水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究_仇安群.pdf

摘要：以典型水下隧道结构健康监测系统完工调试为例，阐述了 47 个数据异常传感器的调试过程，明确了系统调试的原则，提出了监控中心调试、采集站调试、线路调试、传感器调试的方法，并就调试结果和对施工阶段的启示进行了分析，以期为类似工程系统调试提供借鉴。关键词：水下隧道；健康监测；结构安全；完工调试；数据异常中图分类号：U456文献标志码：A文章编号：1009-7716（2023）01-0172-06水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究收稿日期：2022-03-03作者简介：仇安群（1991），男，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。仇安群1，陈喜坤2，王安飞3，陈 飞2，黄 杰2（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019；3.南京交通运营管理集团有限公司，江苏 南京 211899）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0440引言近年来，越来越多水下隧道实施了结构健康监测系统。采用该系统开展隧道结构损伤识别并分析评估结构安全状态已经成为新的趋势。然而，系统施工完成后，往往由于接线、端头、仪器等问题，导致系统采集数据异常，需进行调试以保障系统功能完善并进入使用阶段。部分学者开展了健康监测系统数据异常分析，范时枭等1结合机器学习方法，对结构健康监测系统采集的原始数据进行初步的自动化分析，以达到降低进一步分析的计算量、提高分析子系统精度的目的。超马2从监测数据中有效地发现异常情况，捕捉所有病理变化可能造成的后果，分析桥梁异常数据的可靠性，初步判断异常值的产生原因，并根据原因对其进行处理。孙汝蛟3对 FBG（光纤布拉格光栅）应变传感器进行了抗电磁干扰、抗零飘、可重复性等性能测试，并与传统的电阻应变片作对比，验证了其可靠性。张立涛4将灰色系统理论中的灰色关联度分析方法引入大型桥梁结构健康监测系统的传感器异常诊断中，在对灰色关联度分析方法的步骤、基本原理进行研究的基础上，得到了判断测试数据关联性优劣的灰色关联度阈值。针对结构健康监测系统完工调试的报道较少。系统调试对于发挥其功能具有重要意义，有必要开展研究为类似工程提供借鉴。1依托工程概况南京应天大街长江隧道采用盾构法修建，全长约3 km，隧道结构外径 14.5 m，环宽 2 m，壁厚 0.6 m。隧道按双向 6 车道快速通道设置，设计时速 80 km/h5。南京应天大街长江隧道横断面及平面图、纵断面图见图 1、图 2。1.1结构健康监测系统设计与实施概述1.1.1监测区段布置南京应天大街长江隧道结构健康监测系统共设置监测区段 12 处，左右对称，其中 50 m 区段 4 处，100 m 区段 6 处，150 m 区段 2 处。区段内每 50 m 设置 1 处多测点监测断面，断面间每隔 58 m 设置 1处环缝测点，每 25 m 考虑 1 处差异沉降测点，如表1、图 3 所示。1.1.2测点分布情况合计考虑 8 项监测项目，各监测项目测点布置如URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月图 2南京应天大街长江隧道纵断面图图 1南京应天大街长江隧道横断面及平面图管理施工172表 2、图 4 所示。合计采用测缝计 290 支，应变计 138支，倾斜仪 24 支，静力水准仪 60 支，三向加速度计 1支。1.1.3系统架构12 处监测区段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通过主光缆传输至监控中心。系统架构见图 5。1.1.4系统实施健康监测系统传感器主要分布在行车层、电缆通道、逃生通道。传感器分布情况见表 3，隧道内部舱室见图 6，各种仪器安装图见图 7。1.2系统问题梳理系统安装完毕后，进行通电、通讯调试。在此过程中，陆续发现一些数据异常现象，主要问题包括：（1）数据在量程内小幅波动。传感器读数在量程范围内，但数据不稳定，测缝计 2 次读数差值小于0.5 mm，应变计 2 次读数差值小于 100 m/m。数据变化曲线呈现出如图 8 所示形态。（2）数据在量程内大幅跳动。数据均在量程范围仇安群，等：水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究表 1监测区段一览表图 3监测区段平面分布图序号监测段监测区段里程长度/m断面总数备注左线桩号范围右线桩号范围1浦口竖井LK3+760LK3+810RK3+760RK3+8105042浦口大堤LK4+375LK4+475RK4+375RK4+4751006穿堤段3江中LK5+150LK5+250RK5+150RK5+2501006靠近河床历年冲刷最低点4覆土厚度最小LK6+032LK6+132RK6+032RK6+13210065梅子洲大堤LK6+230LK6+380RK6+230RK6+3801508沉降最大处（4 个断面）6梅子洲竖井LK6+560LK6+610RK6+560RK6+610504表 2监测项目测点布置图 4测点分布横断面图 5系统架构序号监测项目测点位置测点数量合计监测仪器1断面环缝伸缩量监测断面的拱顶及两侧拱腰布设 3 个测点102测缝计2断面间环缝伸缩量监测断面间间隔 58 m 开展环缝伸缩量监测，测点位于拱顶136测缝计3断面纵缝伸缩量监测断面拱顶和两侧纵缝处布设 3 个测点102应变计4纵向不均匀沉降在每个区段（除工作井区段外）每隔 25 m 在电缆通道外露管片处布置 1 处测点60静力水准仪5错台在监测断面错台量较大的位置（除两端工作井）设置 2 处测点52垂向测缝计6管片倾斜与偏转覆土厚度最小处 3 个测点，分别位于顶部和左右边墙，其余位置（除两端工作井）布设 1 个测点24倾斜仪7结构应力在每个监测断面的拱肩位置相互垂直布设 2 个测点（除两端工作井）208应变计8振动响应在右线浦口大堤区段电缆通道布置1三向加速度计2023 年第 1 期173（f）三向加速度计（e）静力水准仪（d）倾斜仪（c）应变计（b）垂向测缝计（a）测缝计图 8数据在量程内小幅波动曲线内，但数据波动幅度较大，测缝计 2 次读数差值大于等于 0.5 mm，应变计 2 次读数差值大于等于 100 m/m。