大直径水下盾构隧道综合监测系统研究_刘伟浩.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022大直径水下盾构隧道综合监测系统研究刘伟浩1,周长进2,李秀东2,任高峰1,3(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2.中铁十四局集团有限公司,山东 济南 250000;3.武汉理工大学 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070)摘要:为确保济南隧道穿黄段盾构法隧道施工期及运营期安全,提出了大直径水下盾构隧道综合监测系统。综合利用光纤传感技术、LabVIEW 虚拟仪器技术、数据库技术,建立了集方案录入、管片变形监测信息实时获取及数据无线传输功能于一体的信息采集与处理系统。设计了下穿黄河薄弱段的管片变形监测方案并进行了传感器的选型安装。利用 LabVIEW 多源信息监测平台和 WEB 端监测平台分别进行了系统现场调试和远程监控,对现场的监测信息进行分析处理与预警,全天候保障施工安全,并且通过历史数据储存查询功能可进一步预测隧道的长期稳定性,实现了对大直径水下盾构隧道管片的实时监测。实际应用表明,监测系统能够良好的反映管片变形情况,保证盾构隧道的安全推进。关键词:盾构隧道;管片变形;光纤光栅传感器;多源信息监测中图分类号:TD76文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0857-08Research on Integrated Monitoring System of Large-Diameter Underwater Shield TunnelLiu Weihao1,Zhou Changjin3,Li Xiudong3,Ren Gaofeng1,2(1.School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,P.R.China;2.China Railway Construction 14th Bureau Group Co.Ltd.,Jinan 435100,P.R.China;3.Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment of Hubei Province,Wuhan 430070,P.R.China)Abstract:In order to ensure the safety of Jinan shield tunnel during construction and operation,a large-diameter underwater shield tunnel comprehensive monitoring system is proposed.By using optical fiber sensor technology,LabVIEW virtual instrument technology and database technology,an information collection and processing system integrating scheme input,real-time acquisition of monitoring information and wireless data transmission is established.The monitoring scheme of segment deformation in the weak section of Yellow River tunnel is designed and the sensor selection and installation are carried out.LabVIEW multi-source information monitoring platform and WEB monitoring platform were used for system field debugging and remote monitoring,respectively.The monitoring system analyzes and processes on-site monitoring information and provides early warning to ensure construction safety around the clock.The long-term stability of the tunnel can be further predicted by the historical data query function,and the real-time monitoring of large diameter underwater shield tunnel segment can be realized.Practical application shows that the monitoring system can reflect segment deformation well and ensure the safe advance of shield tunnel.Keywords:shield tunnel;segment deformation;fiber Bragg grating sensor;multi-source information minoring收稿日期:2022-02-21(修改稿)作者简介:刘伟浩(1997),男,山东青岛人,硕士生,主要从事地下空间结构,安全监测方向的研究。