結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在城市排水深隧工程中的研究與探索

楊懷，阮超，張延軍，李胡爽，楊杏勃 （中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430000）

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tunnel Structural Health Monitoring System簡(jiǎn)稱TSHMS）一般是指“運(yùn)用無(wú)損傳感技術(shù)，在隧道結(jié)構(gòu)典型斷面處設(shè)置監(jiān)測(cè)元件，對(duì)隧道支護(hù)系統(tǒng)的變形、受力等特征進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期性監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估系統(tǒng)對(duì)隧道的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，用以指導(dǎo)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)，保證隧道營(yíng)運(yùn)安全”[1]。

該技術(shù)最早起源于航空航天領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代后，開(kāi)始應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，尤其在橋梁工程中得到大量應(yīng)用。20世紀(jì)90年代開(kāi)始健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于我國(guó)的一些大型橋梁。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，目前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的應(yīng)用已經(jīng)不勝枚舉。然而，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域中的運(yùn)用相對(duì)較晚，近十余年間才在我國(guó)逐步得到重視和應(yīng)用，目前該技術(shù)在隧道領(lǐng)域主要應(yīng)用于常規(guī)公鐵隧道[2]。除此之外，在各種水下隧道中也多見(jiàn)使用，如過(guò)江隧道[3]、海底隧道[4]、穿湖隧道[5]等。在市政管道領(lǐng)域，僅石油和天然氣等重要管道中有使用到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。在水利隧道中，一般僅在施工期間對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)[7]，在運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的較為少見(jiàn)。

目前國(guó)內(nèi)城市排水深隧僅有為數(shù)不多的案例，如廣州深隧東濠涌試驗(yàn)段、湖北大東湖深隧、深圳前海—南山排水深隧，相較于常規(guī)的城市排水系統(tǒng)，非常有必要通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)深隧工程的運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，用以指導(dǎo)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)。下面將以湖北大東湖深隧為例進(jìn)行具體分析。

1 湖北大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目概況

大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程是武漢市“四水共治”重點(diǎn)工程，工程建設(shè)目的是為了將中心城區(qū)污水傳輸至郊區(qū)新建的超大型綜合性污水處理廠進(jìn)行集中處理。近期傳輸能力為80萬(wàn)d/t，遠(yuǎn)期將達(dá)到100萬(wàn)d/t。

該工程隧道全長(zhǎng)17.5km，全部采用盾構(gòu)法施工，埋深在地下30m～50m，成型隧道直徑有3.0m、3.2m、3.4m三種尺寸。隧道采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外側(cè)為25cm厚的管片，內(nèi)側(cè)為20cm厚的現(xiàn)澆混凝土內(nèi)襯。

運(yùn)營(yíng)期隧道內(nèi)流淌的主要是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的生活污水，即通過(guò)格柵、曝氣等措施，去除污水中直徑大于3mm的有機(jī)物和直徑大于0.2mm的無(wú)機(jī)砂礫，防止其在隧道內(nèi)淤積堵塞隧道。僅在物理層面進(jìn)行“過(guò)濾”，對(duì)于可能造成隧道腐蝕的物質(zhì)基本沒(méi)有任何處理措施。

1.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

①工程建成以后將為武漢大東湖核心區(qū)130km2內(nèi)近300萬(wàn)人提供服務(wù)，服務(wù)人口多，覆蓋范圍廣，可以說(shuō)是一座城市的排水生命線。一旦隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害，可能導(dǎo)致隧道內(nèi)污水與地下水體連通，進(jìn)而污染城市地下水。且由于工程采用單管傳輸，無(wú)備用管道，出現(xiàn)病害后難以修復(fù)，因此一方面需要通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)營(yíng)管理進(jìn)行反饋，通過(guò)運(yùn)營(yíng)參數(shù)控制來(lái)減輕甚至避免病害；另一方面可以在出現(xiàn)輕微病害時(shí)即采取措施進(jìn)行處理，防微杜漸。

