隧道結構健康監測系統研究現狀分析

唐 超, 劉 春, 張鑫雨, 周義舒

(重慶科技學院安全工程學院, 重慶 401331)

目前，我國已經成為世界上隧道數量最多、里程數最長的國家。隧道工程由于其自身的特殊性，隨著運營時間的不斷增長及復雜地質條件、人為破壞等多重因素影響下，導致隧道產生結構劣損、滲漏水等多種病害，這些病害會破壞隧道結構的穩定性從而影響隧道正常使用。現行JTGH12-2003《公路隧道養護技術規范》中提出“宜開展運營期長期監測”。因此，合理開展隧道結構健康監測，及時準確地掌握隧道結構健康狀態尤為重要。隨著“互聯網+”時代的來領，傳統的監測技術已經不能滿足現代隧道施工運營監測的需求，發展更智能更高效的隧道結構健康監測系統是必然趨勢。

1 隧道結構健康監測系統概念

近年來，隨著傳感器技術及互聯網相關技術的快速發展，結構健康監測(SHM)逐漸應用于土木工程各項領域。與傳統的隧道人工監測有所區別，隧道結構健康監測主要是通過在隧道結構內部或典型斷面埋設無損傳感設備，對隧道內部結構的受力變形特征進行實時、連續、長期性監測，基于互聯網相關信息技術對監測數據進行系統性分析，判斷隧道結構損傷程度，做出針對性防護措施，確保隧道結構的安全穩定性。隧道結構健康監測系統是各項現代化技術集成于一身的綜合性系統工程，建立并完善TSHMS可以做到全面了解隧道結構安全狀態，及時發現安全隱患并進行實時預警。

2 隧道結構健康監測系統現狀

2.1 基于應力監測的TSHMS應用現狀

從20世紀70 年代開始，光纖傳感技術就已經開始被運用于實際工程中，研究人員通過采用在航天器結構內部埋設光纖傳感器的方法來監測其內部結構的應力變化情況，并探究其損傷程度。光纖傳感技術因其具有分布式、精度高、抗干擾、實時性及耐腐蝕等多項優點，因而被隧道結構監測界廣泛應用。其工作原理主要是將光纖傳感器預先埋進鋼筋混凝土結構中，從而可以做到對監測隧道結構內部應力及應變狀態進行實時監測。隧道結構健康監測主要集中在變形監測、環境監測及受力監測3個方面，而目前國內外研究方向大多集中在隧道變形監測方面。

在國外，英國伯明翰大學的研究員對隧道運營期間結構受力、錨桿應力應變等項目進行了監測，應用FBG傳感器對隧道進行實時遠程健康監測，日本、荷蘭、韓國等都在隧道內建立了長期安全監測系統，針對混凝土應力、襯砌變形等問題進行實時監測，一旦隧道形變超出設定標準，系統就會發出預警[1]。在國內，關于隧道結構健康監測的研究起步較晚，但隨著傳感器技術及相關信息傳輸數據處理技術的高速發展，我國研究人員也在隧道健康監測方面取得了一定的成果。南京大學丁勇等[2]提出了隧道結構健康監測系統的概念，并闡述了SOFO、FBG、BOTDR等光纖傳感器在應力應變監測中的原理及實際應用。西南交通大學何川教授團隊依托蒼嶺隧道構建了隧道監測結構健康系統，以二襯的應力監測為長期監測項目，通過光纖傳感器收集監測數據，信息匯入局域網獲取隧道健康狀態[3]。毛江鴻[4]利用 BOTDA 技術進行隧道襯砌結構的應力監測，通過理論分析結合具體實驗探究了傳感器在隧道結構中的埋設問題。

