國內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新技術(shù)的研究

包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

國內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新技術(shù)的研究

包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展，在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念的背景下，由于傳統(tǒng)隧道監(jiān)測方法缺點的限制，新的監(jiān)測技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有顯示出優(yōu)異的優(yōu)點：三維激光掃描技術(shù)能實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并且數(shù)據(jù)誤差?。还饫w傳感器能夠耐腐蝕，圖像分辨率高，結(jié)果精度高，自動化水平高等，這些新技術(shù)表現(xiàn)出日益蓬勃的生機。本文著重介紹國內(nèi)新監(jiān)測技術(shù)的研究及其現(xiàn)狀并指出他們將是隧道變形監(jiān)測未來重要的發(fā)展方向。

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)；三維激光掃描；光纖傳感器

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速加快，對隧道建設(shè)的需求越來越大。對我國5000座鐵路隧道統(tǒng)計中，大約有1/3的隧道有襯砌結(jié)構(gòu)裂縫和滲水漏水的情況[1]。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為隧道安全運營的當(dāng)務(wù)之急?！八淼澜Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”這個概念自 1997年[2]提出發(fā)展到現(xiàn)在，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)取得了階段性成功。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測現(xiàn)在較流行的定義是Housner提出來的：利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征分析，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。這個概念在國內(nèi)被廣泛接受。

本文側(cè)重介紹了隧道監(jiān)測新技術(shù)及其優(yōu)點，高效、快速、精確的特點使得這些新技術(shù)將成為隧道健康監(jiān)測未來的發(fā)展趨勢。

2 傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測

就目前而言，之前隧道變形監(jiān)測采用的設(shè)備大多是經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺式收斂計[3]等。這些測量設(shè)備具有成本低、操作簡單、通用性好等優(yōu)點，但是對于現(xiàn)代化隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的要求而言其缺點[4]也是醒目的：（1）取點是點式的。（2）環(huán)境差異大使得設(shè)備測量結(jié)果不準(zhǔn)確。（3）自動化程度不高。（4）不具備長距離、三維監(jiān)測能力。

下面主要就目前重要的新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做一介紹。

3 隧道健康監(jiān)測新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 多傳感器變形監(jiān)測系統(tǒng)

在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展來的多傳感器的發(fā)展和應(yīng)用大大提高了隧道監(jiān)測的精度和效率。

劉正根、黃宏偉第一次在國內(nèi)采用由靜力水準(zhǔn)儀、直線位移計、鋼筋腐蝕傳感器、應(yīng)變計以及裂縫計組成的沉管隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)對沉管隧道做了實時監(jiān)測。通過同步的結(jié)構(gòu)分析與安全評定，對隧道的變形情況作了預(yù)警，為沉管隧道的監(jiān)測開辟了道路。張成平運用遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)對北京地鐵5號線施工做了實時動態(tài)監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不但證明了新一代遠(yuǎn)程多傳感器監(jiān)測技術(shù)具有可以在高密度行車區(qū)間內(nèi)實施監(jiān)測作業(yè)的優(yōu)勢，而且其具有便捷性、實時行、有效性和可靠性。周奇才使用誤差分析理論對系統(tǒng)測量誤差進(jìn)行分析，并指出滿足1km的測量長度上獲得±3毫米的精度時，圖像傳感器應(yīng)滿足的精度條件，為提高監(jiān)測系統(tǒng)的精確度提供了根據(jù)。

劉洪震推導(dǎo)出了全站儀固定測站三角高程測量精度公式，依照很多實測數(shù)據(jù)并且使用全站儀三角高程法與NA2水準(zhǔn)儀法結(jié)果對比分析得出使用全站儀固定測站進(jìn)行地表沉降觀測，解決了因為各種原因不易立尺的問題。陳龍浩利用靜力水準(zhǔn)儀高精度、實時監(jiān)測等優(yōu)點，獲取實驗區(qū)域地表建筑物變形數(shù)據(jù)，并建立了各影響因素改正模型，對變形體微變形實時遠(yuǎn)程監(jiān)測。戴加?xùn)|通過對靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在某工程中的初步應(yīng)用，將靜力水準(zhǔn)與光學(xué)水準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，總結(jié)了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗。

多傳感器變形監(jiān)測技術(shù)是傳統(tǒng)設(shè)備全站儀、水準(zhǔn)儀等和別的技術(shù)加以結(jié)合成的技術(shù)，有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)忍攸c，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺陷，能高效、動態(tài)、全天候、高精度地實現(xiàn)變形監(jiān)測。不僅測量精度增加了，而且工作繁瑣程度大大降低了。此技術(shù)，在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中應(yīng)用很廣泛，具有不錯的實用價值。

3.2 三維激光掃描變形監(jiān)測技術(shù)

被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”的三維激光掃描技術(shù)可以獲取到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間目標(biāo)的三維立體信息，被認(rèn)為是從點測量到面測量的技術(shù)性改革。

