大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用

林武東 廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

近年來，我國隧道工程量和規(guī)模不斷增加，大型水下盾構(gòu)隧道工程的數(shù)量開始增多，大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅能夠全面進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題和安全問題，為有效進(jìn)行運(yùn)營管理和維護(hù)管理等提供保障，因此，在大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營管理的過程中，應(yīng)積極構(gòu)建相關(guān)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，全面有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測分析，促使各項(xiàng)管理工作和維護(hù)工作的有效實(shí)施。

1.大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，合理進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)牟糠?、中心?shù)據(jù)庫子系統(tǒng)部分、隧道結(jié)構(gòu)安全評價(jià)和預(yù)警部分、用戶界面的部分，其中數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)牟糠种饕褪沁M(jìn)行大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸，主要通過傳感器設(shè)備、采集單元和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)等完成操作；中心數(shù)據(jù)庫部分用來進(jìn)行各類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的管理和存儲(chǔ)，通常情況下通過服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫軟件操作；隧道結(jié)構(gòu)安全評價(jià)和預(yù)警的部分，主要就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的分析研究，對整體結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價(jià)，一旦發(fā)現(xiàn)有安全風(fēng)險(xiǎn)隱患問題，快速做出預(yù)警，通常在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)管理分析軟件中操作；用戶界面的部分則是實(shí)踐友好型用戶操作展示，采用工作站端的軟件進(jìn)行操作。

與此同時(shí)還需注意，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建期間，應(yīng)重點(diǎn)完善整體系統(tǒng)的層次架構(gòu)，確保能夠通過科學(xué)合理的方式進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測分析，如圖1所示。整體系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過程中，物理層次的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)在線實(shí)時(shí)性監(jiān)測傳感系統(tǒng)，主要用來采集管片受力數(shù)據(jù)、裂縫數(shù)據(jù)、接縫壓力和變形數(shù)據(jù)、螺栓受力數(shù)據(jù)、隧道變形和沉降數(shù)據(jù)、水壓力和土壓力數(shù)據(jù)等，而人工巡檢與定期儀器檢測部分則用來采集水位變化的數(shù)據(jù)、地表沉降的數(shù)據(jù)、河床變形和材料腐蝕數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)運(yùn)行完成應(yīng)用層次的操作后，有效進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測處理、數(shù)據(jù)信息查詢處理、預(yù)知和安全隱患報(bào)警處理、隧道仿真處理和狀態(tài)評估處理、損傷識別和維修決策處理、安全管理和費(fèi)用分析等。

圖1 系統(tǒng)的層次架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測內(nèi)容的設(shè)置

整體系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)建的過程，監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測內(nèi)容的設(shè)置非常重要，應(yīng)按照具體情況科學(xué)合理進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位和內(nèi)容的設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)監(jiān)測工作的不足或是問題，如表1所示。

表1 監(jiān)測點(diǎn)和內(nèi)容的設(shè)置

實(shí)際工作中除了要設(shè)置以上的監(jiān)測內(nèi)容之外，還需根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和實(shí)際情況，以全方位進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測為目標(biāo)，合理設(shè)置不同的監(jiān)測內(nèi)容和模式。其一，重點(diǎn)設(shè)置隧道結(jié)構(gòu)外載方面的監(jiān)測內(nèi)容。考慮到隧道結(jié)構(gòu)是在水壓高、地層具有軟硬交替特點(diǎn)且非常復(fù)雜的水環(huán)境中，外圍土壓力和水壓力的分布狀態(tài)十分復(fù)雜，因此，在外載監(jiān)測的過程中，應(yīng)重視土壓力和水壓力的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測分析；其二，重點(diǎn)設(shè)置結(jié)構(gòu)內(nèi)力的監(jiān)測內(nèi)容。由于隧道結(jié)構(gòu)受到外部荷載的作用力很高，很容易出現(xiàn)管片混凝土屈服的隱患問題，因此，在構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，還需合理設(shè)置管片混凝土應(yīng)變檢測內(nèi)容和鋼筋內(nèi)力監(jiān)測內(nèi)容；其三，科學(xué)合理進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測內(nèi)容的設(shè)置，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在整體監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置能夠動(dòng)態(tài)化監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形的功能，尤其是由于隧道結(jié)構(gòu)有數(shù)量很多的管片接縫，接縫的張開度會(huì)對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防水性能產(chǎn)生影響，所以需要?jiǎng)討B(tài)性監(jiān)測接縫張開度是否存在問題。同時(shí)隧道結(jié)構(gòu)是在復(fù)雜水下環(huán)境中，不同的地形結(jié)構(gòu)軟硬交替，縱向和橫向的水壓力、土壓力變化幅度很大，受到少部分河床的沖刷影響和汛期與枯水期水位交替的影響等，可能會(huì)出現(xiàn)縱向不均勻沉降的現(xiàn)象，引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)上浮的安全隱患，因此需要在系統(tǒng)中設(shè)置動(dòng)態(tài)性監(jiān)測隧道縱向不均勻沉降的內(nèi)容；其四，設(shè)置能夠進(jìn)行偶然性荷載結(jié)構(gòu)響應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容，主要進(jìn)行地震方面、車輛撞擊方面、爆炸方面等各類偶然性沖擊荷載作用的監(jiān)測模式，以免偶然突發(fā)事件對結(jié)構(gòu)的安全性造成影響。

