營運高速公路隧道結構與水文地質健康監測系統摘要：隧道是圍巖較為復雜的隱蔽工程，往往只在隧道建設期對隧道結構、圍巖的穩定性進行監測，而忽略建設期隧道穩定性的監測，隨著通車年限的增加，隧道襯砌結構受復雜的水文地質環境的不斷侵蝕下，結構的穩定性有所下降，日常定期養護頻次低，且只關注表觀病害，難以及時預測預防結構本身的變化。文章根據營運隧道常見的病害缺陷，選擇特定的檢測項目，建立長期隧道結構和水文健康監測系統，能遠程監測隧道實時狀態，獲取隧道狀態數據，讓隧道數據可視化、易處理，為預測短期內隧道狀況，監測結構病害發展趨勢，提高養護工作效率，確保隧道運營安全。關鍵詞：營運隧道；結構健康監測；水文地質；結構變形截止目前，我國大陸已建成通車的公路隧道總長超過1.9萬km，我國已經是世界上隧道工程數量最多、發展最快的國家。隨著通車年限的增加，高速公路隧道工程結構破損、變形、漏水、突水突泥、泥石流、洞口滑坡等安全隱患和災害事件攀升，運營安全管理壓力日益突出。受建設期技術水平限制，大部分隧道無法實現安全隱患和災害事件的預測預報，隧道運營安全管理仍處于被動局面。在日常營運隧道養護中，國內結構健康監測大多采用的是傳統人工監測方式，但存在監測效率低、監測頻率低、監測數據不連續、數據分析滯后等問題、不能及時、動態、全面地掌握隧道工程的技術狀態。隨著國內工程領域發展迅速，工程結構健康狀態的周期性監測需求量較大，以結構健康監測為基礎的工程類結構健康監測系統越來越完善。目前國內已有部分隧道建設了隧道結構安全監測系統，地鐵和高鐵項目已率先開始全面進行隧道結構安全監測系統的建設，公路隧道方面南京市轄內特長隧道和水下隧道、深圳市轄內新建特長隧道、武漢長江隧道、大麗高速花椒箐隧道等一批項目已建成了隧道結構安全監測系統。01隧道結構與水文地質健康監測系統

隧道結構與水文地質健康監測系統與傳統的隧道人工監測不同，該系統可以在隧道某一斷面位置上預埋監測傳感器，通過傳感器等一系列設備獲取的數據對隧道進行實時、長期的健康監測。本質上是對隧道監測系統在時間域上的拓展和延伸，繼承了隧道監測系統部分優點且形成了本身獨有優勢：（1）能實時觀測隧道結構沉降、變形及受力狀態，水地質環境監測，確保隧道健康運營；（2）預測隧道內監測對象在未來的變形趨勢，根據獲取到的一系列變形發展趨勢，決定是否需要通知相關單位采取相對應的防控減災措施；（3）通過隧道健康監測系統，盡早發現結構在運營期間可能出現的狀態改變和早期損傷，對異常狀況及時預警，全面提高隧道的養護工作效率；（4）增強監測數據的處理與分析，基于關鍵指標的監測數據對結構狀態進行預測，為管理層提供“一站式”決策支持的管理信息中心系統；；（5）加強監測數據、檢測信息與結構安全性能信息整合，對結構的改變及損傷進行評估，為養管決策提供基于多源數據的調整、維修或加固建議。1.1系統組成隧道健康監測系統主要分為硬件系統和軟件系統兩部分，由感知層、傳輸層和運用層組成。其中傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統組成硬件系統部分用來感知采集數據；數據庫子系統、數據處理與控制系統、安全評價和預警子系統組成軟件系統部分用來數據傳輸與處理，通過軟硬設備間相互協同，實現隧道結構監測系統。如圖1所示。