水底大直径盾构隧道健康监测系统研究与应用
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摘要
随着国内水下大直径盾构隧道的相继建设,上海崇明越江隧道、南京纬七路长江隧道等复杂环境下大直径盾构隧道的结构健康问题引起了隧道同仁的重视,并参考结构、桥梁健康监测的经验进行了研究和实施,盾构隧道健康监测系统化、集成化研究已经逐步展开,但仍处于起步阶段。本文结合南京纬七路、纬三路过江通道,通过理论分析、数值模拟和工程应用相结合对水底大直径盾构隧道健康监测的方法和技术进行了研究,取得了一系列有意义的成果：
1)采用数值模拟,应用“荷载—结构”和“地层—结构”模型对管片结构稳定性进行了计算研究,论证了水底大直径盾构隧道健康监测系统建设的必要性,研究了不同因素对隧道结构稳定性的影响。
2)通过数值模拟,分析了影响盾构隧道结构稳定的下卧土层变化、覆土厚度变化、河床高差变化及隧道纵坡等不利条件下的结构安全性问题,并研究了各种典型场地条件下的隧道、围岩的地震响应。
3)依据理论分析结果和水底盾构隧道结构的特点,确定了结构的薄弱环节和易发生破坏的位置,由此确定了健康监测的内容和重点,为隧道结构健康状况评估体系的评价指标提供监测实体,并提出了各指标阀值的确定方法,建立系统化的评价模型、指标和评价方法。
4)提出了以光纤光栅传感器为主的健康监测仪器系统,由光缆传输系统连接组网形成了传感测试网络,将所有的现场传感器信号汇集到监控中心,实现监测数据的采集和传输。根据传感器系统、数据采集和预处理系统获得的数据和信息,评估系统进行科学分析和客观评估,实现对隧道结构的整体安全性、耐久性和正常使用性做出科学评价,为隧道管理者提供维护决策依据。
5)通过建立有限元计算分析模型,并根据监测数据对计算结果进行校核,保证计算与实际相吻合,并根据结构计算分析的结果和长期测试数据的规律性分析设置相应的响应阈值确定了预警、报警级别及控制值,同时从国内外大直径水底盾构隧道建设经验、试验成果、理论分析、专家系统、层次分析法和模糊理论综合确定出各项评估指标的权值,但是受地质条件的影响,隧道结构健康状况评估和诊断是一个动态的、长期的过程,需要持续的研究和探索。
6)采用如SQLSERVER或ORACLE等大中型数据库系统,以图形的方式显示健康状况监测数据的规律和变化趋势,实现相应的报表输出及查询系统,以方便管理层、专家进行数据分析,从而对结构状况及工程寿命提出相应结论。
7)通过对两个工程实例的分析,提出了软件设计总体框架和工作流程,实现了测试数据的采集、分析及对隧道结构的安全性进行分析、评估,预判隧道结构的安全性。数据分析结果直接服务于二个工程的设计施工的生产实践上,并提供反馈意见,为新的水底隧道健康监测系统的设计和实施提供了参考和依据。
With successive construction of large diameter shield tunnels, such us Shanghai Chongming River-crossing Tunnel, Nanjing Weiqi Road Yangtze River-crossing Tunnel, Shield tunnel structure health problems in complex environment seized colleagues' attention. The project of building health monitoring system, which is still at the starting stage, was carried out by referring to structure and bridge health monitoring experience. Based on theory analysis, numerical simulation and engineering example, the method and technique of underwater large-diameter shield tunnel health monitoring system are studied, with a series of findings beneficial for theory and practice achieved.
1) By applying load structure and stratum structure model, the calculation results of the stability of tunnel segments, which lead to the necessity of health monitoring system for underwater large-diameter shield tunnel testified and the influence factors analyzed, is done.
2) By numerical simulation, structural safety problems affecting the stability of shield tunnel in adverse conditions, such as underlying soil layer changes, depth of the covering layer changes, the riverbed changes and tunnel longitudinal slope are analyzed. The seismic response of the surrounding rock in a variety of typical field conditions is also studied.
3) Based on the results of theoretical analysis and the characteristics of underwater large-diameter shield tunnel, the weakness of shield structure is found. On account of it, the contents and key points are finalized, which provide method for determining each index threshold and establish evaluation methods of systematic evaluation model.
4) The health monitoring instrument system giving priority to the fiber Bragg grating sensor is put forward. In order to collect and transmit the monitoring data, the sensing test network is consisted by optical transmission system gathering all sensor signals to monitoring center. According to the data and information acquired by sensor system, data acquisition and pretreatment system, scientific analysis and objective assessment is done by the evaluation system to make a scientific evaluation of the overall security, durability and normality of the tunnel structure, and provide basis for decision making.
5) By establishing finite element analysis model, the calculation results based on monitoring data are checked to ensure that the calculation matches the reality. Early warning alarm levels and control values will be determined according to structure calculation results and long-term analysis of test data analysis settings corresponding response threshold. Simultaneously, the weights of the various assessment indicators are determined by construction experience, test results and theoretical analysis, expert systems, integrated analytic hierarchy process and fuzzy theory of large diameter underwater shield tunnel from both domestic and foreign. However, with geological conditions effect, the health status of the tunnel structure assessment and diagnosis is a dynamic, long-term process that requires continuous research and exploration.
6) Using database system like SQLSERVER or ORACLE, the rules and trend of health monitoring data is showed by graphic. In order to provide convenient for data analysis by management and experts, the report generation and query system is set up, and the corresponding conclusion of structure status and project life is put forward.