②工程沿線穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)隧道主要穿越的地層有礫卵石、粉細(xì)砂、中風(fēng)化含鈣泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化含鈣含泥細(xì)砂巖、中風(fēng)化粗砂巖、中風(fēng)化細(xì)砂巖、中風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖等十余種巖層，同時(shí)還將下穿地鐵、高鐵、湖泊、巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。盾構(gòu)隧道管片襯砌屬于裝配式襯砌，它與整體式襯砌的最大不同點(diǎn)是存在大量管片縱向接頭和環(huán)向接頭，影響襯砌的受力和變形。根據(jù)其他工程經(jīng)驗(yàn)，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的主要病害就包括管片開(kāi)裂、接縫張開(kāi)度過(guò)大、襯砌漏水、土砂流入、盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降和侵蝕性地下水對(duì)管片的腐蝕等多項(xiàng)內(nèi)容[8]。

③在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期，隧道內(nèi)流動(dòng)的為有壓污水，具有較強(qiáng)的腐蝕性，壓力流滿管運(yùn)行工況下易形成硫化氫二次腐蝕，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受較高內(nèi)水壓，常水壓工況為0.35MPa，最大內(nèi)水壓工況為0.43MPa。

2 大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容選取

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行分析，結(jié)合其他工程案例，本工程一共選取了四種監(jiān)測(cè)元器件，即鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)和腐蝕傳感器，在斷面上的具體布設(shè)位置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面圖

較常規(guī)隧道健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有兩方面不同。一是取消了土壓力盒，因?yàn)橥翂毫胁荚O(shè)在隧道外側(cè)，可能因管片壁后注漿包裹失效，施工困難且成活率較低，而隧道內(nèi)外襯整體受力，內(nèi)外壓力大部分相互抵消，綜合考慮后取消了土壓力監(jiān)測(cè)。二是較常規(guī)隧道增加了腐蝕傳感器，在國(guó)內(nèi)運(yùn)用了健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的隧道工程中，僅南京緯七路長(zhǎng)江隧道等少數(shù)工程對(duì)混凝土腐蝕進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，而本工程隧道內(nèi)流動(dòng)的是僅僅經(jīng)過(guò)預(yù)處理的污水，因此腐蝕監(jiān)測(cè)必不可少。

2.2 監(jiān)測(cè)斷面選取

本工程健康監(jiān)測(cè)斷面選取的原則是“重點(diǎn)監(jiān)控高風(fēng)險(xiǎn)斷面、覆蓋典型斷面”。但項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期17.5km長(zhǎng)隧道僅保留6座豎井，平均每個(gè)區(qū)間超過(guò)3km，巖溶段等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均位于各個(gè)區(qū)間比較靠中間的位置，與豎井口最小間距也大于500m，如在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，因傳輸線纜長(zhǎng)，施工難度大，元器件的實(shí)際存活率將進(jìn)一步降低，實(shí)際監(jiān)測(cè)效果難以保證。在隧道內(nèi)部大范圍的埋設(shè)線纜本身也會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因此本項(xiàng)目?jī)H選擇了三處地質(zhì)突變的典型斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體斷面位置如下表所示。

2.3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

本工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括四個(gè)子系統(tǒng)，其層次關(guān)系如圖2所示。

圖2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

①數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)斷面里程表

也就是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的物理層面，其又分為兩部分，一是傳感系統(tǒng)，安裝于待測(cè)結(jié)構(gòu)中，主要通過(guò)各種元器件將待測(cè)的物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)試信號(hào)。二是通訊系統(tǒng)，通過(guò)埋設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)的線纜將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。

②中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)

主要用于存儲(chǔ)隧道監(jiān)測(cè)過(guò)程中采集的各種數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變等物理量，利用該子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)大系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的平臺(tái)管理工作，完成數(shù)據(jù)的分類、查詢、存儲(chǔ)等。

③隧道結(jié)構(gòu)安全健康和智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全健康和智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)主要基于監(jiān)測(cè)得到的隧道結(jié)構(gòu)物理量，參考相關(guān)規(guī)范，并輔助以數(shù)值計(jì)算，結(jié)合監(jiān)測(cè)物理量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)綜合評(píng)估與預(yù)警。該系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)模塊：