數據庫傳擒器系統數據采集與傳輸數據處理與控制安全評價和預警高速公路營運隧道結構健康數據庫傳擒器系統數據采集與傳輸數據處理與控制安全評價和預警高速公路營運隧道結構健康監測系統1.2傳感器系統自動化監測傳感器子系統作為感知層，是整個監測系統的基礎部分，能在惡劣條件下，對監測結構物的各監測項能提供真實、實時和可靠的安全監測數據。傳感器子系統即把結構等的變化，轉換成其他信號的方式，例如聲、光、電、磁等，對結構的變化進行定量，轉換成人們比較熟悉的數值等，從而了解結構的受力及其他參數等。1.3數據采集與傳輸系統數據現場傳輸子系統的功能為，將采集器輸出的數字信號通過有線或無線的方法輸出到數據遠程傳輸子系統。外部荷、應力、溫度、變形和動態等傳感器輸出的信號經過各種采集儀的加工處理以后，均變為標準的數字信號，但這些數字信號跟隨相應采集儀分散在隧道的各個位置。通過數據現場傳輸子系統，可將各種數字信號在現場集中傳輸至可編程智能通信服務器，為數字信號的遠程傳輸作準備。1.4數據處理與控制系統數據處理和控制系統在結構安全監測總系統中的作用是對數據采集與傳輸系統輸出的數字信號進行分析和處理，并將分析結果輸入結構健康評估系統作進一步分析，同時將監測數據備份至監測數據管理子系統中長期保存。數據處理系統是實現隧道安全監測與評價工作的重要環節。首先對采集回來的數字信號綜合運用頻域、時域內的統計、平均、平滑、降噪等各種數學處理方法進行預處理，然后通過數據后處理得到反映結構特征的相關參數，為后續結構安全評估奠定基礎。1.5安全評估和預警系統安全評價與預警子系統的主要功能就是對采集數據進行統計分析，并對各種環境條件下，在一定的溫度和荷載作用下，結構關鍵部件和控制截面的參數值，確定應力等的值域范圍。在各種情況下，監測關鍵參數的變化，并通過數據判斷出變化趨勢，在遇到突發狀況的時候，能夠提前判斷結構各種狀況，在應力和應變等達到限值的時候發出預警信息，結合預警機制，及時對不穩定結構或可能出現失穩的結構采取一定的治理措施進行防治，防止災害的發生或擴大，減少損失。

02監測內容與實現方式針對目前隧道在結構和水文環境存在的問題和不足，本監測系統由隧道結構健康監測子系統、隧道水文地質環境監測子系統兩個系統組成，營運隧道可根據隧道結構和水害安全現狀，選擇監測項目進行監測。監測內容與檢測項目如下表1所示：表1隧道結構與水文健康監測系統監測項目一覽表監測內容監測項目監測方法監測部位襯砌表面應力應變光纖應變計結構破損集中段隧道結構監測二襯位移監測分布式長標距光纖法結構破損集中段襯砌裂縫機器視覺法裂縫發育段降雨量監測雨量計法洞外隧道水文環境監測地下水位監測水位法富水段襯砌背后水水壓計發滲水段壓監測1.光纖應變計一般監測傳感器不會涵蓋整個隧道的所有斷面，多數采取重點部位與高危部位結合監測的方式。如圖2所示，可將光纖光柵式應變計安裝于墻角、邊墻、拱腰、拱頂的位置，兩側對稱分布，共計9個監測點位，作為一個監測斷面。圖2光纖光柵式表面應力應變監測布點示意圖1.分布式長標距光纖位移監測單個長標距應變雖然只能反映結構標距范圍內的局部信息，但是通過分布式布置，除了能反映結構的局部信息，同時也能反映結構的整體信息。數據處理利用共扼梁方法由分布式動靜態應變推導出任意點位移轉換關系的一般公式。監測示意圖如下圖所示：圖3分布式光線位移監測示意圖1.