健康監測系統在隧道結構中的應用研究

張方 汪博 韓曉健

0 引言

結構健康監測技術(Structure Health Monitoring，SHM)是“用最少的人力來實現對結構自動、連續的監測和觀察”。其具體做法是通過測量結構在超常荷載前后的響應來推斷結構特性的變化，探測和評價結構的損傷，或者通過持續監測來發現結構的長期退化。對于土木工程結構，健康監測系統可監測結構在地震或者爆炸下的損傷，或者監測結構在周圍環境以及人的活動下的長期損傷。這些信息可以為結構的安全評估提供重要參考，也可以用于結構的維護以及其剩余壽命的評估。通過對大型橋梁、隧道工程的長期健康監測和數字化管養系統，可以較全面地把握結構服役全過程的受力與損傷演化規律并給出相應的管養建議，是保障其服役安全的有效手段之一。

近年來無線傳感技術、計算機信息技術、結構分析技術和橋梁隧道工程技術等相關學科的飛速發展，健康監測系統的思想和內容也得到了進一步的拓展與增強。除了傳統的對于結構荷載監測外，將結構健康監測與日常管理、設施維護和應急處理等進行了深度整合，并且健康監測系統在其核心——結構安全，其內涵與外延都得到了擴展。

目前健康監測系統主要運用于橋梁結構，雖然大型隧道結構與大型橋梁在交通中擁有同樣的地位，但限于隧道結構的特點，傳統的結構健康監測系統還是具有一定的局限性，本文提供了一些解決的思路可供參考。

1 健康監測系統應用現狀

健康監測技術最早起源于航空航天領域，最初的主要目的是用結構的載荷監測。20世紀50年代初，國外的橋梁工程專家就提出了橋梁結構安全健康監測的概念，但是由于測試技術、信息技術和其他相關技術的局限，難以實現橋梁結構狀況的長期信息采集和狀況評估。至20世紀80年代初，有科學家提出了智能材料與結構系統的概念，并通過先進傳感技術、信息處理技術等的應用，使得結構系統能像生物體一樣具有自感知、自診斷、自適應的生物仿真功能。

伴隨著人們對于橋梁、隧道安全性和耐久性重視程度的提高，在20世紀80年代中后期，健康監測系統在橋梁方面得到了廣泛地應用和發展，尤其是在特大型結構及橋梁方面。通過預測及時發現和消除危害性隱患，從而極大地提高關鍵工程結構構件的安全性和可靠性，解決了工程結構整個生命周期內安全監控難題。

1984年，北愛爾蘭的Foyle Bridge(總長866 m，主跨234 m，三跨變高度連續鋼箱梁橋)建成通車，其上安裝了各種監測儀器和設備，并試圖探索一套有效的、可廣泛應用于類似結構的監測系統，該系統主要監測項目有:橋梁主跨撓度、氣象數據、溫度、應變等。1987年建成通車的美國佛羅里達的Sunshine Skyway Bridge是主跨366 m的斜拉橋，其上安裝了各種傳感器，用來測量在橋梁建設過程中和建成后橋梁的溫度、應變及位移。1997年，英國在其最大非對稱獨塔斜拉橋(主跨194 m)Flintshire Bridge上也進行了健康監測系統的實踐。

健康監測系統可以通過對比結構在常態與災后結構的狀態快速確定損傷位置和損傷程度，并估算結構剩余壽命。這在地震災害中作用尤其明顯，如1994年，在美國加州發生的Northridge地震，花了巨資來探測鋼結構節點的損傷，1995年的神戶地震也碰到類似的情況。2001年，在Seattle附近發生了6．8級地震，雖然沒有造成很嚴重的破壞，但它卻提示我們必須為防止今后的地震破壞而維修結構。2008年，發生在我國汶川地區的8．0級地震給當地造成了巨大的人員與財產損失，大量結構受損，尤其是各種橋梁、隧道，給抗震救災帶來巨大的不便。這時，健康監測系統可以通過快速確定地震造成的結構損傷，包括隱藏在結構中的，從而降低地震災害帶來的損失。

