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巨龙身体里装芯片——记南京长江隧道结构健康监测系统工程施工

2005329,长江流域上第一条江底隧道-南京长江隧道正式开工建设。南京长江隧道是《南京市城市总体规划》确定的“五桥一隧”过江通道中的重要工程,是南京城建史上的最大手笔,预计2010年竣工通车届时,“巨龙潜卧江底,天堑变通途”,南京长江隧道的建成将彻底改变长江南京段目前单一的桥梁过江交通方式,对于进一步加快南京都市圈的形成,缓解过江压力,提升中心城市辐射功能,以及推进沿江开发战略,都具有重要的意义

今年3月,经过激烈的竞标角逐,我公司有幸承接了这一工程的重要子项—结构健康监测系统工程,成立了南京长江隧道结构健康监测系统项目部。结构健康监测(Structural Health Monitoring,简称SHM ) 指利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。通俗地说,就是要给这条隧道巨龙动个小手术,在其体内安装智能芯片,通过监控和分析采集到的变形、应力和环境参数,实时掌握它的健康状况,为及时排除结构健康隐患提供可靠依据。因为该工程是国内外第一条在盾构隧道内实施实时结构健康监测的项目,无相关经验可借鉴,在公司领导的大力支持下,在全体参战人员的共同努力下,攻克了施工过程中的诸多困难,取得了阶段性的胜利,目前,我公司已完成系统施工深化设计、系统软件深化设计、所有传感器的预埋、已安装监测管片的数据定期采集并出具监测报告共四期(因整个工程未完工,组网工作无法进行,盾构施工阶段只能定期采集)。现将该结构健康监测工程的意义、系统组成、我公司在施工中攻克的难关及目前取得的阶段性成果等介绍给大家,与大家分享。

一、长江隧道结构健康监测工程的实施意义

作为世界级的超大隧道、国内外地下标志性工程,南京长江隧道具有工程建设规模大、技术难度高、施工风险大等特点,面临许多世界级技术难题的挑战,首当其冲得是其所处地质、水文条件的特殊性。一是水土压力高(达每平方厘米6.5公斤),居世界同等直径或更大直径盾构工程之最;二是地质条件复杂,地层透水性极强;三是江底隧道埋深超浅,由于隧道线路纵断面受地形条件制约,江底有150长的地段隧道上方覆土厚度不足1倍洞径(约11.49,仅为洞径的077倍),且地质为粉细沙层,施工坍塌冒顶风险极大;四是盾构机始发段超浅埋,隧道洞口段上方覆土厚度仅5.5(不足04倍洞径),在同类隧道中埋深最浅,其开挖面稳定和地层沉降控制要求极高。

依据南京长江隧道的特点,隧道建成运营后,为了保证其结构具有良好的功能状态,十分有必要采用先进的监测手段。根据本隧道所处的地质、水文条件的特殊性,对其结构的关键部位进行长期监测,以便于及时掌握隧道结构状态的变化,从而判断隧道结构的可靠性,进而采取相应的控制措施,使隧道结构始终处在良好的和可控的状态。

二、南京长江隧道结构健康监测系统组成

该隧道结构健康监测监测系统主要由硬件和软件两部分组成,现分述如下:

.系统硬件部分

硬件系统部分包括盾构管片内的预埋传感器、信号传输线缆与信号解调设备等组成。安装在巨龙体内的芯片其实就是传感器设备,可别小看了这些芯片,它们能够将被测量的位移、应变、荷载和温度等参数转化为光、电信号,通过现场光缆、电缆等传输到数据采集处理系统。

本工程的选定南京长江隧道的盾构段内地质条件明显变化处,如隧道进/出洞段、过大堤段、江中超浅覆土处、江中最深覆土处、江心段水压最大处作为隧道典型断面重点监测,预埋监测仪器,采集数据通过输入接口汇入系统,整个系统共设六个监测断面。

通过对隧道施工及运营过程中可能出现的主要病害分析,采用监测方式划分系统结构,确定监测内容如下表:

系统结构

具体监测参数

主要病害

实时在线

监测部分

管片接缝张开度,隧道外侧水压力,轴向力,弯矩,螺栓锚固力,混凝土碳化侵蚀监测

接缝张开度过大,衬砌渗漏水,管片开裂,土砂流入,管片材料劣化

定期巡查及检测

隧道净空收敛,隧道衬砌环沉降,  隧道管片三维变形等

隧道断面收敛变形,盾构隧道纵向不均匀沉降、水平位移

本系统工程中,我们在管片内部预埋了光纤光栅传感器的主导产品—FBG传感器这一芯片用于监测管片内部温度、钢筋应变、混凝土应变;在管片内部预埋了腐蚀计用于监测氯离子对混凝土内钢筋侵蚀情况;在管片连接螺栓内开槽埋设光纤光栅传感器用于监测连接螺栓受力情况;在管片接缝间安装光纤光栅传感器用于监测管片接缝变化情况;在管片背面安装振弦式水土压力计用于监测管片迎水面水土压力情况。在系统后台安装了光栅解调设备、振弦式数字测读仪器等采集工控机用于采集数据;安装了客户机、数据库服务器对海量数据进行存储分析。

2、系统软件部分

软件共包括6个子系统,分别为:仪器控制系统、预警报警系统、SQL数据库系统、三维有限元分析系统、隧道数字化管养决策系统与隧道结构安全状况评估系统等。其中,仪器控制系统仅安装在采集工控机上,用于控制光纤光栅解调仪与振弦式传感器数据采集模块MCU的参数设置等;预警报警系统也同时安装在采集工控机上,当实时采集的监测数据一旦超过预设的各级阈值后将触发报警器或其他报警装置;SQL数据库系统分别安装在采集工控机、数据库服务器、备份服务器和工作站上,其中在采集工控机上完成实时监测数据的短期存储,在数据库服务器上完成重要数据的长期存储,在备份服务器实现数据备份以及数据库访问、查询、统计、分析;三维有限元分析系统根据数据库内监测数据统计值对结构模型进行修正后,计算结构在各工况下的响应,并将计算结果存储;隧道数字化管养决策系统与隧道安全状态评估系统采用C/S结构,通过访问数据库服务器内基本设计资料、人工采集数据以及实时监测数据,实现管理决策与评估,并将经过修正后的报警阈值传送至前端采集工控机。

特别值得一提的是,我单位在本项目中首次尝试将GIS(地理分析系统)和数字化管养决策系统结合起来开发隧道数字化管养决策系统,数字化管养数据也可以作为隧道健康评价的依据之一。GIS技术在数字化管养决策系统中的应用使得系统功能更加直观,可实现地理图层的显示、切换、缩放、漫游、导航,对检查位置,病害位置进行的图形化显示,通过空间查询获取相关位置病害情况及处置情况,也可通过查询迅速定位病害数据发生的位置,为决策提供依据。该系统的成功开发将大大提高我单位管养工作的系统性、科学性。

总的说来,系统软件部分以信号处理和建模为基础,以知识处理为核心,将巨龙体内芯片(前端传感器设备)采集到的数据最大化利用,就像是为巨龙健康状况诊断的医疗仪器。

三、施工中攻克的难关

因为本工程是国内外第一个盾构隧道内实施实时健康监测的项目,无规范和经验可借鉴,且我单位虽有丰富的结构健康工程施工经验,可在盾构管片里埋“芯片”也是头一回,对相关施工工艺不是很清楚,而长江隧道工程的重要性也决定了结构健康监测项目不能有半点疏忽,所以,刚中标时,我单位上下面临的挑战和压力均很大,但在公司领导的大力支持下,全体参战人员很快化压力为动力,面对困难不退缩、不推诿,项目部成立了攻坚小组,群策群力,关键技术寻求专家指导,经过不断摸索,终于顺利的完成了本项目所有传感器预埋施工,总结下来,我公司采取了如下措施解决了施工中的难题。

1、提高传感器成活率的措施。在整个施工过程中有600多个传感器必须在管片钢筋骨架制作环节预埋进管片,然后要经历管片浇筑环节、蒸养环节、水养护环节,承受高温和高湿度,所有传感器经历过以上过程还要保持成活,着实是个难题。针对以上问题,我们从以下三个方面着手:一是严把原材料关,我们和传感器生产厂家一起攻关,从传感器的制作材料、封装工艺、连接光缆等方面严格把关,反复试验;二是严把施工工艺,光纤光栅传感器非常脆弱,在施工中的绑扎、粘贴、焊接等都会影响到传感器的成活,为此,在施工中,我们除了严格按操作规程施工外,还坚持同步测传感器通断,有施工质量问题的传感器一概换下,确保所有传感器在管片浇注前是完好无损的;三是组网关,在施工中,我们有效利用通讯工程中“环网”的工艺,保证采集设备和传感器之间的通讯。

