水下隧道结构健康监测系统关键施工技术研究

潘红兵，仇安群，陈喜坤，张忠宇，高才驰

(1. 南京交通运营管理集团有限公司，南京 211800； 2. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510290；3. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

随着结构健康监测技术的不断发展，国内具有结构健康监测系统的隧道逐渐增多，如南京定淮门长江隧道[1-2]、港珠澳大桥沉管隧道[3-4]、厦门翔安海底隧道[5]以及宁波甬江水底隧道[6]等。目前大部分运行中的结构健康监测系统为隧道施工期间同步实施，施工条件良好、安装质量可控，而监测系统升级改造工程则需要依赖既有的安装环境进行施工，工程难度增大。与桥梁相关的监测系统升级改造工程案例，如江阴大桥[7-8]和鄱阳湖大桥[9]的结构健康监测系统的升级改造工程；与隧道相关的监测系统升级改造工程案例，如宁波甬江水底隧道结构健康监测系统的升级改造工程，改造期间隧道采用暂停运行的方式，共补充42处传感器测点。

在本工程实施过程中，因有不中断隧道交通的要求，施工条件艰苦，存在施工时间短、要求高、作业空间有限且空气质量差等不利因素。项目组人员最终顺利完成施工作业，并系统总结出项目关键施工技术，为类似工程提供借鉴。

1 工程背景

1.1 隧道概况

本次健康监测系统升级改造工程的主体为南京应天大街长江隧道[10]过江盾构段，该区段隧道为双线盾构隧道，全长约为3 km，隧道结构外径为14.5 m，环宽为2 m，壁厚为0.6 m。隧道按双向6车道快速通道、行车速度80 km/h进行设计。南京应天大街长江隧道横断面及平面示意如图1所示；南京应天大街长江隧道纵断面示意如图2所示。

(a) 横断面

(b) 平面图1 南京应天大街长江隧道横断面及平面示意

图2 南京应天大街长江隧道纵断面示意

1.2 健康监测系统设计概况

1.2.1 监测区段布置

系统升级改造的监测区段为左右对称布置，合计12处，区段整体上每50 m设置一处多测点监测断面。针对纵向不均匀沉降的监测，区段内每25 m设置一处监测断面，每5～8 m设置一处断面间环缝测点。监测区段信息概览如表1所示；监测区段平面分布如图3所示。

图3 监测区段平面分布

表1 监测区段信息概览

1.2.2 测点分布情况

1.2.2.1 接缝伸缩量的监测

断面环缝：每个断面的拱顶及两侧拱腰处共布设3个测点。

断面间环缝：在监测断面间进行管片环缝张开量监测，相邻两环骑缝布设1个监测点，测点位于拱顶处。

断面纵缝：每个断面布设3个测点，测点布设在拱顶及两侧位置。

1.2.2.2 纵向不均匀沉降的监测

各区段(两端工作井除外)每隔25 m在廊道内安装1台静力水准仪。

1.2.2.3 错台的监测

在各断面选择两个错台量较大的位置(两端工作井除外)安装垂向测缝计。

1.2.2.4 管片倾斜与偏转的监测

覆土厚度最小处的3个测点分别位于顶部和左右边墙处，其余位置(两端工作井除外)布设1个监测断面。

1.2.2.5 结构应力的监测

在每个监测断面的拱肩位置沿90°布设2个监测点(两端工作井除外)。

1.2.2.6 振动响应的监测

在浦口大堤区段选择1个监测断面安装三向加速度计，进行隧道振动响应监测。

测点分布横断面如图4所示。

图4 测点分布横断面

1.2.3 系统架构

12处监测区域分别设置现场采集站，屏蔽电缆将传感器信号传输至采集站，采用光端机进行信号转换后，将信号通过主光缆传输至监控中心。系统架构如图5所示。

图5 系统架构

2 施工重难点分析

2.1 施工空间有限

南京应天大街长江隧道上方为行车层、下方为廊道层，廊道层含电缆通道、检修救援通道和逃生通道，施工空间划分如图6所示。在行车层施工时需要登高作业且廊道层布满桥架、逃生滑梯等既有设备，作业空间局限。此外，隧道内空间密闭、空气质量差且不同舱室之间协同作业难度较大。

图6 施工空间划分

2.2 施工工作量大

施工作业整体包含传感器安装、综合布线、采集站与机房安装、软件开发测试与部署、系统调试与试运行等内容，作业种类多样且工序复杂，项目推进困难。行车层施工工作量如表2所示，廊道层施工工作量如表3所示，监控中心施工工作量如 表4 所示。