数据变化曲线呈现出如图 9 所示形态。（3）数据少量出现超量程异常点。传感器大部分数据稳定且在量程单位内，但偶尔出现超出量程异常点且不持续，数据变化曲线呈现出如图 10 所示形态。（4）数据频繁出现超量程异常点。传感器部分时间数据稳定且在量程单位内，但频繁出现超出量程异常点且不持续，有时异常点的读数较为统一。数据变化曲线呈现出如图 11 所示形态。（5）数据在量程内不同位置往复跳跃。传感器稳定读数一段时间后跳跃至另一位置继续读数，随后仇安群，等：水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究表 3传感器分布情况（支）图 6隧道内部舱室图 7各种仪器安装图类别车道板上方缆线通道逃生通道左线右线左线右线左线右线测缝计119119262600静力水准仪00303000倾斜仪12120000应变计696947473939三向加速度计000100合计40020778（a）数据在量程内大幅跳动类型一（b）数据在量程内大幅跳动类型二（c）数据在量程内大幅跳动类型三图 9数据在量程内大幅跳动典型曲线图 10数据少量出现超量程异常点典型曲线（b）数据少量出现超量程异常点类型二（a）数据少量出现超量程异常点类型一2023 年第 1 期174再次返回原位置读数，呈现出反复跳跃的曲线形态。数据变化曲线如图 12 所示。（6）数据在量程外无规律波动。传感器数据超出量程，且数据不稳定，波动特征明显。数据变化曲线如图 13 所示。不同类别异常传感器数量统计见表 4、图 14。合计异常传感器 47 支，占全部传感器的 6.86%。其中出现频率最高为数据在量程内大幅跳动，共 15 支，占异常传感器的 32%；最少为数据在量程内不同位置往复跳跃，共 3 支，占异常传感器的 6%。2调试原则与方法2.1调试原则（1）应按照监控中心、采集站、线缆、传感器的顺序开展调试。（2）除明确的传感器安装问题外，不应触碰已安装传感器。（3）传感器安装问题调试过程中应避免影响相近传感器。仇安群，等：水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究图 11数据频繁出现超量程异常点典型曲线（c）数据频繁出现超量程异常点类型三（b）数据频繁出现超量程异常点类型二（a）数据频繁出现超量程异常点类型一图 12数据在量程内不同位置往复跳跃典型曲线（b）数据在量程内不同位置往复跳跃类型二（a）数据在量程内不同位置往复跳跃类型一图 13数据在量程外无规律波动典型曲线（b）数据在量程外无规律波动类型二（a）数据在量程外无规律波动类型一表 4数据异常曲线类型统计图 14数据异常曲线类型及占比序号异常类别数量1数据在量程内小幅波动72数据在量程内大幅跳动153数据在量程内不同位置往复跳跃34数据少量出现超量程异常点105数据频繁出现超量程异常点66数据在量程外无规律波动62023 年第 1 期175（4）DT 调试过程中，应尽量保持其余传感器数据采集的连续性。（5）调试前做好传感器数据备份。（6）调试后应连续读取多组数据以判断调试手段是否有效。2.2调试方法调试作业按照监控中心、采集站、线缆、传感器的顺序开展。监控中心调试内容包括曲线形态分析、数据转换算法复核。监控中心调试逻辑图见图 15。采集站调试内容包括延时采集、DT 电源切换、电阻测试、DT 接口插拔、通道切换、DT 模块更换等。采集站调试逻辑图见图 16。其中延时采集指调整相邻 2 支传感器采集间隔，增加 5 s 缓冲以提高 DT 采集波峰的准确性。线路调试内容包括电阻测试、线缆完整度观察等（见图 17）。传感器安装调试内容包括传感器紧固、线圈除尘，见图 18。现场调试情况见图 19。3调试结果与启示3.1调试结果全部 47 支异常传感器中采用延时采集措施恢复传感器 9 支，采用重新固定传感器、线圈除尘措施恢复传感器 14 支，切换通道措施恢复传感器 4 支，其余 20 支考虑为电磁干扰影响，采取屏蔽措施。（1）数据在量程内小幅波动。该类型 7 支异常传感器中，采用重新固定传感器、线圈除尘措施恢复传感器 5 支，其余 2 支考虑电磁干扰，采取屏蔽措施。（2）数据在量程内大幅跳动。该类型 15 支异常传感器中，采用延时采集措施恢复传感器 5 支，采用重新固定传感器、线圈除尘措施恢复传感器 5 支，切换通道措施恢复传感器 1 支，其余 4 支考虑电磁干扰，采取屏蔽措施。（3）数据在量程内不同位置往复跳跃。该类型 3 支异常传感器中，采用延时采集措施恢复传感器 3 支。仇安群，等：水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究图 15监控中心调试逻辑图图 17线路调试逻辑图图 16采集站调试逻辑图图 19现场调试图 18传感器调试逻辑图监控中心调试采集站笔记本读数监控中心调试采集站电阻测试DT 切换检查线路检查传感器固定、线圈除尘传感器固定2023 年第 1 期176（4）数据少量出现超量程异常点。该类型合计 10支异常传感器，全部考虑剔除异常数据，补充电磁屏蔽措施。（5）数据频繁出现超量程异常点。该类型 6 支异常传感器中，采用延时采集措施恢复传感器 1 支，采用重新固定传感器、线圈除尘措施恢复传感器 2 支，剩余 1 支考虑电磁干扰，采取屏蔽措施。（6）数据在量程外无规律波动。该类型 6 支异常传感器中，采用重新固定传感器、线圈除尘措施恢复传感器 2 支，切换通道措施恢复传感器 3 支，剩余 1支考虑电磁干扰，采取屏蔽措施。经过调试后，数据曲线变化情况如图 2022 所示。3.2主要启示（1）应注重提高传感器固定方式的可靠性。本次调试过程中约 12 支传感器采用重新紧固措施后恢复正常，说明固定不牢对传感器数据的影响较大。（2）传感器安装位置如有高压线等电磁干扰源，应采取有效的屏蔽措施。本次调试过程中，出现约 20支数据异常传感器采用常规手段难以恢复，采用电磁干扰屏蔽后数据明显改善。（3）DT 的读数间隔可适当增大，从而提高数据采集的可靠性。一般而言，传感器数据采集间隔往往以毫秒计，振弦波峰难以捕捉的现象时有发生。