隧道工程自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

姚遠(yuǎn)YAO Yuan

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國(guó)隧道及地下工程事業(yè)大約于20 世紀(jì)80 年代步入正軌，進(jìn)入21 世紀(jì)后，軌道交通的建設(shè)得到了大力發(fā)展，隧道工程日益增多，我國(guó)已成為世界上建設(shè)隧道數(shù)量最多、環(huán)境最復(fù)雜、施工工藝最復(fù)雜、施工難度最大的國(guó)家[1]。

目前，新奧法被普遍應(yīng)用在隧道工程施工建設(shè)中，“加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工”是其主要控制原則，目的在于實(shí)時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展情況，以確保圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。同時(shí)，我國(guó)疆域遼闊，隧道所在地形地貌復(fù)雜多樣，導(dǎo)致隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能受到多種因素影響。為保證施工建設(shè)期和運(yùn)維期隧道工程的安全性，監(jiān)控量測(cè)在判斷、減少和控制隧道工程潛在風(fēng)險(xiǎn)事故方面有著不可替代的作用。

隧道工程監(jiān)測(cè)目前存在一些問(wèn)題亟待解決，仍有很大一部分的隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，已難以滿足早發(fā)現(xiàn)早預(yù)警的隧道監(jiān)測(cè)要求[3]。例如，無(wú)法在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)進(jìn)入測(cè)量作業(yè)人員，并由于其空間有限、軸線較長(zhǎng)和位置相對(duì)偏遠(yuǎn)等原因，人工監(jiān)控量測(cè)的投入成本較高但效率卻往往較低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，隧道智能監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為當(dāng)前隧道信息化施工、運(yùn)維的整體趨勢(shì)[4]。本文將通過(guò)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)隧道工程施工和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)論述，并分析傳統(tǒng)隧道監(jiān)控量測(cè)的缺陷和當(dāng)下智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）是由George W.H.教授于20 世紀(jì)中葉提出[5]，其特點(diǎn)在于可以獲得工程全生命周期的關(guān)鍵信息，給予施工和維護(hù)過(guò)程的作業(yè)指導(dǎo)。隧道監(jiān)控量測(cè)屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)部分，截至目前已獲得了顯著的成效[6]。隧道健康監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理分析，得到能反映實(shí)際情況的隧道結(jié)構(gòu)信息，基于該信息預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，采取相應(yīng)防護(hù)措施，編制相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，使隧道結(jié)構(gòu)始終保持相對(duì)健康的狀態(tài)[3]。近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TSHMS）被提出和建立，已逐漸被應(yīng)用于實(shí)際工程中。

2 隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及方法

普通公路隧道的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布置如圖1 所示，從圖中可以看出隧道工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括：掌子面、圍巖、襯砌和錨桿，采用的設(shè)備包括地質(zhì)羅盤(pán)儀、錨桿軸力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、壓力計(jì)和壓力盒等[7]。此外，根據(jù)《公路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程DB43/T 2449-2022》[8]和《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程Q/CR9218-2015》[9]，隧道工程的必測(cè)項(xiàng)目及推薦測(cè)量?jī)x器如表1 所示，可見(jiàn)，隧道工程的變形是主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。按照測(cè)量方式分類，隧道的變形監(jiān)測(cè)可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方式[10]。其中接觸式測(cè)量主要采用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，例如全站儀、水準(zhǔn)儀和收斂計(jì)等，如表1 所示的鐵路規(guī)范中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的推薦儀器；而非接觸式測(cè)量一般采用數(shù)字圖像處理技術(shù)、三維激光掃描儀技術(shù)、斷面儀量測(cè)技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)等[11][12]。

表1 隧道工程監(jiān)測(cè)必測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備

圖1 隧道傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖

通過(guò)表1 所示推薦儀器可知，在新近技術(shù)規(guī)程中增加了智能監(jiān)控量測(cè)方法，并被要求：智能監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備隧道內(nèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能，數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)并根據(jù)需求修改監(jiān)控量測(cè)頻率，數(shù)據(jù)出發(fā)預(yù)警后能及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息至參建單位的指定聯(lián)系人和服務(wù)器[8]。以下將論述為何隧道監(jiān)測(cè)方法需改進(jìn)，以及相應(yīng)的改進(jìn)內(nèi)容和方法。

