柳盛霖，許斌鋒，于洪波，毛江鴻，張軍，羅林

(1.重慶交通大學(xué)，重慶市 400074；2.浙江省工程勘察院；3.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院)

1 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展，地下工程的建設(shè)速度顯著增加。頂管施工作為一種非開(kāi)挖的施工方法，自19世紀(jì)末誕生以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于埋有重要管線的地下穿越工程，如城市地下通道等，有效緩解了作業(yè)面對(duì)路面交通等的直接影響。

到目前為止，頂管施工的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但由于工程水文地質(zhì)條件的不確定性和施工環(huán)境的復(fù)雜性使其不可避免地會(huì)對(duì)周圍土體和鄰近地下管線產(chǎn)生影響，尤其是軟土地區(qū)，一旦事故發(fā)生就會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。如2014年，上海市虹橋商務(wù)區(qū)二期功能管溝工程第N08～N07號(hào)頂管管片發(fā)生整體后退事故，導(dǎo)致上方路面出現(xiàn)約1.2 m的塌陷，多條周邊地下管線出現(xiàn)破損。

頂管施工對(duì)既有管線的影響是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者都進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究。如Attewell使用Winkler地基模型，給出了該問(wèn)題的解析解；魏綱等采用通用Peck公式計(jì)算了頂管施工引起的地下管線平面處的土體豎向位移；余振翼等利用三維有限元方法分析了頂管施工中各參數(shù)如注漿壓力、管線埋深等的不同對(duì)相鄰平行地下管線位移的影響；劉波等采用精密全站儀對(duì)頂管施工中某地鐵隧道的豎向位移、地表隆起等進(jìn)行了有效監(jiān)測(cè)。然而，由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)以離線式人工巡查為主，很難滿足地下工程隱蔽性、災(zāi)害突發(fā)性等特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常困難，因此對(duì)這方面的探索目前主要集中在理論分析和數(shù)值模擬層面。并且既有電力隧道防火、防電安全等級(jí)高，現(xiàn)場(chǎng)施工較為困難，不宜進(jìn)行大量的布線工作?；诖耍陧敼芄こ淌┕て陂g采用先進(jìn)的傳感設(shè)備，對(duì)下穿電力隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)的無(wú)線智能化監(jiān)測(cè)，具有十分重要的意義。

該文以寧波市某人行地道頂管施工對(duì)下穿電力電纜隧道的監(jiān)測(cè)保護(hù)工作為依托，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成一套無(wú)線智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)既有電力隧道頂管過(guò)程服役狀態(tài)信息的健康監(jiān)測(cè)。

2 工程背景

寧波市某地下人行過(guò)道采用頂管法進(jìn)行連接，通道總長(zhǎng)72.0 m，由48節(jié)長(zhǎng)1.5 m、寬7 m、高4.3 m，壁厚0.5 m，強(qiáng)度為C50的鋼筋混凝土管片構(gòu)成，底部高程約-9.15 m，平均覆土厚度6.0 m。現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地為典型沿海軟土地質(zhì)，土層以淤泥質(zhì)黏土為主，土質(zhì)松軟、變形較大；上方道路則為瀝青混凝土路面，路面標(biāo)高3.20 m，并且該路段為城市主干道，車流量大、交通繁忙；同時(shí)施工區(qū)域下方埋設(shè)有較為密集的管線網(wǎng)絡(luò)，尤其沿南北走向有外徑3.50 m、管節(jié)長(zhǎng)2.5 m、管厚0.3 m的F形承插式鋼筋混凝土電力隧道，頂部標(biāo)高約-10.50 m，與人行通道呈約90°相交，為非常重要的管道，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

為了盡量減少工程施工期間對(duì)路面交通和區(qū)間內(nèi)地下管線的影響，連接通道采用雙矩形截面頂管法施工，頂管地道與電力隧道具體位置如圖1、2所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 頂管與隧道相對(duì)位置及斷面布置平面圖

