地下工程檢測與測試技術(shù)發(fā)展趨勢及本科課程改革研究

周 彪

（同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室 上海 200092；同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系 上海 200092）

隨著我國城市化進(jìn)程、能源開發(fā)進(jìn)程逐步加快，以及“一帶一路”等倡議不斷推進(jìn)，亟須建設(shè)大量軌道交通、地下廠房、能源及輸水管網(wǎng)，地下空間開發(fā)及地下工程建設(shè)正朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化方向發(fā)展，對支撐國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到日益重要的作用。然而，由于地下工程隱蔽性、復(fù)雜性的特點，工程建設(shè)及運營風(fēng)險日益增高，傳統(tǒng)監(jiān)測和測試技術(shù)已逐漸不能滿足地下工程建設(shè)和運維發(fā)展需求。

為推動本科教學(xué)適應(yīng)地下工程測試與監(jiān)測技術(shù)學(xué)科發(fā)展趨勢及技術(shù)變革需求，綜合學(xué)生創(chuàng)新能力及工程實踐能力培養(yǎng)需求，打造適應(yīng)未來土木工程所需的復(fù)合型人才，亟須在本科課程教學(xué)中向?qū)W生傳授監(jiān)測與測試技術(shù)的新方法新原理，引入新技術(shù)及新裝備，闡述新應(yīng)用，驅(qū)使學(xué)生了解技術(shù)發(fā)展動態(tài)，為將來引領(lǐng)未來技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。

為此，本文擬在分析地下工程監(jiān)測與測試技術(shù)特點及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合思政教育及知識體系培養(yǎng)需求出發(fā)，以測試原理與方法、技術(shù)與裝備、典型工程應(yīng)用為主線，體系性地講述地震波、探地雷達(dá)、激光掃描及光纖測試等原理、介紹相關(guān)技術(shù)與裝備在樁基工程、基坑工程、盾構(gòu)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，構(gòu)建形成了地下工程監(jiān)測與測試技術(shù)課程體系。

1 地下工程特點及監(jiān)測與測試技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 地下工程的特點

地下工程建造于巖土體介質(zhì)中，巖土體屬于固—液—氣三相介質(zhì)，在受外部荷載及地下水賦存等環(huán)境變化作用下，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)具有復(fù)雜多變性，導(dǎo)致巖土介質(zhì)與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相互作用也呈現(xiàn)不可預(yù)測性，衍生出建造和運營階段大量風(fēng)險。

其中，在地下工程建設(shè)階段，安全隱患的孕育和發(fā)展具有隱蔽性，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生具有突發(fā)性。以日本福岡一主干道下方地鐵建設(shè)隧道坍塌事故為例，雖然在地鐵開挖施工過程中對地面道路進(jìn)行了變形跟蹤監(jiān)測，以反饋地層擾動及周邊環(huán)境影響水平。但由于道路路面及路基層剛度過大，導(dǎo)致路面沉降未能及時有效地反映下部地層損失及土層變形，當(dāng)變形超過閾值后產(chǎn)生了突發(fā)性的地鐵坍塌事故，產(chǎn)生了惡劣的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對監(jiān)測廣度和深度都提出了新的要求。

在運營期，以山嶺隧道為例，隨著運營年限的增長，隨著隧道壁后巖土體性質(zhì)、地下水賦存環(huán)境等發(fā)生變化，易導(dǎo)致巖土體產(chǎn)生滑移、大變形，壁后空洞等施工期缺陷也會逐步惡化，間接引起襯砌開裂、脫落等事故。近期在四川發(fā)生的隧道襯砌塌落事故就沒有得到有效的預(yù)警，導(dǎo)致1 人死亡，類似事故隨著運營年限增長逐步增多，運維壓力逐步顯現(xiàn)，對于快速化全域化測試技術(shù)需求日益迫切。

為此，隨著地下空間朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化發(fā)展，地下工程建造體量逐步增大，工程壽命及運營時間逐漸增長，地下工程風(fēng)險也與日俱增，相關(guān)監(jiān)測與測試技術(shù)也亟須更新迭代，以滿足地下工程安全建造與運維需求。

1.2 監(jiān)測與測試技術(shù)發(fā)展趨勢

鑒于地下空間及工程自身及環(huán)境因素的復(fù)雜性，鄰近工程影響的日益增多，地下工程監(jiān)測與測試技術(shù)發(fā)展也發(fā)生深刻的變化。呈現(xiàn)測試參量由少變多、測試范圍由小變大、測試周期由短周期向全壽命周期轉(zhuǎn)變。同時，隨著風(fēng)險防控由被動朝主動方向轉(zhuǎn)變，監(jiān)測和測試也由早期僅滿足被動監(jiān)測與測試要求，朝測控同步發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

