隧道結構健康監測系統應用實例研究

任喻云，楊 航

（1.四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 610000；2.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610000）

結構健康監測的概念最早由Housner[1]提出，泛指監測工程結構損傷和退化。由于國內工程領域發展迅速，工程結構健康狀態的周期性監測需求量較大，以結構健康監測為基礎的工程類結構健康監測系統越來越完善；該系統在國內大多用于大跨徑橋梁的結構監測，在隧道結構健康監測方面應用實例反而不常見，國內大多采用的是傳統監測方式。隨著國內光纖技術發展成熟，該技術與隧道結構健康監測結合起來，使隧道結構健康監測系統有了發展機遇。隧道健康監測系統能在監控重大結構的變形、及時發現結構部位損傷領域發揮超出預期的效果。中國公路隧道建設如火如荼，每年都有大量的隧道新建，因此建立長期有效的隧道結構健康監測系統，取代傳統的周期性人工監測，全面實時地了解隧道結構健康情況是十分必要的。

1 隧道結構健康監測系統

隧道結構健康監測系統（Tunnel Structural Health Monitoring System,TSHMS）與傳統的隧道人工監測不同，該系統可以在隧道某一斷面位置上預埋監測傳感器，通過傳感器等一系列設備獲取的數據對隧道進行實時、長期的健康監測。本質上是對隧道監測系統在時間域上的拓展和延伸，繼承了隧道監測系統部分優點且形成了本身獨有優勢：（1）能實時觀測隧道結構沉降、變形及受力狀態，確保隧道健康運營；（2）預測隧道內監測對象在未來的變形趨勢，根據獲取到的一系列變形發展趨勢，決定是否需要通知相關單位采取相對應的防控減災措施；（3）為隧道的運營安全提供可靠的信息，建立“一出問題多方響應”的機制；（4）系統所采集到的監測數據經過計算機的數理統計、計算判斷及人工分析后，進行監測對象的預測和反饋，以確保隧道在運營過程中的穩定；（5）積累相關的監測資料，為以后的相似工程提供參考依據[2]。

1.1 系統組成

隧道健康監測系統（TSHMS）根據信息傳輸方式不同可以大致分為兩類，采用光纖光柵有線傳輸和采用GPRS（GPS）或ZigBee技術無線傳輸兩類[3]。但隧道健康監測系統組成都大同小異，主要分為硬件系統和軟件系統兩部分，如圖1所示。其中傳感器子系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統組成硬件系統部分用來感知采集數據；數據庫子系統、數據處理與控制系統、安全評價和預警子系統組成軟件系統部分用來數據傳輸與處理，通過軟硬設備間相互協同，實現隧道結構監測系統[4-5]。

圖1 結構健康監測系統構成

（1）整個結構健康監測系統的基礎組成部分是傳感器子系統，是真實、實時和可靠的提供各監測項監測數據的基礎；傳感器子系統通過預埋傳感器對隧道結構的變化進行感知，通過應力、壓力、振弦式傳感器等采集到的信號對結構的變化進行定量，通過后續子系統轉換成數理統計值及變化趨勢圖，從而分析結構的受力及其他參數。

（2）數據采集子系統收集傳感器子系統測量的環境條件和采集到的結構自身變化信號，并將該信號處理成數字信號。

（3）數據處理與控制子系統是對采集到原始數據進行處理和初步分析的關鍵。該系統的功能主要是通過系統內置的軟件、硬件快速檢校處理，對獲取的數據進行檢驗、初步分析、為后續子系統的運行建構框架，響應系統的指令等等。

（4）安全評價與預警子系統主要就是通過各個子系統所采集和分析的結構變化情況結合隧道運營過程中的其他因素，對結構的內力、應力、變形情況等進行統計分析，以確定是否需要預警。

1.2 系統主要監測項目

根據公路運營隧道技術特點，以《公路隧道養護技術規范》(JTG H12—2015)及《公路隧道施工技術規范》（JTG F60—2019）為依據確定監測項目，系統主要的監測項目如表1所示。

2 工程實例研究

2.1 項目概況

汶馬高速公路通化隧道1號進口淺埋段為強至中風化絹云石英千枚巖及絹云千枚巖，受構造、風化影響，巖土較破碎，結構面結合較差，屬較軟巖，巖體呈碎裂層狀結構，千枚巖遇水極易軟化，強度極低。隧道開挖后易垮塌冒頂，地下水類型主要為基巖裂隙水，呈點滴狀、線狀滲出為主。洞口處存在不穩定斜坡，坡體易失穩形成滑坡、崩塌、溜坍等不良地質。為避免隧道進口在運營過程中發生山體滑坡時對隧道結構造成影響，造成較大的損失；對隧道洞口段實施結構健康實時監測，在隧結構健康監測云平臺上呈現數據結果；以便發生山體滑坡時實時提供數據支持，研究解決方案。

表1 主要監測項目

2.2 監測內容及布點方式

由于資源、成本等方面的限制，一般而言，傳感器系統不會涵蓋整個隧道的所有斷面，多數采取重點部位與高危部位結合監測的方式[6]。因此，針對通化隧道1號進口在綜合考慮其工程水文地質、斷面形式、隧道埋深、運營過程中隧道材料老化、地下水侵蝕沖刷、結構受力情況變化及車輛荷載等不利因素影響會對隧道襯砌形成一定水平的病害，可能發生裂縫、滲水及結構物侵限等，影響行車安全。因此針對此隧道運營過程中容易出現的病害類型、重點監測內容，根據施工要求制定，在該隧道洞口段設置兩種參數（襯砌結構變形、圍巖內部位移），設置需結合監測的預報與斷面監測計劃，準確及時地獲取隧道結構受力情況及變形情況并反饋預警，制定應對方案是合理、必要的。

