城市下穿隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術研究

1、城市下穿隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術研究杜新生王印杰戈福軍中建七局安裝工程有限公司摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市下穿隧道越來越多，安全事故頻頻發(fā) 生并造成不可估量的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，對于長期在役的重要結(jié)構(gòu)， 引起人們對工程結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重視。如果能夠定期對其累積損傷的程度 做出正確評估，就可以充分掌握結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)的安全。本文通過對 鄭州航空港區(qū)濱河西路快速化隧道工程進行研究，采用了常規(guī)點式監(jiān)測方法無 法實現(xiàn)的高精度、分布式大范圍的連續(xù)自動監(jiān)測，及時提供隧道性態(tài)及其變化信 息，降低隧道工程施工風險，提高隧道及其環(huán)境的安全程度，使隧道能夠充分 發(fā)揮工程效益。關鍵詞：下穿隧

2、道;結(jié)構(gòu)監(jiān)測;土體位移;裂縫監(jiān)測;收稿日期：2017-9-19received： 2017-9-191城市下穿隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測概述濱河西路快速化工程項目位于實驗區(qū)中部，南水北調(diào)中線總干渠從濱河西路東 側(cè)經(jīng)過，距離200m左右，道路整體呈南北走向，全長26052m,設計時速60km/h, 雙向6車道，是鄭州航空港區(qū)的主要干線。該地區(qū)地層主要由第四系全新統(tǒng)流河相及部分河湖相沖積物洪積而構(gòu)成。上部為 黏性土，主要有黃褐色、灰褐色粉土，下部位砂土（含卵礫石），底部為基巖。 黃土以黏粒的強結(jié)合水連結(jié)和鹽分的膠結(jié)連結(jié)，在干燥時可以承擔一定荷重而 變形不大，但浸濕后，土粒連結(jié)顯箸減弱，引起土結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)牛濕陷變形

3、。黃土 濕陷性是黃土的一種特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)，黃土具有在自重或外部荷重下受水 浸濕后結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生突然下沉的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)監(jiān)測是指利用現(xiàn)場的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析（包括結(jié)構(gòu)反應），探 測結(jié)構(gòu)的性態(tài)變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。它是集智能傳感元件、數(shù)據(jù) 有線或無線采集和實時處理、結(jié)構(gòu)損傷識別、健康診斷與可靠性預測以及遠程通訊與數(shù)據(jù)管理等硬軟件系統(tǒng)于一體，是工程理論發(fā)展與綜合的象征、高新技術開 發(fā)與集成的標志，同吋也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實驗技術的集中體現(xiàn)。2隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測內(nèi)容本隧道群受結(jié)構(gòu)應力、整體沉降、局部沉降、裂縫、土體位移及地下水等影響。 在監(jiān)測方案中對隧道主要以下兒個方面進行監(jiān)測：(1) 對隧道結(jié)構(gòu)

4、部分進行應力應變監(jiān)測；(2) 對隧道結(jié)構(gòu)部分進行變形監(jiān)測；(3) 對隧道整體和局部進行沉降監(jiān)測；(4) 對隧道周邊環(huán)境監(jiān)測。2.1結(jié)構(gòu)應力應變監(jiān)測應力應變監(jiān)測主要涉及混凝土應力應變。監(jiān)測項目及設備為表lo混凝土表面應變計安裝在建筑物表面，測量結(jié)構(gòu)的應變。儀器與待測鋼結(jié)構(gòu)的溫 度膨脹系數(shù)相同，與混凝土的溫度膨脹系數(shù)也非常接近，所以很少需要溫度修 正。需要時，內(nèi)置的溫度傳感器可同時監(jiān)測安裝位置的溫度。表1檢測設備表下載原表監(jiān)測項目設備名稱混凝土應力應變表面應變計結(jié)構(gòu)中間部點釆用不銹鋼制造的振弦式應變計，具有很高的精度和靈敏度、卓越的防水性能、 耐腐蝕性和長期穩(wěn)定性。由專用的四芯屏蔽電纜傳輸頻率和溫

5、度電阻信號，頻率 信號不受電纜長度的影響。適合在惡劣的環(huán)境下長期監(jiān)測建筑物的應變變化。2. 2結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測主要監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的空間收斂、沉降縫變化、傾斜、沉降、位移。 主要監(jiān)測項目及設備表2。監(jiān)測項冃1設備名稱11主體沉降壓差式變形測量計沿重要區(qū)域段5s間捱測縫儀振弦式表面裂縫計對預留伸縮縫和少壓差式變形測量傳感器是基丁連通管原理測量沉降的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，是國內(nèi) 最新的數(shù)字處理技術研發(fā)的新一代智能數(shù)字接口產(chǎn)品，具有高精度、高可靠性、 使用和安裝方便等特點。壓差式變形測量傳感器采用低功耗、寬電壓設計。在不進行數(shù)字通訊的情況下， 功耗不大于20mao電壓范圍是直流1024vdc。壓差式變