具體而言，監(jiān)測與測試參量逐步增多，從原有聚焦變形與應(yīng)力、應(yīng)變等單一及有限量的物理量外，到當(dāng)前監(jiān)測與測試過程中還需綜合考量環(huán)境因素、強(qiáng)度等與地下工程性能演化過程相關(guān)的參量，特別是在考慮測控同步應(yīng)用的場景中，還需對控制參數(shù)進(jìn)行測試與反饋；測試區(qū)域由小變大，由原先重點關(guān)注結(jié)構(gòu)及表觀參量之外，逐步過渡到綜合考慮結(jié)構(gòu)壁后巖土體隱患及結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的精細(xì)化測試，形成了諸如移動檢測車等快速化廣域檢測技術(shù)與裝備體系。同時地下空間全壽命周期的測試的應(yīng)用也日益增多，對重難點區(qū)域與對象開展實時化監(jiān)測，發(fā)展了全壽命期數(shù)字化監(jiān)測與智能感知等系統(tǒng)。

為適應(yīng)上述測試需求的轉(zhuǎn)變和技術(shù)發(fā)展的需求，監(jiān)測與測試技術(shù)本身正朝高精度、小型化、自動化、集成化、智能化及遠(yuǎn)程化方向發(fā)展。開發(fā)了大量高精度傳感元件并實現(xiàn)了小型化，并在測試系統(tǒng)和實施過程中，通過加強(qiáng)自動化、集成化水平，推進(jìn)地下空間風(fēng)險管控“一屏縱覽”等系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與反饋控制。同時，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，在既有系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)分析及反饋控制方面智能化技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛。

2 本科教學(xué)及培養(yǎng)需求

2.1 思政教育

地下工程體量大，大量的工程均為國家重點工程，受眾廣、社會經(jīng)濟(jì)價值大，是體現(xiàn)我國基建強(qiáng)國的重要載體。在本科教育階段，學(xué)生正處于職業(yè)榮譽感及使命感培養(yǎng)的重要階段，應(yīng)加強(qiáng)思政教育，灌輸監(jiān)測和測試過程中“人”的決策和使命對于確保工程安全、實現(xiàn)重大工程高品質(zhì)建造的重要作用，體現(xiàn)監(jiān)測與測試技術(shù)對推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步及國家重大工程的重要地位，促使學(xué)生建立對推進(jìn)國家建設(shè)、豐富和發(fā)展地下空間、推進(jìn)地下歷史文化遺存保護(hù)等方面的情懷與使命擔(dān)當(dāng)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心以及對于未來從事行業(yè)的榮譽感和自豪感。

2.2 技術(shù)教學(xué)

傳統(tǒng)的監(jiān)測與測試技術(shù)教學(xué)是以監(jiān)測系統(tǒng)與方法為主體，以培養(yǎng)實踐能力為主要目標(biāo)，內(nèi)容主要包含傳感器及其標(biāo)定、監(jiān)測及測試組成、典型工程監(jiān)測與測試項目等，相關(guān)內(nèi)容主要來源于我國早期樁基工程、基坑及隧道工程中的實踐經(jīng)驗的總結(jié)。在地下工程網(wǎng)絡(luò)化、深層化等新的應(yīng)用場景驅(qū)使下，大量智能化、數(shù)字化及自動化技術(shù)得以廣泛大量應(yīng)用的行業(yè)現(xiàn)狀下，亟須對課程內(nèi)容進(jìn)行更新，在工程實踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)監(jiān)測與測試技術(shù)與信息學(xué)等學(xué)科的交叉融合，激發(fā)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力。

為此，針對地下工程特點、監(jiān)測與測試技術(shù)發(fā)展趨勢，在本科生教育階段教育中應(yīng)重點體現(xiàn)時空觀與系統(tǒng)論思想。時空觀即在監(jiān)測及測試方案制定過程中，要考慮監(jiān)測范圍及測試周期的合理性。系統(tǒng)論及強(qiáng)化監(jiān)測系統(tǒng)輸入、監(jiān)測與測試本體與響應(yīng)間的關(guān)系，通過合理的測試方法及系統(tǒng)構(gòu)建，實現(xiàn)通過對響應(yīng)量對本體性質(zhì)的反溯以及對輸入特征的分篩。

與此同時，應(yīng)加強(qiáng)介紹行業(yè)最新技術(shù)，特別是物探、信息化及智能化等技術(shù)，突出探地雷達(dá)、機(jī)器視覺、智能化等新技術(shù)的引入，通過與具體測試和監(jiān)測項目結(jié)合，形成包含測試場景、測試原理、測試技術(shù)與方法等相互融合的教學(xué)體系。