2、防止管片安装吸附过程中漏气措施:因隧道管片安装时是通过吸盘抽真空后吸附管片安装的,任何产生漏气的隐患都必须避免,而所有预埋传感器的引出线缆必须汇总在管片内的一个预埋盒里(我们称藏线盒),为此设计单位要求将藏线盒设置在面层钢筋以下,且藏线盒表面不得垫任何材料,由混凝土直接浇筑,待管片安装完成后再凿取藏线盒。我单位经认真思考,认为该方案实施困难很大,原因有二:一是管片强度为C60,普通打凿工具费时费力,且管片安装好后多为仰头作业,难度巨大,二是藏线盒上直接浇筑混凝土,在打凿过程中很可能被破坏,直接导致藏线盒内光纤损坏。为解决该问题,我单位领导带领施工人员多次实地观察管片拼装过程,通过盾构机资料和实地考察,最终确定最佳设置位置,并制定施工方案,彻底避免了藏线盒漏气隐患;

3、管片内传感器及线缆防水措施:南京长江隧道为目前长江流域内水下埋深最深的隧道,最深处水压达60多米,隧道设计中对防水的要求特别高,为防止传感器及线缆等预埋中在管片内部形成渗水通道,我单位采用几种防水材料对比试验并会同设计、业主单位最终确定:在线缆上不设保护管,必须设置保护管处,应尽量缩短管长,并做好管两端的防水封堵;同时在线缆及套管上设多道遇水膨胀橡胶止水环的方案,为防止止水环在膨胀过程中对混凝土和传感器造成的负面作用,对止水环的膨胀系数、设置间距等设计部门均做了详细要求;

4、传感器及线缆在浇筑和后续牛腿植筋等施工中保护措施:传感器和线缆在管片内均为裸装,为防止传感器和线缆在管片浇筑和后续牛腿植筋等施工中遭到损坏,业主、设计单位、监理单位在管片预制现场反复商讨,确定如下:传感器光缆、电缆应顺沿管片环、纵向钢筋布线埋设,使之处于钢筋的保护之下,避免混凝土浇筑和隧道后期同步施工钻孔等工序可能对光缆和电缆造成损伤;尽量避免多根光缆沿同一根钢筋布线,除藏线盒进线处外,其余位置宜选择一根主筋只布设一根光缆;施工单位详细绘制每块管片监测预埋件实际埋设布线图,并报业主、监理各一份,抄送设计、隧道施工单位各一份;管片预制完成后,须在管片上作明显标识说明,内容包括管片信息、养生、存储、转运、安装及同步施工等工序作业时的注意事项。为避免隧道后期施工工序伤及预埋件,需在管片上准确标识出内部预埋件的准确位置(含深度)和布线走向,以提醒钻孔时注意。所作标识应避免对真空吸盘吸附能力产生影响。

5、管片连接螺栓开槽及安装措施:在本监测项目中需要在管片连接螺栓上开槽埋设传感器用于监测螺栓应力,螺栓上开槽的长度、深度、位置都直接影响到螺栓的强度,为了确保开槽后螺栓的强度能完全满足螺栓连接的需要,我单位从管片安装单位领取了各种规格的连接螺栓在实验室开槽测强度,确定开槽方案,为了能在极浅的槽中埋设传感器,厂家专门定制了细如发丝的光纤光栅传感器并用硅胶可靠封装,在连接螺栓的安装上,因为封装了光纤光栅传感器,普通的扭力扳手无法安装,我单位请有关单位开模定制开口扭力扳手用于监测螺栓的安装。

 

我们相信,本着科学、严谨的工作态度,敢于创新,敢于开拓,我们会一如既往地高质量完成后续施工工作,打造“长江第一安全巨龙”,为企业开拓新业务建树品牌,为南京城建事业添砖加瓦!

                南京城建隧桥经营管理有限责任公司

                             2008年11月12

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