本次调试过程中采用延时采集措施恢复了约 4 支传感器，因此，在条件允许时，应增加 DT 的读数间隔。4结语（1）根据水下隧道结构健康监测系统数据曲线特征将其异常形态划分为 6 种类别。（2）针对不同曲线异常形态，明确仪器调试应按照监控中心调试、采集站调试、线路调试及传感器调试的步骤开展。（3）传感器数据异常的主要原因包括传感器松动、线圈染尘、电磁干扰、DT 通道故障、DT 波峰捕捉异常等。（4）在数据异常的修复中，紧固传感器、线圈除尘、切换通道、延时采集等手段具有一定的效果。参考文献：1 范时枭，张金辉，张其林.结构健康监测系统的数据异常识别J.计算机辅助工程，2016，25（5）:60-65.2 超马.桥梁健康监测系统数据准确性分析J.建筑工程技术与设计，2018（18）:2668.3 孙汝蛟，孙利民，孙智.FBG 传感技术在大型桥梁健康监测中的应用J.同济大学学报（自然科学版），2008，36（2）:149-154.4 张立涛.大型桥梁健康监测系统传感器异常诊断方法研究J.现代交通技术，2011，8（4）:36-39.5 傅道兴，王涛.南京长江隧道结构健康监测系统研究与应用J.南京工程学院学报（自然科学版），2016，14（4）:22-27.仇安群，等：水下隧道结构健康监测系统完工调试关键技术研究图 22延时采集数据恢复曲线图 21重新固定传感器、线圈除尘数据恢复曲线图 20切换通道数据恢复曲线城市道桥与防洪 杂志是您合作的伙伴，为您提供平台，携手共同发展!欢迎新老读者订阅期刊 欢迎新老客户刊登广告投稿网站：http:/电话：[phone]联系邮箱：2023 年第 1 期177ResearchonSuspenderReplacementTechnologyofBowstringArchBridgeProtectedbyOuterSteelPipeZHU Jun,CAO Wenbin,ZHU Liming,YI Chenyang(162)Abstract:Based on the suspender replacement project of a bowstring arch bridge,several suspenderreplacement construction methods are compared and analyzed.By fully considering the safety,theeconomy and the particularity of the suspender with the outer steel pipe in this project,the appropriatesuspender replacement method is selected.In order to ensure the reasonable structural deformation andstress in the whole process of suspender replacement construction,a full bridge finite element model isestablished to calculate the suspender replacement construction process,and determine the reasonableprocess of cutting and welding the outer steel pipe so as to formulate the detailed replacementconstruction steps.During the on-site construction,the internal force of suspender,internal force of steelpipe,stress and deformation of arch rib and tie beam are monitored.The monitoring results show that thedirect replacement method is suitable for this project,which can provide reference for the similar projects.Keywords:bowstring arch bridge;suspender replacement;outer steel pipe;construction monitoring;direct replacement methodFloating Tank Transporting Construction Technology of Ultra-wide Steel Beam for Cable-Stayed BridgeZHANG Huan(166)Abstract:Taking Fuyu Bridge in Fuyang City as the background project,the combined method of thetheoretical analysis and numerical calculation is used to study the construction technology ofultra-wide steel beam transported by the floating boat.The results show that the multiple floatingtanks connected by the anchor bolts and section steel can form a floating boat for transporting theultra-wide steel beams.By injecting water into the floating tank or draining water,its draft depth canbe flexibly adjusted.The top elevation of the floating tank is controlled able to conveniently transformthe steel beam support from the