任喻云，楊 航

（1.四川長(zhǎng)瑞土木工程檢測(cè)有限公司，四川 成都 610000；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610000）

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念最早由Housner[1]提出，泛指監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)損傷和退化。由于國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域發(fā)展迅速，工程結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的周期性監(jiān)測(cè)需求量較大，以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的工程類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越完善；該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)大多用于大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用實(shí)例反而不常見，國(guó)內(nèi)大多采用的是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式。隨著國(guó)內(nèi)光纖技術(shù)發(fā)展成熟，該技術(shù)與隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，使隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有了發(fā)展機(jī)遇。隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在監(jiān)控重大結(jié)構(gòu)的變形、及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部位損傷領(lǐng)域發(fā)揮超出預(yù)期的效果。中國(guó)公路隧道建設(shè)如火如荼，每年都有大量的隧道新建，因此建立長(zhǎng)期有效的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的周期性人工監(jiān)測(cè)，全面實(shí)時(shí)地了解隧道結(jié)構(gòu)健康情況是十分必要的。

1 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tunnel Structural Health Monitoring System,TSHMS）與傳統(tǒng)的隧道人工監(jiān)測(cè)不同，該系統(tǒng)可以在隧道某一斷面位置上預(yù)埋監(jiān)測(cè)傳感器，通過傳感器等一系列設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)。本質(zhì)上是對(duì)隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在時(shí)間域上的拓展和延伸，繼承了隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分優(yōu)點(diǎn)且形成了本身獨(dú)有優(yōu)勢(shì)：（1）能實(shí)時(shí)觀測(cè)隧道結(jié)構(gòu)沉降、變形及受力狀態(tài)，確保隧道健康運(yùn)營(yíng)；（2）預(yù)測(cè)隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象在未來(lái)的變形趨勢(shì)，根據(jù)獲取到的一系列變形發(fā)展趨勢(shì)，決定是否需要通知相關(guān)單位采取相對(duì)應(yīng)的防控減災(zāi)措施；（3）為隧道的運(yùn)營(yíng)安全提供可靠的信息，建立“一出問題多方響應(yīng)”的機(jī)制；（4）系統(tǒng)所采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算判斷及人工分析后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)象的預(yù)測(cè)和反饋，以確保隧道在運(yùn)營(yíng)過程中的穩(wěn)定；（5）積累相關(guān)的監(jiān)測(cè)資料，為以后的相似工程提供參考依據(jù)[2]。

1.1 系統(tǒng)組成

隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TSHMS）根據(jù)信息傳輸方式不同可以大致分為兩類，采用光纖光柵有線傳輸和采用GPRS（GPS）或ZigBee技術(shù)無(wú)線傳輸兩類[3]。但隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成都大同小異，主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，如圖1所示。其中傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)部分用來(lái)感知采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評(píng)價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng)組成軟件系統(tǒng)部分用來(lái)數(shù)據(jù)傳輸與處理，通過軟硬設(shè)備間相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

（1）整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分是傳感器子系統(tǒng)，是真實(shí)、實(shí)時(shí)和可靠的提供各監(jiān)測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)；傳感器子系統(tǒng)通過預(yù)埋傳感器對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行感知，通過應(yīng)力、壓力、振弦式傳感器等采集到的信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行定量，通過后續(xù)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)理統(tǒng)計(jì)值及變化趨勢(shì)圖，從而分析結(jié)構(gòu)的受力及其他參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集傳感器子系統(tǒng)測(cè)量的環(huán)境條件和采集到的結(jié)構(gòu)自身變化信號(hào)，并將該信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)。

（3）數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)是對(duì)采集到原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和初步分析的關(guān)鍵。該系統(tǒng)的功能主要是通過系統(tǒng)內(nèi)置的軟件、硬件快速檢校處理，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、初步分析、為后續(xù)子系統(tǒng)的運(yùn)行建構(gòu)框架，響應(yīng)系統(tǒng)的指令等等。

（4）安全評(píng)價(jià)與預(yù)警子系統(tǒng)主要就是通過各個(gè)子系統(tǒng)所采集和分析的結(jié)構(gòu)變化情況結(jié)合隧道運(yùn)營(yíng)過程中的其他因素，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定是否需要預(yù)警。

1.2 系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)公路運(yùn)營(yíng)隧道技術(shù)特點(diǎn)，以《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2015)及《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2019）為依據(jù)確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

2 工程實(shí)例研究

2.1 項(xiàng)目概況

汶馬高速公路通化隧道1號(hào)進(jìn)口淺埋段為強(qiáng)至中風(fēng)化絹云石英千枚巖及絹云千枚巖，受構(gòu)造、風(fēng)化影響，巖土較破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，屬較軟巖，巖體呈碎裂層狀結(jié)構(gòu)，千枚巖遇水極易軟化，強(qiáng)度極低。隧道開挖后易垮塌冒頂，地下水類型主要為基巖裂隙水，呈點(diǎn)滴狀、線狀滲出為主。洞口處存在不穩(wěn)定斜坡，坡體易失穩(wěn)形成滑坡、崩塌、溜坍等不良地質(zhì)。為避免隧道進(jìn)口在運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生山體滑坡時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成影響，造成較大的損失；對(duì)隧道洞口段實(shí)施結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在隧結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)云平臺(tái)上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；以便發(fā)生山體滑坡時(shí)實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)支持，研究解決方案。

