【系统设计论文】地下综合管廊健康监测系统设计研究

【系统设计论文】地下综合管廊健康监测系统设计研究江苏省连云港市徐圩新区地下综合管廊临海建设，位于典型的海相软土场地，其工程性质较差，且地下水具有一定的腐蚀性，这对管廊的后期运营提出了挑战。为了确保运营的安全性，设计了健康监测系统，对管廊舱体的横向及纵向变形，对伸缩缝的变形进行监测，并对软土场地可能存在的不均匀沉降问题，对管廊的扭转变形进行了监测。本健康监测系统可以为类似工程提供参考。一、管廊运营安全问题分析（一）管廊结构运营过程中的普遍性问题1.地下综合管廊结构渗漏由于地下综合管廊变形缝设置过密、不均匀沉降等原因，致使地下综合管廊运营期普遍出现渗漏现象。在国内某综合管廊建成后，在约50公里总里程内发现渗漏点超过500个，严重影响综合管廊的运营，同时也带来了很大的安全隐患。长期渗漏水会导致结构剥落、风化、可靠性降低，影响管廊的耐久性。此外，由于管廊内敷设有各种类型的管线，包括有电缆、燃气管等特殊管线，若管廊内渗水严重可能会造成电缆短路的事故。若渗漏水中含有腐蚀介质，还有可能造成燃气管道破裂的事故，严重影响生产及人身安全。2.软土地层管廊结构长期变形软土地层中的管廊在长期使用中受到渗漏、施工扰动、约束差异以及周边环境变化等各种因素的影响，会产生不均匀沉降。我国沿海一带软土分布广泛，软土地层中的管廊变形问题已经成为普遍遇到并亟待解决的问题。（二）徐圩新区管廊结构运营过程中的主要问题连云港徐圩新区处于富水软土环境中，这种地质具有蠕变特性，一般表现为流塑状态，压缩性高、土质差，对地下综合管廊后期沉降和结构变形会造成较大影响。在此环境中，地下综合管廊在长期的自然环境和使用环境双重作用下，结构不均匀沉降的风险较大，这种结构变形可直接导致管廊伸缩缝错台、密封垫失效，从而发生渗漏水、内部设备腐蚀等一系列后果。伸缩缝过度张开或挤压将损坏接缝处止水带，进而导致结构渗漏水，甚至导致混凝土结构碎裂。因此经过分析认为，徐圩新区地下综合管廊运营过程中面临的主要问题有以下几点：1.地质条件差，深厚淤泥层中长距离管廊结构易发生纵向不均匀沉降在徐圩新区地下综合管廊一期工程中，最长的江苏大道地下综合管廊长度为8.4公里。管廊下方为淤泥层，虽然进行了粉喷桩地基加固，但仍存在基础不均匀的问题，管廊结构在运营过程中受周边环境（如水位、动荷载等）变化会发生纵向和横向不均匀沉降问题。此外，管廊周围土体的自身变形或受人类工程活动扰动变形，也会对管廊的自身结构稳定性产生影响，造成管廊的局部不均匀沉降、管廊结构单元之间相互上下错动、左右倾斜等问题。2.多舱管廊尺寸大，易发生横向扭转本项目管廊包括2舱、3舱、4舱，结构横向宽度较大，最大达到15.35米。结构横向稳定性在淤泥质土中与地基加固的均匀性、运营过程中的荷载分布以及环境影响有直接相关，会导致结构产生横向不均匀沉降，从而使管廊结构发生扭转，破坏止水设施。3.距离海边较近，防水失效后引发结构耐久性问题由于连云港徐圩新区位于海边，距海岸线最近处只有3公里。海水的腐蚀作用很大，当局部的防水失效后，海水腐蚀对管廊结构耐久性有一定影响，从而影响结构稳定性，对管廊内管线的运行都有很大的威胁。4.管廊渗漏管廊为线性结构，全线大约按30米长度设置一条伸缩缝，分缝较多。当伸缩缝防水材料的弹性变形量不能适应缝隙要求以及长期使用导致伸缩缝防水材料老化失效等，都是导致管廊漏水的重要原因。管廊漏水将带来一系列结构病害风险。