platform up to the floating boat without the large-sized hoistingequipment.Therefore,this technology has the good economic benefit,which provides the basis andreference for the cantilever assembly construction of ultra-wide steel beam cable-stayed bridgeslimited by the transportation.Keywords:cable-stayed bridge;wide steel beam;floating boat transportation;cantilever assemblyResearch on Temporary Support Scheme of Large Full-hole Precast Box Girder in Transporting and ErectingConditionsXU Yangmin(169)Abstract:For the large-scale bridges or extra-long continuous elevated bridges in the sea area orintertidal zone,the full-hole precast concrete box girder is a very competitive bridge structure typebecause of its good manufacture quality and durability when the temporary facilities such as largeprefabricating sites are available.Combined with a coastal expressway project in Ningbo,Zhejiang,thefinite element software ANSYS is used to analyze the transportation and erection of girders,and studythe force characteristics of various temporary support schemes,which can provide the beneficialreference for the full-hole precast bridge structure projects of large sea-crossing bridges.Keywords:continuous elevated bridges;full-hole precast;concrete box girder;temporary supportResearch on Key Technologies of Completion and Commissioning of Underwater Tunnel Structural HealthMonitoring SystemQIU Anqun,CHEN Xikun,WANG Anfei,CHEN Fei,HUANG Jie(172)Abstract:Taking the completion and commissioning of a typical underwater tunnel structural healthmonitoring system as an example,the debugging process of 47 sensors with the abnormal data isexpounded.The principle of system debugging is defined.The methods of monitoring centerdebugging,acquisition station debugging,line debugging and sensor debugging are put forward.Therevelations of debugging results and construction stage are analyzed in order to provide the referencefor debugging the similar engineering systems.Keywords:underwater tunnel;health monitoring;structural safety;completion commissioning;dataexceptionResearch and Application of Combined Treatment Measures for Confined Water in Deep Foundation PitDAI Xingyun,YING Weichao,SUN Haiming(178)Abstract:With the development of society,the excavation of foundation pit is deeper and deeper.Howto deal with the confined water in foundation pit more economically,safely and effectively is becomingmore and more important.Combined with the deep foundation pit project of a subway in Hangzhou,four common treatment measures of confined water are analyzed.The combined treatment method ofconfined water in deep foundation pit is proposed.The length of waterproof curtain is simulated