裂縫監測隧道表觀病害自動實時監測系統主要基于機器視覺技術，可以對隧道襯砌裂縫的寬度、長度、分布形態進行動態監測，通過對隧道裂縫的特征值的動態提取，實現結構破壞的及時預警。隧道機器視覺技術主要通過分析圖像灰度變化及灰度閾值分割實現病害特征提取，若隧道出現表觀病害，其周邊的的圖像灰度值會發生變化，選擇合適的灰度閾值分割，提取特征邊緣，并根據不同發展時段的灰度程度值，來達到動態監測病害變化的目的。采用非接觸式監測，具有較好的可靠性和量程，可以實現襯砌裂縫的寬度測量精度需不大于0.02mm；可以通過預設監測方位和時間，實現較長距離、多處病害的同時監測。1.降雨量監測采用雨量計監測地表大氣降雨量。雨量計由承水器（漏斗）、儲水筒（外筒）、儲水瓶組成，并配有與其口徑成比例的專用量杯。雨量計的種類很多，常見的有虹吸式雨量計、稱重式雨量計、翻斗式雨量計和容柵雙閥式雨量計等。隧道地表降雨量檢測可采用翻斗式雨量計，安裝于隧道進出洞門口，以及隧道地表頂部共4處，可采用太陽能電池板供電，以及無線傳輸。1.地下水位監測富水區山嶺隧道襯砌結構的破壞多數情況下都與外水壓的作用有關，如果外水壓力值過大會造成隧道襯砌結構開裂，出現漏水現象。地下水動態觀測，利用簡便的設備定期觀測或用儀器自動、連續記錄所觀測的井、泉、水庫等地下水點的水位、流量、水溫等，并定期取樣測試水化學成分。在監測地下水的同時，也要觀測或搜集與其有關的氣象水文資料，供進行系統的分析。（6）襯砌背后水壓監測智能弦式滲壓計可用于測量深層水壓力，測量各種地質環境深層滲水壓力（如邊坡、大壩、襯砌水壓力等），鉆孔埋設在巖層時可以測量深層土體內部孔隙水壓力。水壓力監測是指對隧洞襯砌承受的外水壓力進行的監測，其目的是了解外水壓力分布及其變化對結構的影響，也可通過外水壓力變化分析管壁或襯砌的開裂和滲漏情況，并驗證設計荷載，以判斷隧道的安全狀態，及時采取處治措施。03結束語文章在結構健康監測系統的基礎上，增加了隧道水文地質環境監測項目，更符合目前更為關注的隧道水害問題，細分了結構健康和水文地質監測系統的各個構成組建，以及闡述了各監測項目的監測目的，監測方式，以及實現方式。目前實際工程表明結構健康監測系統能在運營隧道中有效地運行，能夠通過長期不間斷觀測實時掌控隧道結構狀態，確保結構安全。但仍需要進一步研究儀器精度和可靠度，其次是對結構健康監測系統預警閾值的研究，圍巖的差異性、結構物的受力狀態不同及修建完成交付后隧道不同階段受力、變形的臨界值也會有所不同，需要通過大量的數據及案例統計分析來設定。參考文獻：吳賢國，鄧婷婷,陳彬，曾鐵梅，陳虹宇,張凱南.面向運營隧道結構健康監測系統大數據壓縮感知研究[J].隧道建設（中英文），2021,41（04）:674-683.鮑軼洲，沈永芳，呂金良，王兆衛.沉管隧道結構健康監測技術[J].實驗室研究與探索，2020,39(12):51-55.丁建峰，王燕平，徐雨歌.光纖傳感技術在隧道結構健康監測中的運用[J].四川建材,2020,46(11):86-87.楊懷，閔紅平，阮超，張延軍，李胡爽，曾利華.光纖光柵傳感器在深隧工程健康監測中的應用[J].山西建筑,2020,46(20):147-148.任喻云，楊航.隧道結構健康監測系統應用實例研究[J].工程技術研究,2020,5(