1.3 監(jiān)測方法的設(shè)置

由于大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)所處環(huán)境非常惡劣，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的過程中不僅需要保證監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的精確度、分辨率符合要求，還需確保各類監(jiān)測設(shè)備具有防水性能、防潮性能、防腐蝕性能和耐用性能等，抗干擾的能力較高，可以自動(dòng)化進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的長距離檢測，尤其是傳感器設(shè)備和各類測試系統(tǒng)，在水下惡劣環(huán)境中，都必須要確保耐久性，以免對隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性造成不利影響。為確保監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在整體系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，應(yīng)科學(xué)合理設(shè)置監(jiān)測的方法，首先，到現(xiàn)場區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察和調(diào)查研究，對不同類型的監(jiān)測方法進(jìn)行綜合分析與對比，按照系統(tǒng)對監(jiān)測設(shè)備的遠(yuǎn)程應(yīng)用要求、長時(shí)間可靠要求和環(huán)境耐受要求等，選用光纖光柵類型的傳感器設(shè)備與檢測設(shè)備等進(jìn)行操作，不僅能夠滿足系統(tǒng)對監(jiān)測設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還能提升工作的效率效果。其次，在確定具體監(jiān)測設(shè)備之后，需要合理設(shè)定監(jiān)測工作的內(nèi)容，將其劃分成為定期類型和實(shí)時(shí)性類型兩種，根據(jù)具體的監(jiān)測情況，科學(xué)進(jìn)行分類處理，合理采用監(jiān)測的原件和儀器設(shè)備，在預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測點(diǎn)位開展各類監(jiān)測工作。最后，按照大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作需求，將監(jiān)測工作劃分成為不同階段，例如：工程管片預(yù)制的過程中在不同管片內(nèi)部設(shè)置傳感器設(shè)備，確保在施工期間就能進(jìn)行傳感器設(shè)備的設(shè)置和測試，科學(xué)合理進(jìn)行連接線路的埋設(shè)和保護(hù)，為各個(gè)管片相互之間位移監(jiān)測傳感器設(shè)備的設(shè)置留下充足空間，一邊進(jìn)行管片的拼裝一邊設(shè)置傳感器。在此之后，就要在隧道工程竣工的環(huán)節(jié)利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將傳感器的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)秸w中型控制系統(tǒng)，便于準(zhǔn)確進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的采集和分析。

2.大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要按照整體系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行處理，確保能夠提升系統(tǒng)應(yīng)用的效率效果。

2.1 系統(tǒng)不同層次的應(yīng)用

整體系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要注意不同層次的合理落實(shí)和運(yùn)用，充分發(fā)揮系統(tǒng)具有的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢。其一，物理層次應(yīng)用的過程中，主要使用埋設(shè)在現(xiàn)場的隧道結(jié)構(gòu)，在線實(shí)時(shí)性監(jiān)測傳感系統(tǒng)，與人工巡檢和定期儀器設(shè)備的檢測系統(tǒng)，采集隧道結(jié)構(gòu)健康動(dòng)態(tài)監(jiān)測的過濾數(shù)據(jù)信息，主要檢測相關(guān)的隧道圍巖結(jié)構(gòu)安全信息、相關(guān)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息、結(jié)構(gòu)變形信息等等，全面了解隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，將各類所采集的信息轉(zhuǎn)變成為能夠分析的數(shù)據(jù)；其二，數(shù)據(jù)層次應(yīng)用的過程中，主要是將各類物理硬件設(shè)備作為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)能浖?，將傳感監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中心，或者是將光纖光柵檢測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)，同時(shí)，通過數(shù)據(jù)輸入接口將人工檢測的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)，便于準(zhǔn)確進(jìn)行傳感器檢測數(shù)據(jù)和人工檢測數(shù)據(jù)的研究；其三，信息層次應(yīng)用的過程中，主要利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將所檢測和監(jiān)測的數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)，對各類數(shù)據(jù)分類處理、統(tǒng)計(jì)處理、特征提取處理等，獲得隧道解剖健康狀態(tài)的判斷信息。同時(shí)還需按照隧道結(jié)構(gòu)損傷識別需求和評估分析需求等，科學(xué)合理選擇數(shù)據(jù)處理的方式方法，按照數(shù)據(jù)信息的特征，專門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方式，做好數(shù)據(jù)的降噪預(yù)處理和異常判斷預(yù)處理；其四，應(yīng)用層次應(yīng)用的過程中按照隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測和安全評估的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷識別的情況等，構(gòu)建專門的信息處理軟件，主要涉及到隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警軟件、損傷識別與診斷軟件、維護(hù)，維修和保養(yǎng)的決策支持軟件等，為隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的良好管理提供保障。系統(tǒng)應(yīng)用的過程中各個(gè)層次合理應(yīng)用的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合評估分析的結(jié)果與具體的養(yǎng)護(hù)管理需求等，科學(xué)合理進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營管理、日常的管控、保養(yǎng)維護(hù)等，確保系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警和監(jiān)測，通過遠(yuǎn)程檢測的方式、閾值報(bào)警的方式、數(shù)據(jù)信息查詢的方式和安全隱患檢測方式等，完成隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)。與此同時(shí)，采用系統(tǒng)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)健康和安全的研究分析，準(zhǔn)確進(jìn)行隧道的仿真分析、狀態(tài)評估處理、損傷識別處理等，構(gòu)建整體隧道的維修和管理決策等機(jī)制，制定完善的維修決策方案、安全管理方案和費(fèi)用分析方案等。