andanalyzed by the numerical analysis software.The most economical and reasonable enclosure depth is63 m.The rationality of the numerical model is further verified by the field pumping test.The testresults also verify the feasibility of the combined treatment method of confined water in deepfoundation pit,which provides a useful reference for the treatment of confined aquifer in other deepfoundation pits in Hangzhou and other areas.Keywords:deep foundation pit;confined water;combined;treatment measuresResearch on Cracking Mechanism of Pipeline Arch Bridge Lug Plate under Low Temperature WeldingConditionsCHEN Jinyi,LIAO Weihua,FAN Zuoyin(183)Abstract:A theoretical study is carried out on the cracks in the circumferential welding seam of thelug side plate of a through-type steel structure tied-bar pipeline arch bridge.Based on the detailedinvestigation of the cracks on the side plates of the lifting lugs on site,a spatial finite element analysisis carried out on the lug joints.The analysis results show that the main cause of the lifting lug cracksis the on-site welding of the lug joints in a low temperature environment.The strong restraintrelationship between the lug side plate and the cover plate hinders the cold shrinkage effect of thewelding seam.The welding residual stress of the steel structure is superimposed with the other effectsto cause a relatively large stress in the lug cover plate.If the advantageous measures of plantprocessing the joints with the complex construction,and adopting the reverse deformation method andheat dissipation method are taken,the welding cracks of pipeline bridge can be effectively avoided atthe low temperature.Keywords:bridge engineering;steel structure;residual stress;cracking;finite elementSTUDY ON SCIENCE&TECHNOLOGYAnalysis on Sources and Control standards of Secondary Pollutants from Mixed Incineration Gas of SludgePower PlantGU Minyan,DUAN Nina,ZHU Jun(186)Abstract:Aiming at the secondary pollutants from the mixed incineration of sludge power plant,thetypes and sources of particular pollutants in the mixed incineration system of sludge power plant aresummarized.The formation process and mechanism of dioxins and heavy metals are speciallyexpounded.By summarizing the emission standards of flue gas related to incineration at home andabroad,the differences of pollutant control types and limits at home and abroad are compared andanalyzed.The existing flue gas treatment systems and functions of coal-fired power plants are sortedout,and the control methods and mechanisms of dioxins and heavy metals are specially set forth.Keywords:sludge;mixed incineration of power plant;incineration;flue gas;secondary pollutants