二、健康监测内容分析（一）不均匀沉降监测徐圩新区地下综合管廊地质条件较差，发生不均匀沉降的概率较大，这种结构变形可直接导致管廊节段之间发生错台，密封垫失效，从而引发渗漏水、内部设备腐蚀等问题。因此开展不均匀沉降监测具有非常重要的意义。不均匀沉降病害分布于管廊全线，也是淤泥质黏土地层条件下管廊面临的主要风险，本次监测系统建立“全线监测”来准确反映结构不均匀沉降的情况。（二）伸缩缝变形量监测伸缩缝变形是地下工程普遍面临的病害之一，一般由结构荷载变化、地基沉降、混凝土收缩与徐变等造成，伸缩缝过量变形会直接导致密封垫的防水作用减弱，且对管廊的结构性能产生较大影响。针对伸缩缝变形量进行监测有利于把握管廊在运营过程中的结构变形特征，在重大病害发生之前及时发现并进行修复。地下综合管廊伸缩缝分布于工程全线，但全线监测经济性较差，分析认为，管廊伸缩缝过渡变形的位置一般发生在荷载突变、下穿工程等关键节点处。因此，对该指标仅开展关键断面的“重点监测”，根据近期“全线监测”的情况在远期进行实施。（三）断面扭转监测徐圩新区地下综合管廊断面有2、3、4舱，横向宽度较大，在6.5515.53米之间，大断面使管廊运营期易出现横向沉降量不均，从而发生横向扭转，而扭转会损坏地下综合管廊内部设备。因此，应针对这一病害进行监测。与伸缩缝变形量的监测方式类似，管廊断面扭转往往发生在风险较大的位置，如穿越道路、河流等，因此该项目也采取“重点监测”，根据近期“全线监测”的情况在远期进行实施。三、健康监测工作布置（一）监测工作概况徐圩新区地下综合管廊项目需要对150个全线接缝进行沉降和张开量监测，共计需要300只位移传感器，另外还需要对30个重点监测点加强监测，共计需要60只位移传感器和30只高差计。本次健康监测系统设计从经济性和合理性考虑，仅考虑监测项目超过警戒值对结构危害大、发生概率高，且发生后需及时处理的监测项目。具体包括不均匀沉降、伸缩缝变形量、断面扭转。对于结构渗漏水，本次仅做接口预留，后期如有需要再补充相应测点。全线监测采用水平向和倾斜向两个位移计进行监测，均布设于管廊一侧侧墙中部，距底板距离约为1.6米，两个位移计叠合安装，其中一个水平9向布设，另一个倾斜约70布设。叠合高差2毫米。（二）安装细则1.沉降和变形位移传感器安装布设沉降量和轴向变形监测采取交叉式安装，此安装方式可同时监测沉降与轴向的变形。图13是管廊的断面视图形式，不论二舱结构，还是三舱、四舱结构，均在其一个侧面安装传感器，既能有效监测管廊的结构变形与沉降，又不影响主要管道设施的布设与分布，同时也降低了监测传感器及传输光缆的安装与敷设。图4为安装细节图。2.伸缩缝张开量位移传感器布设沿着管廊方向敷设的位移传感器可有效监测其目前是处于脱节或加压状态。如图57所示，位移传感器分别安装在顶面和侧面，不论是轴向拉伸或压缩，还是纵向错位，均可有两个位置的传感器监测到。具体安装如图8，通过两端的定位卡分别将位移传感器固定与侧壁和顶面，传感器保持水平安装，安装时尽量保持与安装面平行。3.断面扭转高差计布设管廊的断面扭转采用高差计进行监测，其安装分布如图911所示，在管廊最边上的两壁上分别安装一个高差计，当断面发生扭转时产生相应高度差。高差计安装时与管廊走向保持水平，安装好以后要重新调节，使得在静态时高差计的测量结果为0。图12为安装细节图。地下综合管廊的建设在我国方兴未艾，各种建设技术均在不断发展更新中，本文以连云港市徐圩新区地下综合管廊为例，针对海相软土场地的特殊条件，设计了管廊健康监测系统，为管廊的运营保驾护航。