3 隧道監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題

據(jù)統(tǒng)計(jì)，雖然測(cè)量?jī)x器由原本人工測(cè)記變?yōu)榱藘x器自動(dòng)讀數(shù)并儲(chǔ)值，但目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)隧道變形監(jiān)測(cè)仍采用接觸式測(cè)量?jī)x器[13]，使用此類儀器時(shí)，工作量大且采集速度慢，受到人為影響顯著，具體表現(xiàn)如下：

3.1 水準(zhǔn)儀

由于隧道光線較差、工作人員易受環(huán)境影響等原因，傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺組合測(cè)量方式實(shí)用性較差。電子水準(zhǔn)儀較好，測(cè)量速度快、精度高，可自動(dòng)儲(chǔ)值和計(jì)算。但對(duì)于隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，通常需要在一個(gè)斷面上采集多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，工作效率仍顯較低。水準(zhǔn)儀的另一個(gè)缺點(diǎn)是容易受到外界環(huán)境影響，包括列車的振動(dòng)、晝夜溫差大等引起數(shù)據(jù)漂移，系統(tǒng)單元漏液、沉降變化滯后等問(wèn)題，這種現(xiàn)象在北京和南京地鐵隧道監(jiān)測(cè)中都有發(fā)現(xiàn)[14][15]。

3.2 全站儀

目前全站儀已可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索目標(biāo)、照準(zhǔn)、讀數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算等操作內(nèi)容。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)聯(lián)合多臺(tái)智能全站儀可組成一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單元，完成大面積區(qū)域的變形監(jiān)測(cè)[16]。但對(duì)于隧道工程，線路彎曲或列車運(yùn)行通過(guò)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量視線受阻，因而難以實(shí)現(xiàn)隧道全線的沉降變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.3 收斂計(jì)

隧道收斂測(cè)量常用的有全站儀、激光斷面儀和Basset收斂測(cè)量系統(tǒng)。其中Basset 系統(tǒng)工作原理是通過(guò)由連桿組成的測(cè)量環(huán)上桿件單元角度變化和桿臂的長(zhǎng)度計(jì)算固定點(diǎn)的位移，再對(duì)比固定點(diǎn)的原始坐標(biāo)即可獲得固定點(diǎn)的實(shí)際位置，進(jìn)而計(jì)算收斂值[17]。對(duì)于隧道工程而言，由于列車運(yùn)行頻繁、天窗時(shí)間較短，因此收斂計(jì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)難以及時(shí)收集獲得。

總結(jié)上述內(nèi)容，傳統(tǒng)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)存在以下問(wèn)題：①準(zhǔn)確度受作業(yè)人員影響較大；②測(cè)量結(jié)果無(wú)法保證實(shí)時(shí)性和連續(xù)性；③數(shù)據(jù)采集不便，雖然儀器可以自動(dòng)存儲(chǔ)但仍需人工采集，受到運(yùn)行天窗時(shí)間的制約；④易受外界影響，列車振動(dòng)、溫差等因素可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果漂移、測(cè)量結(jié)論誤報(bào)。

4 隧道監(jiān)測(cè)的新技術(shù)和智能化系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)并投入使用了諸多新型監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，包括改進(jìn)的光纖傳感器、布里淵光時(shí)域反射儀、全站儀的自動(dòng)化與智能化、激光測(cè)距雷達(dá)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。光纖光柵傳感器由Moray 等開(kāi)發(fā)[18]，由于其高精度、準(zhǔn)分布、耐腐蝕和抗干擾等其特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，但其缺點(diǎn)在于光纖的脆弱性。布里淵光時(shí)域反射儀與光纖傳感器的效果類似，其區(qū)別在于前者反映的是隧道整體的變形規(guī)律，后者是局部的變形情況[19]。

激光雷達(dá)測(cè)距儀可以快速地收集當(dāng)前隧道的變形數(shù)據(jù)，在隧道變形監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，具有非接觸、高分辨率、高精度、高效率、數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的研究與應(yīng)用已得到了廣泛的開(kāi)展，例如程效軍等[20]針對(duì)上海某地鐵隧道進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，對(duì)比了全站儀和三維激光掃描儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明全站儀的數(shù)據(jù)偏差均方根為3.8mm，三維激光掃描儀的誤差為4.7mm，完全滿足隧道變形測(cè)量精度要求。上海建科院成功將移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于上海某地鐵隧道的斷面變形監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了隧道徑向收斂值、管片轉(zhuǎn)角和錯(cuò)臺(tái)量的自動(dòng)識(shí)別求解[21]；Han 等[22]提出了從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取隧道輪廓線的方法，極大地增加了實(shí)用性。如圖2 所示。