表2 行车层施工工作量

表3 廊道层施工工作量

表4 监控中心施工工作量

2.3 行车层有效施工时间短

由于有不中断隧道内交通的要求，行车层仅在夜间施工作业，且每晚封闭时间只有5 h，其间需要开展封道锥桶摆放、登高车就位、施工材料进场、收尾整理等辅助工作，实际有效安装时间约为3.5 h。

2.4 传感器定位和安装难度较大

行车层顶部覆盖2 cm厚防火板，防火板拼缝与盾构管片拼缝不对应，给传感器定位和安装带来困难。此外，隧道管片为C60混凝土构筑，且钢筋密集，钻孔难度较大，传感器安装耗时耗力。

2.5 综合布线难度大

本工程共布设线缆约50 000 m，行车层全部采用桥架保护，廊道层采用镀锌钢管保护，因此存在大量桥架和镀锌钢管安装工作。隧道内走线复杂，弧形走线和弯折情况较多，给施工带来困难。此外线缆存在从行车层穿越至廊道层的情况，须对既有孔洞进行疏通作业。

2.6 长距离传输线缆与传感器匹配困难

现场分5种类别共布设685个传感器，传感器与线缆连接后，最远传输距离约为166 m，且存在穿越车道板和穿墙作业的情况，准确识别线缆对应的传感器类别和编号也是施工中的重难点。

3 关键施工技术

为克服工程困难，项目组人员针对性地提出多种施工措施，推动项目顺利完成。

3.1 防火板覆盖条件下的环缝测缝计定位技术

南京应天大街长江隧道行车层的弧形顶面全部密贴防火板，且防火板接缝与盾构管片接缝不对应。根据设计要求，测缝计需要安装在环缝或纵缝处，测缝计定位问题成为项目难点。

针对相关问题，以既有外露接缝为基准，参考设计图纸并复盘管片环拼装形式和管片位置，提出根据管片内弧长推导管片环接缝位置的定位方法。该方法简述如下。

(1) 系统梳理隧道施工阶段管片拼装方式。根据前期设计图纸，管片拼装根据封顶块位置不同有5种方式。管片环纵缝环向分布如图7所示。

图7 管片环纵缝环向分布

(2) 分别在廊道层和行车层观察目标管片环的外露环缝位置，并推测整环的拼装形式。现场查看对应管片环纵缝分布如图8所示。

图8 现场查看对应管片环纵缝分布

(3) 在目标管片环下方路面安装激光定位仪。激光定位仪实物及现场定位作业如图9所示，定位仪垂直于行车方向向上打出1道环形激光，从而准确定位本环管片纵向所在位置，方便在绿光沿线寻找环缝位置。

(a) 激光定位仪实物

(b) 现场定位作业1

(c) 现场定位作业2图9 激光定位仪实物及现场定位作业

(4) 沿已知环缝顺着激光向上推测顶部其余环缝所在位置。根据激光标定的位置，从已知接缝向上量测，普通管片内弧长为4.477 m，封顶块内弧长为1.492 m，邻接块内弧长为4.477 m，按此距离精准确定顶部环缝的位置。

该方法的提出避免了通过切割寻找接缝的大量工作，可提高施工效率。

3.2 运营盾构隧道弧形顶面综合布线技术

本工程存在大量顶部弧形顶面线缆的布设作业，顶部线缆布设要求贴合弧度、满足后期检修需求且要防止远期高空坠物的情况产生。

通过调研，确定架设镀锌钢管或桥架作为线缆布设的保护措施，镀锌钢管和桥架的选用影响因素比较如表5所示。

表5 镀锌钢管和桥架的选用影响因素比较

通过比较可知，桥架在后期检修难度和施工难度方面优于镀锌钢管，行车层作业时间有限，且对于远期检修和安装可靠度方面要求较高，因此行车层全部采用桥架进行线缆布设。

桥架安装需要满足后期可检修以及避免高空坠物风险的要求，经分析比较，提出以角钢焊接支架作为支点、桥架侧立安装的实施方式，安装示意如图10所示。实践证明该方法克服了桥架后期检修时盖板打开困难的难题，且最大限度降低了线缆布设侵占隧道净空的程度，安装质量可控，具有较高的应用价值。

图10 安装示意(单位：mm)

