jié)論提交綜合管廊管理者進行管養(yǎng)決策。“橙色區(qū)”的閾值為報警控制值的2/3。

3級為“紅色區(qū)”,當(dāng)部分測點數(shù)值超過該區(qū)域設(shè)定值后,整個健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)全面、連續(xù)地開展工作,損傷評估軟件進行連續(xù)的、多次快速的評估分析,并應(yīng)用綜合健康狀況評估系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)整體狀況做出綜合評價,同時迅速根據(jù)各種計算分析結(jié)論,會同專家現(xiàn)場檢查,經(jīng)會議討論決定是否對結(jié)構(gòu)進行修復(fù)調(diào)整、加固等措施?!凹t色區(qū)”的閾值為測點達到規(guī)范設(shè)計值。

報警控制值的確定主要參考綜合管廊變形設(shè)計值以及相關(guān)規(guī)范,見表7。

表7 健康監(jiān)測系統(tǒng)報警控制值

系統(tǒng)中三級區(qū)域的閾值將在營運一段時間后結(jié)合系統(tǒng)長時間實測數(shù)據(jù)分析以及結(jié)構(gòu)數(shù)值模型計算分析結(jié)果,做出適合于綜合管廊狀況變化和發(fā)展趨勢的調(diào)整,更新系統(tǒng)設(shè)置的閾值和評估指標體系的專家打分權(quán)值。

3 結(jié)語

(1)近年來,我國城市綜合管廊建設(shè)進入高峰期,大量的綜合管廊建設(shè)于新城區(qū)范圍。其中部分省份如江蘇省,存在大量建設(shè)于富水軟土地區(qū)的綜合管廊。限于地質(zhì)及周邊環(huán)境條件,此類綜合管廊極易發(fā)生各類結(jié)構(gòu)病害,布設(shè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

(2)綜合管廊斷面寬度在10 m上下,但長度往往達數(shù)千米,為典型線狀結(jié)構(gòu)物,建設(shè)在富水軟土地區(qū),最為突出的結(jié)構(gòu)病害為不均勻沉降、接縫張開、斷面扭轉(zhuǎn)等,在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計中應(yīng)該給予重點關(guān)注。

(3)由于綜合管廊建設(shè)里程較長,斷面布設(shè)上需結(jié)合綜合管廊特點,兼顧經(jīng)濟性進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,采用全線監(jiān)測配合具備重點監(jiān)測思路為宜。

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TU99

B

1009-7716(2017)12-0208-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.057

2017-08-17

江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目(2015ZD08)

張忠宇(1983-),男,山東濟寧人,工程師,主要從事隧道及地下工程設(shè)計、研發(fā)工作。

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