3 課程體系及教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)前序本科教學(xué)及培養(yǎng)需求，在課程體系及教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建方面，擬以原理方法—測試技術(shù)與裝備—典型應(yīng)用為主線。在測試原理和方法重點簡述彈性波、探地雷達(dá)、激光掃描、機(jī)器視覺及光纖傳感測試技術(shù)，并講述上述測試技術(shù)在樁基工程、基坑工程、盾構(gòu)工程、山嶺隧道工程及模型試驗中的應(yīng)用。具體內(nèi)容分為概述、監(jiān)測與測試技術(shù)、工程和科研應(yīng)用三大板塊，具體內(nèi)容如下：

①概論：結(jié)合課程思政需求和地下工程監(jiān)測與測試技術(shù)發(fā)展趨勢與動態(tài)，講述課程特點及難點、行業(yè)需求、課程內(nèi)容組成。

②監(jiān)測與測試技術(shù)。以介紹測試原理、技術(shù)組成模式和典型應(yīng)用為主，注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，內(nèi)容包括：

波動測試原理與測試技術(shù)：主要講述波的表征方法，結(jié)合測試系統(tǒng)與激勵及響應(yīng)的基本原理，系統(tǒng)闡述系統(tǒng)論觀點，并結(jié)合測試案例給出振動測試技術(shù)與分析方法的要點。

彈性波測試技術(shù)：主要講述土木工程典型彈性波類型及波動特性，表面波測試、超聲測試等典型彈性波測試技術(shù)，輔以應(yīng)用實例等進(jìn)行體系化講述。

探地雷達(dá)測試技術(shù)：主要講述電磁波測試原理，并結(jié)合案例系統(tǒng)介紹雷達(dá)天線設(shè)計原理、系統(tǒng)構(gòu)成、典型探地雷達(dá)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析方法等。

激光掃描測試技術(shù)：主要講述激光掃描測試技術(shù)原理，并結(jié)合案例闡述激光掃描軟硬件集成方法、測試及數(shù)據(jù)處理方法及典型應(yīng)用等。

機(jī)器視覺檢測技術(shù)：主要簡述機(jī)器視覺檢測及圖像處理原理，并結(jié)合具體案例闡述機(jī)器視覺軟硬件集成模式、圖像智能處理方法和典型應(yīng)用等。

光纖傳感測試技術(shù)：主要講述光纖傳導(dǎo)機(jī)理及測試原理，并結(jié)合案例闡述光纖傳感器類型，測試及信號處理方法、典型應(yīng)用等。

③工程和科研應(yīng)用。以實際工程應(yīng)用為趨勢，強(qiáng)調(diào)工程實踐能力培養(yǎng)，主要研究內(nèi)容包括：

樁基工程測試：主要講述樁基工程測試行業(yè)需求，靜力及承載力測試、樁身質(zhì)量動力測試、基樁通長質(zhì)量檢測等技術(shù)原理、測試方法及流程，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求等。

基坑工程測試技術(shù)：主要講述基坑工程測試技術(shù)行業(yè)需求，事故案例分析，基坑監(jiān)測項目及方法、自動化監(jiān)測技術(shù)最新進(jìn)展。

盾構(gòu)隧道監(jiān)測與測試：主要講述盾構(gòu)隧道監(jiān)測與測試行業(yè)需求，事故案例分析，施工期監(jiān)測項目、技術(shù)與流程，運營期檢測監(jiān)測方法、技術(shù)與流程。

巖石隧道工程測試與監(jiān)測：主要講述巖石隧道監(jiān)測與測試行業(yè)需求，事故案例分析，施工期監(jiān)測項目、技術(shù)與流程，運營期檢測監(jiān)測方法、技術(shù)與流程。

模型試驗：主要講述模型試驗分類及要求，相似比確定方法，離心機(jī)試驗、極限模擬試驗等典型案例分享。4 結(jié)論

隨著地下空間與地下工程朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化方向發(fā)展，工程建造安全的不可以預(yù)測性及風(fēng)險也日益增高，同時地下工程監(jiān)測與測試技術(shù)也發(fā)生了巨大的變革，系統(tǒng)化、智能化水平日益提高。在本科生教學(xué)中，亟須緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，向?qū)W生傳授新一代技術(shù)體系，為行業(yè)培養(yǎng)土木工程與新興信息工程的復(fù)合型人才，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步，服務(wù)國家重大工程。本文在系統(tǒng)闡述技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展趨勢基礎(chǔ)上，融合課程思政、學(xué)生創(chuàng)新及實踐能力培養(yǎng)等方面需求，通過概述、監(jiān)測與測試技術(shù)、工程和科研應(yīng)用三個板塊的內(nèi)容設(shè)置，建立了新的地下工程監(jiān)測與測試課程教學(xué)體系。