3.3 多种类传感器长距离传输的精确匹配技术

传感器安装存在的问题有：①项目传感器数量大且种类较多。行车层顶部分布400支传感器、廊道层分布285支传感器，合计685支传感器。其中包含测缝计、静力水准仪、倾斜仪、应变计和加速度计，共5种仪器。②传感器安装位置相近或重叠情况较多。同一位置垂直布设2支应变计，错台与环缝伸缩量的监测位置接近。③线缆布设路径复杂，存在行车层下穿至廊道层、廊道层三舱室之间穿越等情况。

相关问题导致项目中精准匹配线缆与传感器的对应关系较为困难。分析认为，多种类传感器的长距离传输和精准匹配需要从传感器编号、线缆编号、施工过程等方面进行改进和提升。

3.3.1 传感器编号

为准确区分各类传感器并定位具体布设位置，提出AAAA-BB/CC/D/FFFF的设备编码格式，编码各位释义为：①AAAA为设备名称，可字母和数字并存，不超过4位，电缆及零部件统一并入设备编码中，不再单独编码。②BB为所属系统(HM为健康监测系统)。③CC为所在区段或位置(浦口竖井为PJ、浦口大堤为PD、江中为JZ、覆土厚度最小为FX、梅子洲大堤为MD、梅子洲竖井为MJ)。④D为隧道左右线方向，采用字母L代表左线、字母R代表右线。江北至江南方向(小桩号至大桩号)为右线，江南至江北方向(大桩号至小桩号)为左线。⑤FFFF为设备编号，可字母和数字并存，最后一位为附加位，不用时以“#”代替。南京应天大街长江隧道健康监测系统外场设备编码含义对照如表6所示。例如YBJ-HM/JZ/L/001#表示南京长江隧道健康监测系统江中左线第001号应变计。

表6 南京应天大街长江隧道健康监测系统外场设备编码含义对照

(续表)

3.3.2 线缆编号

为准确区分不同传感器的传输线缆，提出AAAAA-HM/CC/D/FFFFF的线缆编码格式，编码各位释义为：①AAAAA为光缆或电缆编码。②HM为健康监测系统英文缩写。③CC为所在位置(浦口竖井为PJ、浦口大堤为PD、江中为JZ、覆土厚度最小为FX、梅子洲大堤为MD、梅子洲竖井为MJ)。④D为隧道左右线(字母L代表左线，字母R代表右线)。江北至江南方向(小桩号至大桩号)为右线，江南至江北方向(大桩号至小桩号)为左线。⑤FFFFF为5位设备编号，可字母和数字并存，最后一位为附加位，不用时以“#”代替。南京应天大街长江隧道健康监测系统线缆编码含义对照如表7所示。例如SF2-HM/JZ/R/0010#表示健康监测系统中江中右线第001根2芯单模光缆。

表7 南京应天大街长江隧道健康监测系统线缆编码含义对照

3.3.3 施工过程

施工过程中采用图片记录、编码对照等手段进行管控。在传感器自带2 m线缆与续接屏蔽电缆连接后，拍照记录其对应关系，在续接屏蔽电缆两端采用热缩管制作的标签进行标记，实现传感器与线缆、线缆与采集仪通道之间的一一对应。

3.4 钢筋密集C60混凝土传感器安装技术

隧道管片为C60混凝土构筑，强度高且钢筋密集，传感器安装钻孔过程中既要避开钢筋位置，又要保障钻孔从而满足仪器安装的要求，准确确定钻孔点位成为施工难点。针对相应施工难点提出纸板辅助定位、钢筋探测器辅助避开钢筋等措施。即采用纸板确定钻孔位置后，在安装管片处进行定位，随后在定位处采用钢筋探测器探测是否存在钢筋，如与钢筋冲突则微调位置重新探测，直至所有钻孔均避开钢筋为止。该方法可有效提高作业效率、避免无用钻孔。

4 结语

结合南京应天大街长江隧道结构健康监测系统升级改造工程，开展关键技术研究，研究成果为：

(1) 首次提出以外露管片环纵缝为基础判定管片纵缝的拼装方式，随后可采用激光定位仪辅助，根据弧线长度确定顶部纵缝位置。

(2) 研发桥架布设线缆的方法，包含角钢拼接支架和桥架弯折等技术。

(3) 提出以传感器编号为基础，线缆两端进行标记的多种类传感器长距离传输的精确匹配控制方法。

(4) 明确钢筋密集条件下，传感器安装钻孔确定方法。