隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

唐 超, 劉 春, 張鑫雨, 周義舒

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院, 重慶 401331)

目前，我國已經(jīng)成為世界上隧道數(shù)量最多、里程數(shù)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(fù)雜地質(zhì)條件、人為破壞等多重因素影響下，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)劣損、滲漏水等多種病害，這些病害會破壞隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性從而影響隧道正常使用。現(xiàn)行JTGH12-2003《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》中提出“宜開展運營期長期監(jiān)測”。因此，合理開展隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，及時準確地掌握隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)尤為重要。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的來領(lǐng)，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代隧道施工運營監(jiān)測的需求，發(fā)展更智能更高效的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是必然趨勢。

1 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概念

近年來，隨著傳感器技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)逐漸應(yīng)用于土木工程各項領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的隧道人工監(jiān)測有所區(qū)別，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要是通過在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部或典型斷面埋設(shè)無損傳感設(shè)備，對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力變形特征進行實時、連續(xù)、長期性監(jiān)測，基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性分析，判斷隧道結(jié)構(gòu)損傷程度，做出針對性防護措施，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是各項現(xiàn)代化技術(shù)集成于一身的綜合性系統(tǒng)工程，建立并完善TSHMS可以做到全面了解隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并進行實時預(yù)警。

2 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 基于應(yīng)力監(jiān)測的TSHMS應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀70 年代開始，光纖傳感技術(shù)就已經(jīng)開始被運用于實際工程中，研究人員通過采用在航天器結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)光纖傳感器的方法來監(jiān)測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況，并探究其損傷程度。光纖傳感技術(shù)因其具有分布式、精度高、抗干擾、實時性及耐腐蝕等多項優(yōu)點，因而被隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測界廣泛應(yīng)用。其工作原理主要是將光纖傳感器預(yù)先埋進鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，從而可以做到對監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)進行實時監(jiān)測。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要集中在變形監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測及受力監(jiān)測3個方面，而目前國內(nèi)外研究方向大多集中在隧道變形監(jiān)測方面。

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

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的TSHMS應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被稱為繼計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后的第3次技術(shù)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(gòu)性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施；普適性的數(shù)據(jù)分析。具體而言就是將傳感器嵌入結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)智能感知，然后將感知系統(tǒng)與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過計算機強大的分析整合能力將監(jiān)測信息無線傳輸至管理中心，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的遠程、實時動態(tài)管理。基于物聯(lián)網(wǎng)的TSHMS的架構(gòu)體系包括：智能化的感知層、以無線無損傳輸為代表的網(wǎng)絡(luò)層及通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)整合的應(yīng)用層。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器已逐步向智能化微型化發(fā)展，目前采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)進行隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法，可以做到監(jiān)測數(shù)據(jù)的無損傳輸，充分發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。國外研究人員研發(fā)了一套隧道無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)并應(yīng)用于倫敦地鐵，該系統(tǒng)可將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至終端然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至因特網(wǎng)以供實時查詢。姜晨光等[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測體系，利用傳感器技術(shù)獲取隧道健康狀態(tài)信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測信息無線傳輸至管理中心，實現(xiàn)遠程實時動態(tài)監(jiān)測。國內(nèi)學(xué)者張意[6]基于UWB(超寬帶)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并建立了基于森林隨機算法的隧道監(jiān)測評價體系。周游游[7]設(shè)計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實際應(yīng)用進行了驗證，效果顯著。吳賢國等[8]將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了更智能化的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)警三維可視化，并成功應(yīng)用于武漢地鐵三號線。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

2.3.1 長期監(jiān)測項目的選定及相關(guān)典型斷面選取

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

表1 主要監(jiān)測項目及儀器

2.3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的形成

TSHMS通過埋設(shè)傳感器，實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的變形受力監(jiān)測，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與傳輸變得更加容易，利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢可以構(gòu)建隧道智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。基于物聯(lián)網(wǎng)的TSHMS具有數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)處理分析及數(shù)據(jù)儲存與用戶交互的功能(圖1)，依托物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸通信技術(shù)、信號處理分析算法、相關(guān)數(shù)學(xué)評價方法形成隧道健康評估體系，該評價體系可以監(jiān)測隧道各分段主體結(jié)構(gòu)的安全并對其進行評判。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(TSHMS)架構(gòu)

2.3.3 隧道結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)預(yù)警體系的形成

一個完整的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，不僅需要現(xiàn)場的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)的無損傳輸，還需要根據(jù)目前隧道損傷情況，利用嚴謹科學(xué)的分析方法及客觀的數(shù)學(xué)模型，得出隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，判定其使用性能，基于此構(gòu)建安全預(yù)警體系。由于隧道自身具有的特殊“模糊性”，可以采用模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法構(gòu)建評價體系。

3 結(jié)論及展望

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是保證隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵一步，本文系統(tǒng)闡述了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在施工及運營階段的研究現(xiàn)狀及相關(guān)應(yīng)用，通過分析隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存的不足之處，認為 TSHMS未來的發(fā)展方向有：

(1)充分結(jié)合光纖傳感器與無線傳感器的優(yōu)點，研發(fā)全自動的采集設(shè)備，發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全方位無縫對接功能應(yīng)用到TSHMS中來，提高系統(tǒng)可靠性。

(2)發(fā)展基于深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系，結(jié)合現(xiàn)代5G信息技術(shù)、云計算平臺等最新技術(shù)，優(yōu)化隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理分析能力，發(fā)展更智能化的監(jiān)測管理系統(tǒng)。

(3)研發(fā)手機APP等移動終端，建設(shè)類似Android、IOS系統(tǒng)的TSHMS預(yù)警系統(tǒng)，對所有監(jiān)測項目進行集成化，統(tǒng)一規(guī)劃管理并提供實時預(yù)警功能。隨著科技的發(fā)展，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將日趨完善與優(yōu)化，并在隧道管理工作中發(fā)揮重要作用。