近年來，由于無線傳輸技術的進步，健康監測系統變得更為實用、可靠。典型的代表是威斯康辛州Michigan Street Bridge，它始建于1920年具有悠久歷史的提升式橋。在其建成85年后，安裝了世界上第一套全橋遠程監測系統，以監測將達到設計壽命的該橋梁裂縫擴展情況和其他橋梁狀態的變化。美國聯邦公路局(FHWA)資助其研究的無線橋梁整體評估與監測系統在該橋上得到了應用，該系統可監測包括位移、應變、轉角、加速度等項目。

目前，世界各國都在其重要的橋梁結構上安裝了健康監測系統，代表性的有丹麥、加拿大、日本、韓國等。丹麥的Great Belt East Suspension Bridge的結構監測系統擁有50通道溫度、50通道沉降、20通道位移、2通道風速和42通道主纜銹蝕。加拿大的Confederation Bridge在其建設之初就安裝了健康監測系統。日本在明石海峽大橋、南備贊獺戶橋、柜石島橋等也安裝了健康監測系統。

雖然我國橋梁健康監測工作由于資金、技術等方面的原因起步較晚，始于20世紀90年代末，隨著我國對外經濟、文化、技術交流不斷加深，交通基礎設施、隧道和大型橋梁的投入迅速增加，以及多次大型工程事故的警示，健康監測系統的重要為人們所共識。健康監測系統在一些大城市率先開展了探索性的應用，并且逐步得到了廣泛應用。上海先后在徐浦大橋、南浦大橋和盧浦大橋等成功實施了健康監測系統，江蘇省在江陰長江大橋、南京長江二橋、潤揚長江大橋、南京長江大橋和首個長江過江隧道等工程項目實施了長期健康監測，湖北省在武漢長江二橋、武漢陽邏長江公路大橋、宜昌長江大橋和武漢晴川橋等實施了針對橋梁結構健康狀況的長期監測系統，我國香港特別行政區公路署對青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋實施了世界上規模最大的橋梁長期健康監測系統。

2 隧道結構健康監測系統

進入21世紀以來，由于先進測試技術的不斷應用，新建特大型橋隧在設計階段就已對健康監測系統周密規劃，各種健康監測系統在我國隧道工程中正得到快速的發展。上海外環隧道的沉管剪力鍵位移監測，利用隧道內安裝三向位移計，對沉管間三向位移進行實時監測。上海地鐵四號線穿越地鐵二號線工程的穿越段，安裝了隧道縱向變形以及橫向收斂變形監測系統，實時掌控已建隧道的安全狀況，為分析穿越施工對已建隧道的影響提供了參考依據。長安大學呂康成教授根據激光基準測量原理，開發了激光隧道圍巖位移實時監測系統，并成功應用于浙江杭金衙高速公路上的樊村二號隧道等隧道。王浩等開發了一套基于GIS的“隧道施工期間信息管理系統”。通過電子全站儀進行洞室圍巖表面三維收斂變形的監測及數據處理，實現了數據的自動采集和實時傳輸，實時分析處理，檢索及結論的可視化輸出。莫海鴻等成功的利用GPRS技術，實現了對廣州龍頭山隧道的多參量自動化監測。

與橋梁結構類似，現代特大型跨江越海隧道一般處于交通要道，并且所處環境侵蝕、材料老化和超載超重荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等不利因素的耦合作用，將不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減，從而導致抵抗自然災害，甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下可能引發災難性的突發事故。隧道工程的健康監測剛剛起步，國內完成的項目屈指可數。

橋梁結構通常可以通過其動態響應反映出其整體工作狀態。隧道結構深埋于巖土之下，其結構與各種巖土緊密相關，固有頻率、固有振型和模態阻尼等發生了顯著的變化，無法像橋梁結構一樣采用模態識別的方法對結構的損傷進行判斷，只能通過傳統的應變、位移測量反映其工作狀態，具有很大的局限性。在此，本文提出將沖擊回波無損檢測技術(IES)整合入隧道健康監測系統，以進一步地增強其損傷識別、量測的能力，見圖1。

