基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道滲漏水安全監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀分析

黃富禹 劉 春* 李 哲

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

1 概述

地鐵作為人們生活工作中必不可少的一種出行方式，因其運(yùn)輸量大，速度快，節(jié)省城市地面空間而備受歡迎。地鐵隧道工程的發(fā)展與城市繁榮息息相關(guān)，因此，地鐵隧道工程的興建能為城市帶來(lái)經(jīng)濟(jì)，社會(huì)等方面的收益。

伴隨著大量隧道工程投入地鐵運(yùn)營(yíng)，各城市的地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)或不同種類，不同程度的危害，包括圍巖損裂，拱頂沉降，滲漏水等危害。因大部分隧道地鐵工程位于地下水位以下，所以，滲漏水成為了其主要病害[1]。滲漏水病害在隧道中主要以拱頂、拱腳及隧道圍巖等處的潤(rùn)濕、滲濕甚至漏水的方式呈現(xiàn)。滲漏水病害嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，內(nèi)部鋼軌生銹、腐蝕等情況。如不對(duì)隧道滲漏水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理，滲漏水病害甚至?xí)：Φ剿淼赖慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，影響隧道的使用壽命，嚴(yán)重者則會(huì)造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)隧道進(jìn)行滲漏水的監(jiān)測(cè)及有效的防護(hù)治理是必不可少的。

2 隧道滲漏水的危害

2.1 隧道結(jié)構(gòu)腐蝕

隧道滲漏水會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)逐步腐蝕，其地下水中帶有的化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)加劇腐蝕的嚴(yán)重程度。腐蝕到一定程度則會(huì)造成隧道整體結(jié)構(gòu)的損失，增加隧道運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 襯砌裂縫滲漏水

襯砌裂縫主要是由于隧道工程所處地質(zhì)條復(fù)雜，隧道圍巖壓力過(guò)大，襯砌厚度不足等造成。其會(huì)導(dǎo)致存在較多滲漏水的襯砌開(kāi)裂，在地面降水量過(guò)大的情況下，地下水會(huì)沿著隧道襯砌裂損部位流入隧道中。

2.3 滲漏水導(dǎo)致地表塌陷

地表塌陷的原因主要是在暴雨季節(jié)，地表水沿裂隙流入地下，將地表浮圖層的松散泥沙被掏空，導(dǎo)致塌陷不斷下沉。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道滲漏水安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)和核心，在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)用戶端的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸和擴(kuò)展[3]。

物聯(lián)網(wǎng)主要是以感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層組成。感知層主要包括各種智能傳感技術(shù)，如射頻識(shí)別技術(shù)、三維激光掃描器、溫度傳感器、以及無(wú)線傳輸技術(shù)所配套的監(jiān)測(cè)儀器。網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層之間進(jìn)行信息交流的技術(shù)手段，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵所在。網(wǎng)絡(luò)層在于能夠把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效的傳輸?shù)綉?yīng)用層，其關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的傳輸處理要達(dá)到安全、穩(wěn)定的目的[4]。

應(yīng)用層的功能是在獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對(duì)不同的數(shù)據(jù)的分析處理情況做出科學(xué)化、及時(shí)化的反饋和措施。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系

圖2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程

3.2 隧道滲漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集：采用三維激光掃描儀、溫度傳感器等對(duì)隧道滲漏水進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

3.2.2 數(shù)據(jù)處理：利用無(wú)線傳輸系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)后，對(duì)隧道滲漏水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，主要針對(duì)每100m2滲漏點(diǎn)數(shù)量、單個(gè)滲漏點(diǎn)浸濕面積和滲漏水裂縫寬度等；

3.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對(duì)隧道整體的滲漏水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)滲漏水單點(diǎn)預(yù)測(cè)及多點(diǎn)預(yù)測(cè)；

3.2.4 監(jiān)控預(yù)警：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行周期性的在線監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)控；

3.2.5 建?？梢暬航Y(jié)合BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)隧道三維可視化，能夠?qū)崟r(shí)查看隧道滲漏水情況，達(dá)到圖層管理、交互操作的目的；

3.2.6 結(jié)果輸出：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠分析并得出滲漏水面積表、滲漏水病害等級(jí)及危害程度等。

3.3 隧道滲漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.3.1 隧道施工縫；

3.3.2 襯砌裂縫處；

3.3.3 管道穿墻處；

3.3.4 預(yù)埋件部位；

3.3.5 隧道進(jìn)出口明洞段。

通過(guò)監(jiān)測(cè)滲漏水發(fā)生的集中部位，將感知層的傳感器按照要求的距離、角度布置。目前主要采用三維激光掃描儀器及智能溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有以下幾點(diǎn)：

a.每100m2滲漏點(diǎn)；

b.單個(gè)浸濕面積；

c.單個(gè)滲漏點(diǎn)最大滲漏水量；

d.每100m2平均滲漏水量；

e.平均滲漏水量。

3.4 隧道滲漏水病害等級(jí)劃分

基于不同隧道具體的地質(zhì)條件，水文環(huán)境及施工、運(yùn)營(yíng)管理方法有所區(qū)別，本文采用定性的方法對(duì)隧道滲漏水病害進(jìn)行等級(jí)劃分，具體等級(jí)劃分參數(shù)可根據(jù)不同隧道實(shí)際情況以及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行確定。

表1 隧道滲漏水病害等級(jí)

隧道滲漏水病害等級(jí)劃分1 級(jí)（濕潤(rùn)） 隧道結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)濕潤(rùn)現(xiàn)象，保持正常養(yǎng)護(hù)。

2 級(jí)（滲潤(rùn)） 隧道結(jié)構(gòu)有水滲出，存在安全隱患。需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

3 級(jí)（滴水） 隧道結(jié)構(gòu)有水滴出，處于不安全狀態(tài)，需及時(shí)維修。

4 級(jí)（漏水） 隧道結(jié)構(gòu)有水漏出，應(yīng)停止隧道運(yùn)營(yíng)，并采取維修措施。

5 級(jí)（射水） 隧道極不安全，危機(jī)人、車，應(yīng)立即采取緊急維修措施。

4 結(jié)論與展望

4.1 通過(guò)總結(jié)隧道滲漏水的來(lái)源，對(duì)隧道滲漏水產(chǎn)生的原因及影響因素進(jìn)行分析，和對(duì)隧道滲漏水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的研究得出一套完善的隧道滲漏水評(píng)價(jià)、預(yù)警系統(tǒng)。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種大型完善的設(shè)備體系，在整個(gè)隧道上進(jìn)行安裝布置成本極高。在監(jiān)測(cè)展開(kāi)的同時(shí)，應(yīng)盡量降低成本。

圖3 隧道滲漏水物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

4.3 探索更多隧道滲漏水的影響因素，更加完善的隧道滲漏水病害等級(jí)劃分的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.4 由于不同隧道環(huán)境復(fù)雜性，三維激光掃描技術(shù)的使用有一定的局限性。需對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層進(jìn)行拓展，達(dá)到在復(fù)雜環(huán)境下能夠穩(wěn)定、快速的采集數(shù)據(jù)的目的。