7) Through the analysis of the two engineering practices, this paper raises software design framework and working process, which provides test data collection, analysis, assessment of the safety of the tunnel structure, prediction of the tunnel structure safety. Results of data analysis service in the design and construction of two engineering, and provide feedback to provide reference and basis for the design and implementation of the new underwater tunnel health monitoring system.
1)采用数值模拟,应用“荷载—结构”和“地层—结构”模型对管片结构稳定性进行了计算研究,论证了水底大直径盾构隧道健康监测系统建设的必要性,研究了不同因素对隧道结构稳定性的影响。
2)通过数值模拟,分析了影响盾构隧道结构稳定的下卧土层变化、覆土厚度变化、河床高差变化及隧道纵坡等不利条件下的结构安全性问题,并研究了各种典型场地条件下的隧道、围岩的地震响应。
3)依据理论分析结果和水底盾构隧道结构的特点,确定了结构的薄弱环节和易发生破坏的位置,由此确定了健康监测的内容和重点,为隧道结构健康状况评估体系的评价指标提供监测实体,并提出了各指标阀值的确定方法,建立系统化的评价模型、指标和评价方法。
4)提出了以光纤光栅传感器为主的健康监测仪器系统,由光缆传输系统连接组网形成了传感测试网络,将所有的现场传感器信号汇集到监控中心,实现监测数据的采集和传输。根据传感器系统、数据采集和预处理系统获得的数据和信息,评估系统进行科学分析和客观评估,实现对隧道结构的整体安全性、耐久性和正常使用性做出科学评价,为隧道管理者提供维护决策依据。
5)通过建立有限元计算分析模型,并根据监测数据对计算结果进行校核,保证计算与实际相吻合,并根据结构计算分析的结果和长期测试数据的规律性分析设置相应的响应阈值确定了预警、报警级别及控制值,同时从国内外大直径水底盾构隧道建设经验、试验成果、理论分析、专家系统、层次分析法和模糊理论综合确定出各项评估指标的权值,但是受地质条件的影响,隧道结构健康状况评估和诊断是一个动态的、长期的过程,需要持续的研究和探索。
6)采用如SQLSERVER或ORACLE等大中型数据库系统,以图形的方式显示健康状况监测数据的规律和变化趋势,实现相应的报表输出及查询系统,以方便管理层、专家进行数据分析,从而对结构状况及工程寿命提出相应结论。
7)通过对两个工程实例的分析,提出了软件设计总体框架和工作流程,实现了测试数据的采集、分析及对隧道结构的安全性进行分析、评估,预判隧道结构的安全性。数据分析结果直接服务于二个工程的设计施工的生产实践上,并提供反馈意见,为新的水底隧道健康监测系统的设计和实施提供了参考和依据。
With successive construction of large diameter shield tunnels, such us Shanghai Chongming River-crossing Tunnel, Nanjing Weiqi Road Yangtze River-crossing Tunnel, Shield tunnel structure health problems in complex environment seized colleagues' attention. The project of building health monitoring system, which is still at the starting stage, was carried out by referring to structure and bridge health monitoring experience. Based on theory analysis, numerical simulation and engineering example, the method and technique of underwater large-diameter shield tunnel health monitoring system are studied, with a series of findings beneficial for theory and practice achieved.
1) By applying load structure and stratum structure model, the calculation results of the stability of tunnel segments, which lead to the necessity of health monitoring system for underwater large-diameter shield tunnel testified and the influence factors analyzed, is done.
2) By numerical simulation, structural safety problems affecting the stability of shield tunnel in adverse conditions, such as underlying soil layer changes, depth of the covering layer changes, the riverbed changes and tunnel longitudinal slope are analyzed. The seismic response of the surrounding rock in a variety of typical field conditions is also studied.
3) Based on the results of theoretical analysis and the characteristics of underwater large-diameter shield tunnel, the weakness of shield structure is found. On account of it, the contents and key points are finalized, which provide method for determining each index threshold and establish evaluation methods of systematic evaluation model.
4) The health monitoring instrument system giving priority to the fiber Bragg grating sensor is put forward. In order to collect and transmit the monitoring data, the sensing test network is consisted by optical transmission system gathering all sensor signals to monitoring center. According to the data and information acquired by sensor system, data acquisition and pretreatment system, scientific analysis and objective assessment is done by the evaluation system to make a scientific evaluation of the overall security, durability and normality of the tunnel structure, and provide basis for decision making.
5) By establishing finite element analysis model, the calculation results based on monitoring data are checked to ensure that the calculation matches the reality. Early warning alarm levels and control values will be determined according to structure calculation results and long-term analysis of test data analysis settings corresponding response threshold. Simultaneously, the weights of the various assessment indicators are determined by construction experience, test results and theoretical analysis, expert systems, integrated analytic hierarchy process and fuzzy theory of large diameter underwater shield tunnel from both domestic and foreign. However, with geological conditions effect, the health status of the tunnel structure assessment and diagnosis is a dynamic, long-term process that requires continuous research and exploration.
6) Using database system like SQLSERVER or ORACLE, the rules and trend of health monitoring data is showed by graphic. In order to provide convenient for data analysis by management and experts, the report generation and query system is set up, and the corresponding conclusion of structure status and project life is put forward.
7) Through the analysis of the two engineering practices, this paper raises software design framework and working process, which provides test data collection, analysis, assessment of the safety of the tunnel structure, prediction of the tunnel structure safety. Results of data analysis service in the design and construction of two engineering, and provide feedback to provide reference and basis for the design and implementation of the new underwater tunnel health monitoring system.
引文
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