2.2 基于物聯網技術的TSHMS應用現狀

物聯網技術被稱為繼計算機技術、互聯網技術之后的第3次技術革命，其具有的3大基本功能分別是：泛在化的傳感單元；異構性的網絡設施；普適性的數據分析。具體而言就是將傳感器嵌入結構中，從而實現智能感知，然后將感知系統與現代互聯網技術相結合，經過計算機強大的分析整合能力將監測信息無線傳輸至管理中心，從而實現對結構的遠程、實時動態管理。基于物聯網的TSHMS的架構體系包括：智能化的感知層、以無線無損傳輸為代表的網絡層及通過物聯網大數據整合的應用層。隨著物聯網技術的日益成熟，傳統傳感器已逐步向智能化微型化發展，目前采用無線傳感器網絡技術(WSN)進行隧道結構健康監測的方法，可以做到監測數據的無損傳輸，充分發揮出物聯網的優勢。國外研究人員研發了一套隧道無線傳感網絡監測系統并應用于倫敦地鐵，該系統可將監測數據匯總至終端然后通過GPRS網絡傳輸至因特網以供實時查詢。姜晨光等[5]提出了基于物聯網的隧道智能監測體系，利用傳感器技術獲取隧道健康狀態信息，結合物聯網技術將監測信息無線傳輸至管理中心，實現遠程實時動態監測。國內學者張意[6]基于UWB(超寬帶)無線傳感網絡技術構建了隧道結構健康監測系統，并建立了基于森林隨機算法的隧道監測評價體系。周游游[7]設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的地鐵隧道結構健康監測系統，并通過實際應用進行了驗證，效果顯著。吳賢國等[8]將BIM技術與物聯網技術相結合，設計了更智能化的隧道結構健康監測系統，實現了監測預警三維可視化，并成功應用于武漢地鐵三號線。

2.3 隧道結構健康監測系統的構建

2.3.1 長期監測項目的選定及相關典型斷面選取

監測項目為施工階段的隧道圍巖監測及營運期的二襯變形受力監測(表1)，根據地質勘查資料合理選取一定數量典型斷面進行傳感器的布設，監測點應布置在應力及結構變形較大的位置，在變形監測方面結合目前應用廣泛的測量機器人、三維激光掃描儀、全站儀等設備進行輔助監測。

表1 主要監測項目及儀器

2.3.2 基于物聯網技術的隧道監控網絡的形成

TSHMS通過埋設傳感器，實現對隧道結構及圍巖的變形受力監測，隨著現代信息技術的高速發展，監測數據的獲取與傳輸變得更加容易，利用物聯網的優勢可以構建隧道智能監控網絡。基于物聯網的TSHMS具有數據采集傳輸、數據處理分析及數據儲存與用戶交互的功能(圖1)，依托物聯網無線傳輸通信技術、信號處理分析算法、相關數學評價方法形成隧道健康評估體系，該評價體系可以監測隧道各分段主體結構的安全并對其進行評判。

圖1 基于物聯網的隧道結構健康監測系統(TSHMS)架構

2.3.3 隧道結構健康系統預警體系的形成

一個完整的隧道結構健康監測系統，不僅需要現場的實時監控及數據的無損傳輸，還需要根據目前隧道損傷情況，利用嚴謹科學的分析方法及客觀的數學模型，得出隧道結構的安全狀況，判定其使用性能，基于此構建安全預警體系。由于隧道自身具有的特殊“模糊性”，可以采用模糊數學與神經網絡相結合的方法構建評價體系。

3 結論及展望

隧道結構健康監測系統是保證隧道結構安全穩定性的關鍵一步，本文系統闡述了隧道結構健康監測系統在施工及運營階段的研究現狀及相關應用，通過分析隧道結構健康監測系統現存的不足之處，認為 TSHMS未來的發展方向有：

(1)充分結合光纖傳感器與無線傳感器的優點，研發全自動的采集設備，發展基于物聯網的隧道結構健康監測系統，將物聯網技術的全方位無縫對接功能應用到TSHMS中來，提高系統可靠性。

(2)發展基于深度學習和人工智能技術的隧道結構健康監測體系，結合現代5G信息技術、云計算平臺等最新技術，優化隧道監測數據采集、傳輸、處理分析能力，發展更智能化的監測管理系統。

(3)研發手機APP等移動終端，建設類似Android、IOS系統的TSHMS預警系統，對所有監測項目進行集成化，統一規劃管理并提供實時預警功能。隨著科技的發展，隧道結構健康監測系統將日趨完善與優化，并在隧道管理工作中發揮重要作用。