圖1 沖擊回波無損檢測的基本原理

此方法通過敲擊混凝土表面，使其內部產生P波、S波以及表面產生R波，三種應力波。應力波在混凝土內部傳播反射形成回波，通過傳感器檢測初始敲擊產生的和反映形成的應力波，并計算和分析得到波在其內部傳播所用時間，結合波速得到混凝土的厚度。該方法的優點在于不需要破壞混凝土，并且克服了傳統的超聲波檢測技術需要在被測試面的另一側設置聲波接收裝置的缺點，具有適用面廣、檢測準確的優點。1983年開始，美國NBS就已經開始了混凝土內部缺陷無損檢測的研究工作。基于對已有測試技術的回顧，Carino和Sansalone(1984)開始研究固體的介質屬性對于應力波傳播特性的影響。Sansalone和Carino(1986)正式將應力波檢測方法稱之為“沖擊回波”法。

沖擊回波法應用廣泛，Hsiao將其應用于混凝土砌塊的檢測，Lin等人總結了沖擊回波測試中的一些經驗。目前，沖擊回波無損檢測方法已經被寫入了美國國家標準(NIST)，并且被美國ASTM和美國混凝土委員會所采用。

損傷檢測則是進行結構健康監測的基礎，這是健康監測的關鍵環節，一直以來都是非常活躍的研究領域。Sohn和Farrar在Rytler的研究基礎上提出了損傷檢測的5個層次:1)識別出結構中是否有損傷產生;2)確定損傷的位置;3)識別出損傷類型;4)量化損傷的嚴重程度;5)確定結構的剩余壽命。而目前開展的損傷研究中能達到第3、第4、第5層次的較少。

基于沖擊回波技術的信號處理的損傷檢測方法不需要識別結構的動力參數，而是通過直接對結構疑似損傷進行識別，并判斷出損傷的嚴重程度。除采用先進的無損檢測技術外，新型隧道健康監測系統還需具備以下特征:

1)先進傳感器及無線傳輸技術的運用。傳感技術與信號采集是健康監測系統的核心技術之一，由于隧道結構的特殊性，傳統布線方法在信號傳輸的安全性和可能性方面均會存在不同程度的問題，本項目擬就多變量耦合傳感技術及其無線傳輸技術進行研究。

2)形成運營管理、防災減災綜合一體化解決方案。傳統健康監測系統功能單一，已經不能滿足日益復雜的交通環境需要。新型隧道健康監測系統需建立一套隧道健康狀況綜合評估體系，研究各種環境參數對于隧道結構的影響，形成完整的安全機制，保障隧道結構的安全運營。同時，在完全機制中建立防災預警功能，減少突出事件、災害等對于人身、財產安全的影響。

3)綜合管養系統的應用。隧道的日常維護與管理是隧道運營時的主要工作，通過數字化網絡的建立，對各管理部門工作流程、工作內容進行規范化，實現快速地信息溝通與共享，達到減員增效的目的。

4)物聯網技術的綜合運用。物聯網(the Internet Of Things，IOT)是新一代信息技術的重要組成部分，即通過傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，按約定的協議，實現物與物、物與人的鏈接，實現對物品和過程的智能化感知、定位、跟蹤、監控和管理。

利用物聯網技術和隧道結構智能監測技術相結合將使隧道結構的安全監測系統發生質的飛躍，結構安全監測將從局部的、片面的監測發展到全局的、整體的監測以至預測，從而達到從整體上評估整條線路橋梁體系的健康狀況的水平，實現城市橋群智能監測。

3 結語

健康監測系統主要應用于橋梁結構，本文通過對健康監測系統的發展情況回顧，并結合隧道結構的自身特點及混凝土結構無損檢測技術，提出了健康監測系統在隧道結構的應用方法，對于隧道系統的運營安全及城市防災減災等具有一定的參考意義。

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