E-mail:m15872365311 通讯作者:任高峰(1979),男,湖北武汉人,博士,教授,主要从事地下空间安全监测等教学研究。E-mail:rgfwhut 。基金项目:2019 山东省重点研发计划(2019JZZY020314)0引言近几年城镇化的发展日新月异,城市轨道交通建设不断完善。地铁、公路、桥梁、隧道等规模越来越大。受密集人口和城市建筑物影响,轨道交通建设逐渐转向城市地下空间的多样性开发,地铁隧道成为城市交通建设的主流趋势1-2。针对市区 施 工,盾构 法 因 其 能 较 好 地 控 制 地 表 沉降、保护环境等优点逐渐走向普及。不同于其他开挖方法,盾构法施工通过盾构管片支撑四周围岩防止隧道坍塌,因此对盾构管片的稳定性进行全面监测尤为重要。自 1974 年盾构法在日本首次使用以来,盾构施工很快在全世界范围得到了应用3,盾构管片监测也得到了长足的发展,国内外专家利用各类监测设备对管片变形及其危害进行了多样化研究。苏建锋4将信息化监测技术应用于天津地铁盾构区间,针对一系列沉降和变形信息动态分析施工隐患并提出对应措施保障施工。汤继新等5采用分布式光纤传感技术对长距离隧道管片进行了变形和差异沉降监测,监测结果肯定了光纤传感监测的可行性。李玉宝等6结合盾构隧道变形监测的工程实践,根据监测数据开展变形误差检验和统计分析,做出了综合性的变形状态评估。翟庆生等7设计并开展了盾构管片接缝受力现场试验,得到了管片接触应力、螺栓轴向应力与变形的一般规律。为解决管片差异性沉降的监测难点,梁斯铭等8创新性地提出了分布式光纤 Z 字型布线方式,实现了对管片接缝变形地准确定位和毫米级感知。还有一些学者致力于改进监测数据的诊断算法,安小诗等9按照不同参数的监测数据,分别提出了相应算法,并成功应用于北京地铁 10 号线。随着互联网技术和传感技术的发展,隧道工程监测越来越无人化、智能化、实时化。任高峰等10基于多传感器技术和 LabVIEW 虚拟仪器技术设计了自动化监测系统,对桥涵施工监测取得良好效果。刘胜春等11针 对 大 断 面、高 水 压 盾 构 隧 道 提 出NYRT-SHMS 监测系统,成功服务于南京长江公路隧道。为了能快速获得监测数据提高管理效率,谢雄耀等12采用 Microsoft Visual Studio.Net 编程技术和 MySQL 数据库开发了智能监测系统,在南宁地铁 1 号线的项目中通过实时的数据反馈,优化了施工参数,有效的提高了掘进效率。Tan 等13以长江某条典型盾构隧道为研究对象,基于实时监测数据 与 风 险 分 析 开 发 了 结 构 健 康 监 测 系 统(SHMS),研究表明,系统分析并与数值模拟结果完全一致,该系统对预测隧道变形趋势,预防灾害事故有重要意义。尽管盾构法施工已在我国广泛应用,相应的监测手段也层出不穷,但大多是小型的公路隧道,针对大直径水下隧道多源实时监测的系统还较少。水下隧道相比于陆地隧道其风险性更高,施工条件更为复杂,对结构安全的要求也更高14。本文立足于济南大直径水下盾构隧道,结合光纤传感监测元件、LabVIEW 多元信息现场监测平台及 WEB 端远程监测平台开发大直径水下盾构隧道综合监测系统,从而实现隧道全寿命周期时间、空间上连续无人值守远距离监测和实时预警。形成涵盖“多参量光纤光栅传感-多源数据实时解调 传感参数远程配置 节点异常诊断预警”的隧道结构智能监测装备体系。1工程概况和测试方案1.1工程概况济南 黄 河 隧 道 穿 黄 河 段 盾 构 法 隧 道 总 长2 519.2 m,为双管双层盾构法隧道,盾构管片采用通用 楔 形 衬 砌 环,错 缝 拼 装。隧 道 最 小 覆 土11.2 m,最大覆土 42.3 m,穿黄段覆土 25 38 m。盾构管片构造形式具体如下:管片外径为 15.2 m,内径为 13.9 m,厚度为 0.65 m,宽度为 2.0 m,楔形量为 52 mm(双面楔形),分块数为 10 块。管片块与块间采用 30 根直螺栓连接、环与环之间采用28 根直螺栓连接。济南黄河隧道隧址地质条件复杂,具有穿越悬河、深基坑、大直径、长距离、高风险、浅覆土、强水压、黏土质、公轨合建等特点。1.2监测点选取黄河隧道盾构段地质条件复杂,沿线下穿地上悬河、低矮房屋群及绕城高速桥桩且隧道直径大、距离长,施工风险较大。安全监测是避免生产事故,消除安全隐患的最后一道保障。为了能以较小的经济代价获得尽可能多的隧道结构状态信息,需要综合考虑隧道薄弱部位及地质变化较大区段,合理选择监测断面。根据隧道的纵向受力状态、地表构筑物和对比监测的需求,选择以下 4 个监测断面:河槽最深区域,988 环990 环;全线覆土最深区域,1028858地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷环1030 环;下穿高架桥,近接施工区域,1115环1117 环;下 穿 二 环 北 路,车 流 较 大 区 域,1149 环1151 环。每个监测断面为 3 环,通过准分布式与分布式光纤传感技术相结合的方式,全面掌握盾构隧道施工过程中管片结构参数的变化,保障施工安全。1.3传感器选型布设分布式光纤是一种线型监测元件,具有高分布式、长距离和布设灵活等优点,几乎不存在漏检的可能性,最大限度地提高监测的可靠性,因此选择分布式光纤监测管片应变。而对于管片水土应力,管片接缝张开量和螺栓轴力这些难以直接由分布式光纤获得的物理量,分别选择光纤光栅土压力计、光纤光栅螺栓轴力计和光纤光栅裂缝计进行监测,光纤光栅传感器参数如表 1 所示。监测布设方案如图 1 所示,预安装如图 2。表 1光纤光栅传感器参数Table 1Fiber Bragg grating sensor parameters参数类型光纤光栅土压力计光纤光栅裂缝计光纤光栅轴力计量程5 MPa100 mm1 000 Kn精度1F.S.1F.S.1F.S分辨率0.5F.S.0.5F.S.0.5F.S光纤中心波长/nm1 5251 5651 5251 5651 5101 590反射率/%909090%