3 電力隧道物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

3.1 監(jiān)測(cè)方案

以擬建地道工程?hào)|邊通道左側(cè)的220 kV電力隧道結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用結(jié)構(gòu)智能化系統(tǒng)輔以人工常規(guī)巡檢的方式對(duì)其進(jìn)行安全保護(hù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面如圖1所示，共計(jì)設(shè)置斷面15個(gè)，其中D1、D14斷面長(zhǎng)度10 m，D5～D10斷面長(zhǎng)度2.5 m，其余斷面長(zhǎng)5 m。人工常規(guī)作業(yè)主要對(duì)管道的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)；無(wú)線智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則根據(jù)有關(guān)研究和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，對(duì)頂管加密區(qū)內(nèi)共計(jì)6片管道進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，自北向南編號(hào)為D5～D10，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變、管片接頭張開(kāi)量。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

3.2 監(jiān)測(cè)儀器選擇

管片豎向位移監(jiān)測(cè)采用MS05AX測(cè)量機(jī)器人和DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀，其中測(cè)量機(jī)器人的測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為0.5 mm+1 ppm；隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要采用基康BGK-4000型振弦式應(yīng)變計(jì)，該應(yīng)變計(jì)主要用于管線、橋梁等的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)0.01 με，擬安裝在每片管道的左腰和右腰位置；管片接頭張開(kāi)量監(jiān)測(cè)采用基康BGK-4420型振弦式表面裂縫計(jì)，該裂縫計(jì)可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面裂縫或接縫的開(kāi)合度，測(cè)量精度可達(dá)0.01 μm，擬安裝在每?jī)善艿澜涌p處的左腰和右腰位置，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行安裝固定。同時(shí)內(nèi)置的溫度傳感裝置可實(shí)時(shí)記錄隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的環(huán)境溫度變化，以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度自補(bǔ)償和異常信號(hào)的處理。

圖2 頂管與隧道相對(duì)位置立面圖(單位：cm)

注：整體豎向位移測(cè)點(diǎn)為拱頂；局部變形測(cè)點(diǎn)為左右腰。

同時(shí)，為了不影響電力隧道的使用功能，不宜在隧道內(nèi)布設(shè)過(guò)多的線纜。而現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍主要采用連接線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，不僅安裝成本高，維護(hù)也較為困難。近年來(lái)，隨著傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、分布式、低成本等特點(diǎn)成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與健康監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，并于1997年首次在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用。

基于此，該物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依靠先進(jìn)的無(wú)線傳感技術(shù)，采用WEMS系列無(wú)線終端和Smart600型網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和儲(chǔ)存。將振弦式傳感器監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線終端發(fā)送到GPRS網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并建立物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電力隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)為了獲得更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，擬設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率為15 min/次，并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共計(jì)布設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)12個(gè)，振弦式測(cè)縫計(jì)10個(gè)以及無(wú)線網(wǎng)關(guān)1個(gè)。

3.3 監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭建

為了實(shí)現(xiàn)電力隧道結(jié)構(gòu)的無(wú)線智能化管理，在上述硬件的基礎(chǔ)之上，編制了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)，可通過(guò)用戶名、密碼登錄系統(tǒng)界面，查看傳感器安裝位置及其工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變和接頭張開(kāi)量等數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看、存儲(chǔ)、下載、比較等功能，方便技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理和預(yù)警。

3.4 電力隧道結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的在于實(shí)時(shí)獲取被測(cè)結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)信息，如應(yīng)力、應(yīng)變和位移等，然后通過(guò)對(duì)比相關(guān)技術(shù)規(guī)范、工程標(biāo)準(zhǔn)等給出的控制值，判斷結(jié)構(gòu)物是否處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，為相應(yīng)的施工進(jìn)程提供實(shí)時(shí)可靠的工程指導(dǎo)。該文所研究的鋼筋混凝土電力電纜隧道，其連接方式為F形預(yù)埋剛套環(huán)承插式接頭，按照城市地下管線的分類標(biāo)準(zhǔn)屬于剛性管道的范疇，而對(duì)于剛性管道的安全性控制指標(biāo)一般采用管道允許曲率半徑(豎向位移)、管片接頭抗拔力、管片接頭張開(kāi)量以及允許彎曲應(yīng)力等進(jìn)行判別。根據(jù)頂管隧道結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)學(xué)者的研究成果，給出該文的監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)，具體數(shù)值如表2所示。