6、形測量傳感器的通信采用rs485通信協(xié)議，半雙工工作方式，最高通 訊速率57600bpso采用簡單的ascii碼命令格式，方便使用。最高采樣速度10 次/s。該傳感器可以通過rs485總線組成雙絞線網(wǎng)絡，特別適用于計算機控制系 統(tǒng)屮。表面裂縫計用于測量表面縫的開合度，例如:建筑、橋梁、管道、大壩等混凝土 的施工縫，配用不同的附件，也可測量土體的張拉縫與巖石和混凝土的裂縫。儀 器常用于表面式安裝。儀器包括一個振弦式感應元件，該元件與一個經(jīng)熱處理并消除應力的彈簧相連， 彈簧兩端分別與鋼弦、傳遞桿相連。儀器完全密封并可在高達impb （特殊要求 可定制）的壓力下操作。當連接桿從儀器主體拉出，彈簧被拉

7、長導致張力增大并 由振弦感應元件測量。鋼弦上的張力直接與拉仲成比例，因此，接縫的開合度通 過振弦讀數(shù)儀測出的讀數(shù)變化而精確地計算。2. 3環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測主要包括溫度、氣壓、地下水壓力、雨量統(tǒng)計等，主要設備如下：溫濕度傳感器，測量隧道內(nèi)溫度和濕度，安裝在隧道墻壁，主要監(jiān)測點以每條 短隧道保證一個溫濕度傳感器。3隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)運行3. 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)分為采集/傳輸/處理/應用部分，傳感層對各個監(jiān)測項進行實 時監(jiān)測，采集模塊將傳感層發(fā)出的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，傳輸層將數(shù)據(jù)發(fā)送 至處理層及服務器（云端），云端對數(shù)據(jù)進行處理、分析，最終將監(jiān)測數(shù)據(jù)、預 警信息發(fā)送自客戶端（pc、ipa

8、dx手機等終端）。3. 2數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設備主要包括:各類監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集設備以及通信、數(shù)據(jù) 分析平臺及軟件等，其采集系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。一般根據(jù)隧道的現(xiàn)場環(huán)境，在隧道的相應地方設置監(jiān)測點，然后將傳感器安裝 在監(jiān)測點上面，將現(xiàn)場所有安裝的傳感器連接到外場監(jiān)測站，在外場監(jiān)測站安 裝一個采集儀防護箱，所有的傳感器連接電纜全部引進采集儀防護箱連接采集 儀，系統(tǒng)由遠程控制，通過采集儀采集傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過在線數(shù)據(jù)傳 輸?shù)姆绞綄鞲衅鲾?shù)據(jù)直接傳輸?shù)娇刂浦行?，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，并可以實 時對采集點進行認證、連接、管理和控制。圖1數(shù)據(jù)采集、信號結(jié)構(gòu)示意圖下載原圖3.3據(jù)的傳

9、輸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸則可利用成熟的2g/3g/4g網(wǎng)絡，通過靈活地控制設備的采集制度, 進行遠程控制。有線部分為:傳感器采用專用線纜連接采集器，采集器可以用rs-485串口或光 纖連接共用無線傳輸模塊，進行實吋在線傳輸。數(shù)據(jù)上傳:數(shù)據(jù)匯總并通過運營商2/3/4g無線網(wǎng)絡傳送至云平臺。在zigbee末 端采用dtu無線實時在線傳輸模塊，dtu采用高性能工業(yè)級嵌入式處理器，以實 時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的tcp/ip協(xié)議棧。 為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端實時在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng) 絡。把dtu設備鏈接采集儀上，此吋數(shù)據(jù)庫或采集儀里面采集到的數(shù)據(jù)通過dtu里面 移動手機卡gprs功能把數(shù)據(jù)傳送到internet網(wǎng)絡上。從而用戶可以通過登錄網(wǎng) 站查看自己測得的信息數(shù)據(jù)。在應用之前先進行設置數(shù)據(jù)中心的1p和端口及其 它參數(shù)，之后串口和采集器串口對接，可實現(xiàn)雙向透明傳輸數(shù)據(jù)。4城市下穿隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的目的及意義鄭州濱河西路快速路短隧的建設采取積極、主動的防御監(jiān)測系統(tǒng)，對鄭州航空港 經(jīng)濟綜合實