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用期間還需注意，利用光纜將在線監(jiān)測傳感器所檢測的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心軸，同時(shí)，在隧道綜合管理過程中設(shè)置專門的工作站，接收光纖解調(diào)器解調(diào)之后的各類數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確將隧道結(jié)構(gòu)的受力狀況、水壓力和土壓力狀況、接縫擴(kuò)展?fàn)顩r和滲漏狀況展現(xiàn)出來，利用數(shù)據(jù)庫管理軟件等對所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，確保全面了解隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)化運(yùn)行狀態(tài)。此外還需注意采集其他類型隧道檢測的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部，和能夠?qū)⑺淼澜Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性健康狀態(tài)反映出來的動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)信息等組合成為綜合數(shù)據(jù)庫，利用綜合數(shù)據(jù)庫記錄和處理各類數(shù)據(jù)信息內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

要想確保大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的良好應(yīng)用，就應(yīng)明確具體的系統(tǒng)應(yīng)用注意事項(xiàng)，有效避免出現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的問題或是不足。

（1）由于整體的盾構(gòu)隧道施工時(shí)間很長，各類結(jié)構(gòu)長時(shí)間受到施工擾動(dòng)的影響和外界環(huán)境的影響，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器設(shè)備已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測需求，合理采用光纖光柵類型的傳感器能夠提升傳感器的應(yīng)用效果，延長設(shè)備的使用壽命，因此，建議在構(gòu)建和應(yīng)用隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，重點(diǎn)推廣和使用光纖光柵傳感器。

（2）注意系統(tǒng)在長時(shí)間應(yīng)用的過程中，可能會(huì)受到諸多因素的影響，出現(xiàn)儀器失效的問題，因此，在系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用期間需要結(jié)合實(shí)際情況，在監(jiān)測的位置設(shè)置傳感器冗余度，一旦設(shè)備發(fā)生故障問題，就可以利用相鄰的傳感器替代，以免出現(xiàn)隧道健康監(jiān)測中斷的現(xiàn)象。

（3）注意在對隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測期間，全面歸納和匯總各類監(jiān)測數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，以隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制定隧道結(jié)構(gòu)定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)的方案，尤其是在監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送隧道結(jié)構(gòu)健康或是安全狀態(tài)預(yù)警信息之后，需按照具體的預(yù)警信息準(zhǔn)確判斷隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，針對性進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)維修。與此同時(shí)，為促使整體隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的良好運(yùn)行，相關(guān)維修保養(yǎng)部門除了要重點(diǎn)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的維護(hù)維修之外，還需按照實(shí)際情況進(jìn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)維修，無論系統(tǒng)出現(xiàn)軟件還是硬件的問題，都必須要采用科學(xué)合理的方式進(jìn)行維修處理，確保能夠促使系統(tǒng)的健康穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用期間應(yīng)合理進(jìn)行各類初始數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)信息歸檔，在數(shù)據(jù)歸檔后，一旦發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)存在健康問題或是安全問題，就要快速分析問題的原因和實(shí)際情況，科學(xué)合理進(jìn)行處理應(yīng)對，以此避免由于結(jié)構(gòu)變形所引發(fā)的問題，提升整體的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)管效果。

3.結(jié)語

綜上所述，大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，考慮到隧道結(jié)構(gòu)的所處環(huán)境非常復(fù)雜繁瑣，科學(xué)合理進(jìn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確設(shè)置監(jiān)測的點(diǎn)位和內(nèi)容，有效設(shè)置各類監(jiān)測工作的方法，同時(shí)在健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，重點(diǎn)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)不同層次的應(yīng)用，明確系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)，確保能夠增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為隧道結(jié)構(gòu)的良好監(jiān)測管控提供保障。