（1）襯砌結構變形監測。隧道在營運過程中襯砌結構變形會導致隧道內構造物侵入建筑界限，影響行車安全，變形過大會導致難以挽回的損失。變形往往伴隨著其他顯而易見的病害類型，如裂縫、滲水返堿、路面隆起或下沉等。考慮到健康監測系統“實施可能、經濟合理”的原則，可根據隧道地質資料中地質分段部位、養護過程中發現變形的位置、裂縫及滲水嚴重的斷面分別布設兩個高精度激光測距儀；長隧道及特長隧道宜根據實際情況適當增加監測斷面。

在B點處布置兩個兩個高精度激光測距儀，一個指向另一側拱腰，一個指向拱頂，拱頂中線及拱腰位置分別布設激光靶標，如圖2所示。測出AB間距和BC初始間距，通過變形前后的數據分析就可以得到拱腰收斂量和拱頂的沉降。

圖2 結構變形監測測點布置圖

拱頂沉降采用等比法，其原理為在拱頂布設一個固定的水平板，通過激光測距儀測定傳感器安裝位置與平板的初始距離AB；通過全站儀測出平板距BD水平線的初始垂直距離AC。

當拱頂累計沉降量為△h時，通過激光測距儀測量出三角形此刻斜邊BF的長度，由等比法可知：

式中AE=△h，AF=AB-BF，故此△h=。

（2）圍巖內部位移監測。山區隧道作為穿越山體的結構物且大多為鉆爆法施工，伴隨著大地脈動、構造變化、地質災害等一系列的因素，這些因素會使隧道開挖斷面的基巖相對于隧道支護體系產生一定量的位置變化，而變化的過程和結果經現場實施和研究確定是可以進行動態觀測的。在已運營的隧道中，可以基于日常維護調查所確定的可能發生或已經少量發生位移的位置布設多點位移計，通過多點位移計相對位置的變化實時的觀測圍巖變化情況，如圖3所示。

圖3 圍巖內部位移監測測點布置圖

2.3 數據分析

用不同時間段同一參數變化趨勢分析及不同監測參數的同一時間段內的參數相關性分析的方法來獲得結構物的變化狀態。利用相關性分析對兩個或多個具備參數之間具備相關性的變量進行統計分析，通過兩個變量的相關性分析出參數的相關密切程度；通過對安裝完成后兩個月的實時監測數據進行記錄，自動生成變化趨勢圖。根據趨勢圖可以看到任一時間點的數據和長時間監測時間段內的數據變化趨勢。

（1）襯砌結構變形分析。針對結構變形的周期及特點，提取出變形特點較為顯著的時間段進行分析。變形趨勢如圖5所示。

根據數據變化趨勢可以看出在設備埋設完成開始監測后，襯砌處于緩慢變形狀態。拱頂下沉量及周邊收斂均在緩慢增大，呈線性關系。襯砌變形在2020年1月13日時達到峰值并處于穩定狀態，拱頂下沉及周邊收斂數值均為3mm，未侵入建筑界限故無須預警。

（2）圍巖內部位移數據分析。圍巖內部位移傳感器監測所得數據為負，表示巖體位移方向有侵入隧道斷面的趨勢，襯砌受壓；與襯砌結構變形同一時間段的圍巖內部位移變化趨勢如圖6所示。

圖5 襯砌結構變形數據變化趨勢圖

圖6 圍巖內部位移數據變化趨勢圖

根據數據變化趨勢可以看出圍巖內部位移在2019年12月30日變化較大，表明隧道斷面處圍巖在該時間段內可能受圍巖內部小型滑移的影響，如果數據繼續呈斷崖式增長可能形成山體滑坡，該時間段內圍巖處于不穩定狀態。因此要通過預警，提醒相關部門采取辦法應對。可以看到位移數據于2020年1月1日再次少量增加后開始趨于穩定，于2020年1月13日基本穩定。圍巖內部位移變化趨勢與襯砌結構變形趨勢基本相符，兩者存在一定的相關性。

3 結論

（1）文章細分了結構健康監測系統的各個構成組建，通過數據分析表明結構健康監測系統能在運營隧道中有效地運行，能夠通過長期不間斷觀測實時掌控隧道結構狀態，確保結構安全。

（2）于2019年12月30日發生的小型圍巖位移所產生的滑坡對該隧道洞口監測段結構的影響不大，隧道襯砌結構變形及圍巖內部位移在一個月內趨于穩定。

（3）結構健康監測系統能監測某個點或斷面的結構受力和變形狀態，但不能以一個斷面的狀態來考量整個隧道，因此須在必要時增加監測斷面數。

（4）仍需要進一步研究的問題，首先是對儀器精度和可靠度的研究，只有保證了數據源頭的真實性才能保證監測結果的準確性；其次是對結構健康監測系統預警閾值的研究，圍巖的差異性、結構物的受力狀態不同及修建完成交付后隧道不同階段受力、變形的臨界值也會有所不同，需要通過大量的數據及案例統計分析來設定。