馮發(fā)杰、劉會武結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，在隧道的變形分析中提出變形分析方法，通過對比分析變形前后異常點的變化情況可實現(xiàn)隧道的變形分析?？抵局依萌S激光掃描技術(shù)結(jié)合高精度、高空間分辨率的多時相點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地鐵隧道連續(xù)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理，為城市地鐵交通安全提供強有力的技術(shù)支持。劉紹堂、潘國榮采用誤差分析理論和工程實驗應(yīng)用研究方法，研究三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道環(huán)境進(jìn)行變形監(jiān)測的誤差來源和影響規(guī)律，為三維激光掃描技術(shù)結(jié)果的精確度提升了一個高度。

李萬莉分析了新型監(jiān)測車上的激光探頭分布形式以及截面擬合的算法進(jìn)行探討并提出新型的算法，防止監(jiān)測事故的發(fā)生，有很重要的現(xiàn)實意義。陳欣將高速公路隧道監(jiān)測與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，探索了一套從三維激光掃描點云中提取橫縱斷面、與隧道斷面設(shè)計對比、多期點云數(shù)據(jù)全斷面變形檢測的理論方法。

可見三維激光掃描技術(shù)使得數(shù)據(jù)收集加快了，提高數(shù)據(jù)處理效率降低了作業(yè)強度，將是未來隧道健康監(jiān)測的重要手段之一。另外筆者認(rèn)為，三維激光掃描技術(shù)還將在三維建模和軸線變化及趨勢預(yù)測方面得到更好的發(fā)展。

3.3 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)包括SOFO點式光纖傳感器、光纖光柵傳感器FBG、分布式光纖傳感器BOTDA，具有抗電磁干擾、響應(yīng)快、精度高、耐腐蝕等優(yōu)勢。

張帥軍通過對鋼筋應(yīng)變計、混凝土應(yīng)變規(guī)律、溫度的監(jiān)測結(jié)果分析，指出光纖傳感器反應(yīng)靈敏且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能夠反映出各種變化。但因為光纖傳感器首次被應(yīng)用在地下工程監(jiān)測還存在一些不足之處。劉紹堂采用文獻(xiàn)分析和比較分析方法，研究了布設(shè)形式，討論了數(shù)據(jù)處理方法。研究指出此技術(shù)具有動態(tài)、實時、精度高等優(yōu)點，在地鐵和隧道工程安全監(jiān)測領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

張娟針對目前青藏高原的凍土區(qū)域，探索了低溫條件下分布式布里淵光纖技術(shù)空間分辨率和測量精度的關(guān)系，彌補了BOTDA在低溫條件下中長距離傳感范圍研究的空白。史彥新等在整個巫山殘聯(lián)滑坡體上放置監(jiān)測光纖，利用布里淵得到了滑坡體的變形數(shù)據(jù)。宋震運用BOTDA對錨桿的軸向應(yīng)變做了數(shù)據(jù)監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)，結(jié)果驗證了基于布里淵的錨桿應(yīng)變分布監(jiān)測的可行性。沈圣將靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測系統(tǒng)與準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器相結(jié)合，提出基于改進(jìn)共軛梁法的盾構(gòu)隧道縱向沉降分布監(jiān)測策略，最后通過試驗結(jié)果表明策略監(jiān)測沉降的最大誤差僅為10%，保證了長距離監(jiān)測的精度。

在建隧道監(jiān)測中常遇到的封裝保護(hù)、溫度補償及系統(tǒng)集成問題，魏廣慶以具體工程案例對FBG纖細(xì)脆弱、交叉敏感的問題進(jìn)行了分析。指出通過一定的措施可以大幅提高埋入式FBG傳感器的成活率。關(guān)袁玉通過FBG傳感器對隧道斷面的應(yīng)變情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明數(shù)據(jù)的曲線走勢在一定程度上反映了隧道二次襯砌的變化，為進(jìn)一步的病害預(yù)報提供了有效的支持，保證了隧道健康運營。

光纖監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展能夠為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，一個真正意義上的TSHMS將建立并將不斷得到完善。

4 結(jié)束語

新技術(shù)的發(fā)展大大推動了TSHMS發(fā)展，這些新技術(shù)表現(xiàn)出日益旺盛的生命力，為TSHMS的發(fā)展增添新的活力，他們將為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測帶來新生機。

[1]方利成, 杜彬,張曉峰.隧道工程病害防治圖集[M].北京:中國電力出版社, 2001.

[2]HousnerGW,BergmanLA, CaugheyTK, etc. Al. StructuralControl:Past, Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997(9): 897－971．

[3]劉紹堂,王志武.隧道圍巖收斂監(jiān)測方法及其特點[J].鐵道建筑,2008(7): 44-46.

[4]施斌,張丹,王寶軍. 地質(zhì)與巖土工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展[A]. 中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會.工程地質(zhì)力學(xué)創(chuàng)新與發(fā)展暨工程地質(zhì)研究室成立50周年學(xué)術(shù)研討會論文集[C].中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會,2008:8.

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