圖2 盾構(gòu)隧道管片測(cè)量示意圖[21]

監(jiān)測(cè)智能化系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新的產(chǎn)物，其基本功能包括：傳感單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析。具體實(shí)施方法為，將傳感器嵌入監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化感知，進(jìn)而將感知系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，再將監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)、無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)接觸的動(dòng)態(tài)管理，如圖3 所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架示意圖[23]

感知層與傳輸層的交互需要媒介傳輸，目前將儀器采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器的方式主要有ZigBee 傳輸、Wi-Fi 傳輸、Bluetooth 傳輸三種方式。Moridi 等[24]開(kāi)發(fā)了基于ZigBee 無(wú)線電波的地下監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)，Koo 等[25]將Wi-Fi傳輸運(yùn)用于隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上海建科院[26]將Bluetooth 傳輸同時(shí)成功應(yīng)用于基坑和隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了智能綜合測(cè)量管理系統(tǒng)的建設(shè)。相比之下，ZigBee 傳輸距離相對(duì)較短（10m～75m），且傳輸速率較低（0.25Mbps），但由于其低功耗、低成本、短延遲等特性，仍被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

完成數(shù)據(jù)傳輸后，需將數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)處理方可轉(zhuǎn)為有價(jià)值的監(jiān)測(cè)結(jié)果，即智能監(jiān)測(cè)信息管理模塊。智能化過(guò)程中信息管理是至關(guān)重要的，張俊儒等[23]指出在隧道施工過(guò)程中，智能監(jiān)控量測(cè)所體現(xiàn)的問(wèn)題主要集中在兩方面：信息采集和信息管理。信息采集在上文中已闡述了其作用方法，而信息管理對(duì)工程的指導(dǎo)具有直接性的實(shí)踐價(jià)值。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息管理包括兩個(gè)內(nèi)容：①工程人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)憑借自身認(rèn)知、結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性和安全性；②工程人員將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入表格文件中，按照測(cè)量方法自動(dòng)計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)變形曲線。傳統(tǒng)信息管理方法存在諸多不足，最顯著的缺點(diǎn)可概括為低效率和低標(biāo)準(zhǔn)化。例如，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)可采用時(shí)間序列分析法、灰色理論、回歸分析法、曲線擬合法等[27]，但對(duì)于某一工程人員而言，難以同時(shí)掌握上述方法，則導(dǎo)致分析方法單一，分析結(jié)果可能無(wú)法全面揭示監(jiān)測(cè)結(jié)果中存在的問(wèn)題。

監(jiān)測(cè)智能化系統(tǒng)中的信息管理模塊則可補(bǔ)足人工信息處理方面的不足。李元海等[28]對(duì)隧道監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并指出監(jiān)測(cè)信息管理應(yīng)以“信息為中心”的原則，未來(lái)重點(diǎn)應(yīng)是更好利用GIS 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建高效的多源信息綜合集中管理可視化平臺(tái)。對(duì)應(yīng)地，王少飛等[29]分析了隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提出了隧道大數(shù)據(jù)中心的框架；上海建科院的智測(cè)平臺(tái)中的多源信息管理模塊中包含了多種測(cè)信息管理方法，在完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集后，即可實(shí)時(shí)得出分析結(jié)果，提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論與展望

隧道智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證隧道安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容之一。隨著信息科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)逐漸被淘汰，信息化、數(shù)字化、智能化測(cè)量技術(shù)已成為隧道監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。

隧道監(jiān)測(cè)硬件技術(shù)由開(kāi)始的單一信息到多遠(yuǎn)信息，由人工監(jiān)測(cè)向自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外在智能化監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但國(guó)內(nèi)仍未形成完整的監(jiān)測(cè)體系，應(yīng)用范圍仍大多局限在壩體橋梁工程，在隧道工程中的應(yīng)用仍相對(duì)有限。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，隧道工程的智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將日趨完善，在風(fēng)險(xiǎn)控制和管理方面發(fā)揮更重要的作用和價(jià)值。