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南京长江隧道结构健康监测

一、工程概况及监测工程目的

1、工程概况

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。南京长江隧道位于南京长江大桥与三桥之间,上距三桥9km,下距大桥10km,连接河西新城区—梅子州—浦口区。工程由江南滨江快速路与纬七路互通立交过度段接入点起,至江北收费广场连接快速路,整个工程通道总长约5853m,道路等级为双向6车道城市快速路,车道宽为3.5m*2+3.75m,设计车速80公里/小时。

南京长江隧道工程包括左汊盾构隧道和右汊桥梁。左汊盾构隧道工程主要包括:江北接线道路、收费广场、左汊盾构隧道和梅子洲接线道路。左汊盾构隧道采用两台直径¢14.93m复合式泥水盾构机施工,由浦口岸边工作井出发,同向掘进施工。

其中盾构隧道长度约为3020m,圆形隧道内径为13.30m。江中盾构段位K3+599K6+620,底板标高北端洞口约-19.00m,中段深处约-51.00m,南端洞口约-16.00m,最大水压约0.65MPa。隧道穿越地层主要为第四纪沉积的软土、沙土。

隧道中央控制室位于江北服务区,结构健康监测系统终端位于中控室。

2、健康监测系统的意义和目的

南京长江隧道为超大直径盾构隧道,具有工程建设规模大、技术难度高、施工见险大等特点,国内同级别盾构隧道经验较少。

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,对其结构尤其江中段等承受较大水压力荷载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。

结构健康监测系统通过布设监测设备,检测南京长江隧道特殊地段隧道结构的受力变化,对隧道在运营期的结构行为及影响进行监测和数据分析,对隧道的健康状况以及使用寿命进行评估,判断隧道结构在设计基准期内的安全性以指导运营,同时给出实时的安全报警,提前主动采取有效的工程措施,从而保证隧道结构在设计基准期内的安全;同时可以合同配置隧道养护资源,降低成本,及时高效保证隧道的运营状态健康和安全。

二、结构健康监测系统的构成

从功能组成上看包括:

① 隧道结构变形、内力及环境参数采集检测系统;

② 隧道结构安全运营预警报警系统;

③ 隧道结构安全性评价及健康状况评估分析系统;

④ 隧道结构安全预案及应对措施分析系统。

从结构组成上看,主要包括前端测量传感设备、解调仪、监测工作站及数据管理分析系统。

从监测方式上看,分为实时监测(运营期间)、定期巡查及检测。

三、监测断面及监测内容选择

考虑到南京长江盾构隧道的具体情况,在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、江心段水压最大处选择六个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。

主要监测内容: 典型断面衬砌结构应变监测,作用在隧道结构体上的土压和水压力监测,连接螺栓受力监测,管片接触压力和关键截面管片接缝变化监测,管片内钢筋腐蚀监测。

纵向不均匀沉降和隧道截面变形以及其他参数采用人工定期检测方式。

四、技术特点

.采用光纤光栅传感监测系统

传感系统即安装在现场的传感器设备,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。

光纤光栅传感器的主导产品是FBG传感器,基于光波长变化的数字测量原理。光纤光栅传感器的波长调制这一传感机制,克服了传统的光、电学传感器的许多弱点,具有很多优点:

①测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响;②测量点相位清晰,能对固定参考点进行长期绝对测量;③能方便地在一根光纤中串接多个FBG传感器,对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量;④使用寿命较长,理论寿命在30年以上;⑤监测设备对环境耐受性好、成活率较高。因此,采用该技术为主的监测传感系统是盾构隧道长期健康监测和状况评估的较好选择。

.隧道结构安全状况分级评估

在对各种不同监测仪器的监测数据进行分析处理后,结合定期人工检测的数据,对隧道的健康状况进行评估,得出结构状况或工程寿命的评估指标,从而对结构安全性进行整体评估和风险评估。

在运营阶段建立完整的健康监测系统实现对隧道结构体进行监测、仿真和评估功能:

①隧道结构及环境仿真功能:对南京长江隧道结构在不同交通状况和环境条件下的可能变化进行仿真,建立的仿真分析模型可以用来预测隧道结构体在交通和环境荷载作用下的响应和变化。

②隧道健康监测及分级评估功能:修正后的仿真模型能够反映隧道的实际状况,根据预测各种可能结构行为,结合隧道运营管理对隧道结构健康状态进行分级评估:

第一级,正常运营状况;

第二级,需要值班人员加强检查;

第三级,专家顾问专业核实检查;

第四级,发出预警报警指令。

从而对结构安全性进行整体评估和风险评价,并提出维修和加固建议,指导隧道运营管理和维护。

 

总体说来,南京长江隧道结构健康监测系统的实施具有重大的意义。要系统而全面的建立一整套超大直径盾构隧道结构健康监测系统,这项工作目前在国、内外都没有可以完全借鉴的工程先例,因此,该系统的建设过程本身也是一项探索性的工作,工程实践将大大超前于理论及技术基础。

 

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