4 頂管施工對(duì)電力隧道的影響性分析

頂管施工總長(zhǎng)72 m，共計(jì)歷時(shí)24 d，平均每天頂進(jìn)約3.0 m。并在施工進(jìn)行到15 d前后，頂管機(jī)頭穿越電力隧道上方。

表2 電力隧道變形控制指標(biāo)

4.1 頂管過(guò)程隧道的整體豎向位移分析

通過(guò)人工常規(guī)作業(yè)對(duì)電力隧道各個(gè)斷面的豎向位移(用DS表示)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在不同開(kāi)挖時(shí)間段的整體線形變化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 北側(cè)管片豎向位移時(shí)程曲線

圖5 南側(cè)管片豎向位移時(shí)程曲線

在頂管施工前期，設(shè)置的監(jiān)測(cè)采用頻率為1次/d；而在頂管穿越隧道上方期間，將采用頻率提高到2次/d。結(jié)合施工進(jìn)度以及監(jiān)測(cè)斷面的位置可知，在開(kāi)挖面還未到達(dá)隧道上方之前，各監(jiān)測(cè)斷面的豎向相對(duì)位移變化均較小，波動(dòng)值變化為±0.5 mm；隨著施工進(jìn)程的開(kāi)展，電力隧道在開(kāi)挖后第15 d左右開(kāi)始出現(xiàn)上浮的趨勢(shì)，并在隨后保持較為平穩(wěn)的狀態(tài)直至開(kāi)挖結(jié)束，其最大豎向隆起出現(xiàn)在頂管軸線下方(DS7)附近，約為3.58 mm。

圖6為頂管施工不同時(shí)間段電力隧道整體豎向位移沿軸向變化的折線圖。

圖6 電力隧道豎向位移沿軸向變化情況

從圖6可以看出：電力隧道整體豎向位移線形由頂管軸線向兩側(cè)逐漸減小，呈擬正態(tài)分布的特征。在頂管中心沿兩側(cè)擴(kuò)展至3倍直徑(約20 m)范圍外，電力隧道管片的相對(duì)豎向位移已經(jīng)較小，可以忽略不計(jì)。并且隨著施工的推進(jìn)，頂管軸線附近電力隧道管片的豎向隆起不斷增加，變化速率也不斷加大，整體曲線變得越來(lái)越陡。這一規(guī)律和文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果一致。

4.2 頂管過(guò)程隧道的局部變形分析

4.2.1 隧道管片的應(yīng)變變化狀態(tài)

圖7、8為隧道管片施工過(guò)程中的應(yīng)變曲線圖。

圖7 隧道左腰應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)圖

圖8 隧道右腰應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)圖

由圖7、8可知：在頂管開(kāi)挖進(jìn)行到第10 d前后，位于頂管軸線附近的應(yīng)變數(shù)據(jù)(L表示左腰,R表示右腰)開(kāi)始出現(xiàn)變化的趨勢(shì)，并在第15 d左右達(dá)到最大值，該變化與豎向位移相似。其中隧道左腰DYL7和DYL8監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，最大值分別為25、16 με；而右腰DYR7和DYR8監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則呈先下降后上升的不同變化，最小值分別為-35、-20 με。造成這一現(xiàn)象的主要原因是頂管地道經(jīng)過(guò)隧道上方前，由于黏結(jié)力的作用使得電力隧道產(chǎn)生了由始發(fā)端向接收端的變形，同時(shí)由于管片之間的相互約束，其內(nèi)部就會(huì)形成左側(cè)受拉、右側(cè)受壓的狀態(tài)。該現(xiàn)象隨著頂管的通過(guò)而逐漸趨于穩(wěn)定并消失。