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析模塊。主要包括監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)、斷面管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理、曲線繪制、云圖繪制、監(jiān)測(cè)斷面處三維重建、三維數(shù)據(jù)展示等，實(shí)現(xiàn)文件報(bào)告、生成、管理和信息發(fā)布等功能。

預(yù)測(cè)和預(yù)警模塊。主要包括多因素預(yù)測(cè)、預(yù)警報(bào)警管理、預(yù)警報(bào)告生成和管理、預(yù)警信息的發(fā)布等。建立考慮運(yùn)營(yíng)期水壓、流量、腐蝕指標(biāo)、環(huán)境因素等情況的智能預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和智能預(yù)警。

結(jié)構(gòu)健康評(píng)估模塊。主要采用風(fēng)險(xiǎn)概率、層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、考慮監(jiān)測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、壓力及運(yùn)營(yíng)因素，參考相關(guān)規(guī)范，并輔助以數(shù)值計(jì)算，進(jìn)行多因素人工智能結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)，形成結(jié)構(gòu)健康評(píng)估報(bào)告。

④決策支持和用戶界面子系統(tǒng)

包括風(fēng)險(xiǎn)分類、預(yù)案管理、應(yīng)急流程、應(yīng)急預(yù)案、信息發(fā)布、風(fēng)險(xiǎn)跟蹤等。預(yù)應(yīng)預(yù)案可根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警和健康評(píng)估的結(jié)果，給出相應(yīng)的處理預(yù)案，針對(duì)災(zāi)難工況，給出應(yīng)急處置的建議。

用戶界面子系統(tǒng)為一個(gè)基于完整的人機(jī)交互子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，該子系統(tǒng)向用戶提供友好的操作與管理界面、向用戶提供數(shù)據(jù)展示、報(bào)告歷史查詢與更新，具有可擴(kuò)展功能。用戶界面子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他子系統(tǒng)的界面管理，包含電腦端、手機(jī)端和網(wǎng)頁(yè)端，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制、結(jié)果三維展示、預(yù)測(cè)預(yù)警信息發(fā)布、報(bào)告生成、文檔管理等功能。

本項(xiàng)目最終的軟件架構(gòu)圖如圖3所示，平臺(tái)系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)軟件架構(gòu)

圖4 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)圖

3 結(jié)論

目前項(xiàng)目正在按該方案進(jìn)行實(shí)施，在運(yùn)營(yíng)期將對(duì)整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。總的來(lái)說(shuō)，目前運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例仍不是很多，城市排水深隧的健康監(jiān)測(cè)先例更可謂絕無(wú)僅有，限于現(xiàn)階段技術(shù)水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，仍有許多亟待解決的問(wèn)題。

①監(jiān)測(cè)儀器的耐久性

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，尤其是傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)是整個(gè)工作的基礎(chǔ)，如果采集不到真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)，則后續(xù)所有工作都將無(wú)法開(kāi)展，從而導(dǎo)致整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失去其根本意義。而隧道工程與橋梁工程健康監(jiān)測(cè)最大的區(qū)別在于監(jiān)測(cè)儀器的耐久性和埋設(shè)問(wèn)題，橋梁健康監(jiān)測(cè)儀器大部分設(shè)置在結(jié)構(gòu)的表面，具備可更換性，而深隧工程所有監(jiān)測(cè)元件必須預(yù)埋，且不可更換，這給儀器的耐久性選擇提出了更高的要求。相較于城市排水深隧100年的設(shè)計(jì)使用壽命，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往只能在工程使用早期進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，要真正實(shí)現(xiàn)全壽命周期監(jiān)測(cè)有賴于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破。

②健康監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的研究

本工程為有壓污水隧道，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中受力、變形、腐蝕情況尚不明確，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指標(biāo)、預(yù)警設(shè)置均無(wú)先例可循，需在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不斷對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。