水下隧道结构健康监测技术与应用

第1章　概述 　　1.1　水下隧道的特点 　　1.1.1　水下隧道的发展现状 　　我国内陆及沿海水域辽阔，改革开放以来，国内经济腾飞推动了交通事业的蓬勃发展，跨越江河湖海等水域的现实需求日益增多。跨越江河湖海的可选方式目前主要有轮渡、桥梁与水下隧道等三种。其中，轮渡投资*少，但受制于运量小、等候时间长且极易受气候影响等不利因素，与现代城市快节奏交通运输需求日益脱节，因此近年来使用得越来越少。桥梁是目前跨越江河湖海的*常用方式，但随着建成数量的不断攀升，其局限性日益显现。在大雪、大风与大雾等极端气候环境下，无法保证全天候通行；桥梁净空高度限制了通行船舶的吨位，并且为了避免撞船事故的发生，航行船速也受到了限制；同时，城市道路与主桥相连接需要修建引桥，往往带来高昂的拆迁成本。水下隧道是指在地表水体以下岩土体内建造的隧道，与轮渡和桥梁相比，水下隧道方案穿越水体，在建设期成本往往偏高，尽管如此，水下隧道仍然具有显著的优势[1-3]，包括：全天候通行，不受极端气候变化影响；不占航道净空，不影响航运，不干扰岸上航务设施；建设时能做到不拆迁或少拆迁，对环境破坏相对较小；具有较强的抵抗自然灾害和战争破坏的能力，可兼做人防设施；结构耐久性相对较好，维修管养成本较低；与桥梁相比，水下隧道保留了原有自然景观风貌，实现了工程与环境的和谐统一。 　　近年来，优先考虑采用水下隧道作为跨越江河湖海的方式，在国外已逐渐形成趋势，表1-1列举了国外的一些典型水下隧道工程的情况。 　　表1-1　国外典型水下隧道工程 　　中国水域面积辽阔，内陆水域面积达17.47×104km2(长江、黄河、珠江等七大水系)，辽东湾、渤海湾等海湾水域面积超过0.5×104km2。随着我国经济发达程度的提高、水下隧道修建技术的日臻完善以及人们环保意识的不断增加，水下隧道建设发展蓬勃，越来越多的城市交通急需修建大量的河底隧道、湖底隧道、江底隧道和海底隧道。中国水下隧道开工数统计图如图1-1所示。 　　图1-1　中国水下隧道开工数统计图 　　水下隧道正在逐步取代桥梁作为穿越水体的首选方案，因此我国在近期及其后相当长一段时间内，都将处于水下隧道建设的高速发展期，未来我国水下隧道的体量及相应的管理养护工作量势必极为可观[4]。 　　在水系发达城市的核心区，水下隧道是首选的穿越长大水系方案。以上海地区为例，目前已建成黄浦江越江隧道17条，如表1-2所示。 　　表1-2　上海黄浦江越江隧道 　　水下隧道在交通系统中将扮演越来越重要的角色，根据我国水系分布的特点，水下隧道的规划和建设形势非常好，以我国江苏省为例，江苏省既有和规划中的水下隧道有28条，如表1-3所示。 　　表1-3　江苏省水下隧道 　　此外，根据2020年国家发展和改革委员会印发的《长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)》(发改基础〔2020〕512号)，明确到2035年，全面形成布局合理、功能完善、保障充分、集约高效的长江干线过江通道系统。江苏规划的过江通道有41座，其中13座列为近期建设重点，如表1-4所示。 　　表1-4　长江江苏段过江通道近期建设重点项目 　　目前，我国城市水下隧道的数量迅速增加，其设计基准期一般为100年，进入运营养护阶段的隧道随之增加。隧道工程与其他地上结构相比，在勘察、设计、施工和管理上具有较多的不确定性和复杂性，造成大量隧道出现不同程度的病害，有的甚至刚投入运营就产生病害。在隧道的漫长服役期中，水下隧道复杂的服役环境下，隧道病害对其安全性与耐久性的影响尤为显著[5]。 　　1.1.2　水下隧道的修建方法与结构健康风险 　　自1965年**条水下隧道——打浦路隧道修建以来，水下隧道建设发展蓬勃，截至2020年底，共修建了218条水下隧道，水下隧道的建造方式主要有盾构法、钻爆法、沉管法、围堰明挖法等。我国采用盾构法、钻爆法、沉管法、围堰明挖法修建的水下隧道占比情况如图1-2所示。修建水下隧道时选取的修建方法受多种因素的综合影响，不同方法修建的水下隧道在运营期面临的结构健康风险也不尽相同。 　　图1-2　我国不同施工方法修建的水下隧道占比情况 　　1. 盾构法 　　盾构法是一种全机械化的暗挖施工方法，又称为全断面掘进机法[6]，这种机械化施工方法依靠盾构机在地层中推进，用切削装置在掌子面进行开挖，同时用盾构钢壳保持掌子面稳定，用出土机械或泥水循环系统将渣土运至洞外，并逐环拼装预制管片来支撑围岩，利用盾构与管片间的反作用进行连续掘进。盾构法是修建水下隧道的一种重要施工方法，特别适用于软土地层中隧道掘进施工。图1-3(a)和(b)分别为盾构机结构示意图与盾构法水下隧道(用盾构法修建的水下隧道，以下简称盾构法水下隧道)内部情况。 　　图1-3　盾构法隧道示意图 　　盾构法施工自动化程度高、速度快、效率高，工作人员作业环境好、安全性较高，但缺点是盾构机械较复杂，设备昂贵，对地质条件敏感性较高，且隧道掘进中途需要更换刀具和整修刀盘，工艺复杂，操作困难[6]。盾构法水下隧道还有以下特点：盾构机械施工需要克服高水压，尤其大直径盾构机械推进中需克服顶