4.2.2 隧道管片的接頭張開(kāi)量變化

電力隧道管片接頭張開(kāi)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9、10所示。

圖9 左腰管片接頭張開(kāi)量數(shù)據(jù)圖

圖10 右腰管片接頭張開(kāi)量數(shù)據(jù)圖

由圖9、10可知：其位移結(jié)果與應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相似。即在頂管施工前期，管片之間的接頭張開(kāi)量變化較?。欢陧敼苁┕みM(jìn)行到第10 d之后，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，并在隨后達(dá)到最大值，說(shuō)明電力隧道管片之間產(chǎn)生了錯(cuò)動(dòng)開(kāi)合的現(xiàn)象。最終各管片間接頭張開(kāi)量的變化范圍為-10～80 μm，均未超過(guò)擬定的3 mm預(yù)警值。

圖11為頂管施工不同時(shí)間段電力隧道管片左腰接頭張開(kāi)量沿軸向變化的折線圖。

由圖11可見(jiàn)：頂管開(kāi)挖進(jìn)行到第15 d，電力隧道各管片之間的接頭張開(kāi)量最大，其余時(shí)間段的張開(kāi)量較小且較為穩(wěn)定。說(shuō)明頂管開(kāi)挖到隧道上方前后，由于機(jī)頭下方土體卸荷使得電力隧道出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致隧道局部管片之間產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)，且離頂管軸線越近，變化越明顯。右腰的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和左腰的管片接頭張開(kāi)量數(shù)據(jù)亦有相同的變化規(guī)律，這里不加贅述。

圖11 電力隧道接頭張開(kāi)量沿軸向變化情況(左腰)

綜合上述結(jié)果可知：在頂管施工過(guò)程中，由于開(kāi)挖導(dǎo)致電力隧道上方土體發(fā)生卸載，隨著頂管開(kāi)挖面逐漸靠近電力隧道上方，隧道結(jié)構(gòu)的整體豎向位移、管片內(nèi)部的應(yīng)變以及接頭張開(kāi)量都有明顯的上升。電力隧道軸向變形呈擬正態(tài)分布，并且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，這種影響越來(lái)越明顯。同時(shí)隧道管片的局部變形開(kāi)始變化的時(shí)間較整體豎向位移要早，且局部變形會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)而整體豎向位移則仍保持較高水平直至開(kāi)挖結(jié)束。最終各監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的變化絕對(duì)值較小，均未超過(guò)表2擬定的控制指標(biāo)，因此可認(rèn)為該電力隧道處于安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。該結(jié)論與文獻(xiàn)[5]、[16]等的研究成果相同，且該文首次提出了利用無(wú)線智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)頂管施工引起的下臥既有電力隧道局部變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率更快，傳感器靈敏度和精確度都較高，說(shuō)明該系統(tǒng)可用于在役復(fù)雜地下工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論與展望

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定量揭示了頂管施工對(duì)電力隧道的影響，數(shù)據(jù)顯示電力隧道在頂管通過(guò)前后出現(xiàn)了一定程度的豎向隆起和管片錯(cuò)動(dòng)，并在頂管開(kāi)挖到隧道上方附近達(dá)到最大值。結(jié)構(gòu)的最大豎直差異沉降為3.58 mm，最大接頭張開(kāi)量為0.08 mm，最大彎曲應(yīng)變?yōu)?5 με，但均未超過(guò)擬定的控制指標(biāo)。

(2) 采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線智能化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首次對(duì)頂管施工期間下穿電力隧道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)信息進(jìn)行了施工監(jiān)控。結(jié)果表明：物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較低成本下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有精度高、敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)，可有效解決人工巡檢漏檢的難題。

(3) 揭示了頂管施工對(duì)電力隧道的影響特征，但該影響和結(jié)構(gòu)物周邊土體的特性密切相關(guān)。因此，后續(xù)研究可依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)交叉施工理論模型進(jìn)行修正，建立完善的分析方法，以指導(dǎo)類似工程評(píng)估指標(biāo)的設(shè)置。