表1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及布點(diǎn)方式

由于資源、成本等方面的限制，一般而言，傳感器系統(tǒng)不會(huì)涵蓋整個(gè)隧道的所有斷面，多數(shù)采取重點(diǎn)部位與高危部位結(jié)合監(jiān)測(cè)的方式[6]。因此，針對(duì)通化隧道1號(hào)進(jìn)口在綜合考慮其工程水文地質(zhì)、斷面形式、隧道埋深、運(yùn)營(yíng)過程中隧道材料老化、地下水侵蝕沖刷、結(jié)構(gòu)受力情況變化及車輛荷載等不利因素影響會(huì)對(duì)隧道襯砌形成一定水平的病害，可能發(fā)生裂縫、滲水及結(jié)構(gòu)物侵限等，影響行車安全。因此針對(duì)此隧道運(yùn)營(yíng)過程中容易出現(xiàn)的病害類型、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，根據(jù)施工要求制定，在該隧道洞口段設(shè)置兩種參數(shù)（襯砌結(jié)構(gòu)變形、圍巖內(nèi)部位移），設(shè)置需結(jié)合監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)與斷面監(jiān)測(cè)計(jì)劃，準(zhǔn)確及時(shí)地獲取隧道結(jié)構(gòu)受力情況及變形情況并反饋預(yù)警，制定應(yīng)對(duì)方案是合理、必要的。

（1）襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。隧道在營(yíng)運(yùn)過程中襯砌結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)構(gòu)造物侵入建筑界限，影響行車安全，變形過大會(huì)導(dǎo)致難以挽回的損失。變形往往伴隨著其他顯而易見的病害類型，如裂縫、滲水返堿、路面隆起或下沉等?？紤]到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“實(shí)施可能、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，可根據(jù)隧道地質(zhì)資料中地質(zhì)分段部位、養(yǎng)護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)變形的位置、裂縫及滲水嚴(yán)重的斷面分別布設(shè)兩個(gè)高精度激光測(cè)距儀；長(zhǎng)隧道及特長(zhǎng)隧道宜根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)斷面。

在B點(diǎn)處布置兩個(gè)兩個(gè)高精度激光測(cè)距儀，一個(gè)指向另一側(cè)拱腰，一個(gè)指向拱頂，拱頂中線及拱腰位置分別布設(shè)激光靶標(biāo)，如圖2所示。測(cè)出AB間距和BC初始間距，通過變形前后的數(shù)據(jù)分析就可以得到拱腰收斂量和拱頂?shù)某两怠?/p>

圖2 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

拱頂沉降采用等比法，其原理為在拱頂布設(shè)一個(gè)固定的水平板，通過激光測(cè)距儀測(cè)定傳感器安裝位置與平板的初始距離AB；通過全站儀測(cè)出平板距BD水平線的初始垂直距離AC。

當(dāng)拱頂累計(jì)沉降量為△h時(shí)，通過激光測(cè)距儀測(cè)量出三角形此刻斜邊BF的長(zhǎng)度，由等比法可知：

式中AE=△h，AF=AB-BF，故此△h=。

（2）圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。山區(qū)隧道作為穿越山體的結(jié)構(gòu)物且大多為鉆爆法施工，伴隨著大地脈動(dòng)、構(gòu)造變化、地質(zhì)災(zāi)害等一系列的因素，這些因素會(huì)使隧道開挖斷面的基巖相對(duì)于隧道支護(hù)體系產(chǎn)生一定量的位置變化，而變化的過程和結(jié)果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和研究確定是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)的。在已運(yùn)營(yíng)的隧道中，可以基于日常維護(hù)調(diào)查所確定的可能發(fā)生或已經(jīng)少量發(fā)生位移的位置布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，通過多點(diǎn)位移計(jì)相對(duì)位置的變化實(shí)時(shí)的觀測(cè)圍巖變化情況，如圖3所示。

圖3 圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

用不同時(shí)間段同一參數(shù)變化趨勢(shì)分析及不同監(jiān)測(cè)參數(shù)的同一時(shí)間段內(nèi)的參數(shù)相關(guān)性分析的方法來(lái)獲得結(jié)構(gòu)物的變化狀態(tài)。利用相關(guān)性分析對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備參數(shù)之間具備相關(guān)性的變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過兩個(gè)變量的相關(guān)性分析出參數(shù)的相關(guān)密切程度；通過對(duì)安裝完成后兩個(gè)月的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，自動(dòng)生成變化趨勢(shì)圖。根據(jù)趨勢(shì)圖可以看到任一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

（1）襯砌結(jié)構(gòu)變形分析。針對(duì)結(jié)構(gòu)變形的周期及特點(diǎn)，提取出變形特點(diǎn)較為顯著的時(shí)間段進(jìn)行分析。變形趨勢(shì)如圖5所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以看出在設(shè)備埋設(shè)完成開始監(jiān)測(cè)后，襯砌處于緩慢變形狀態(tài)。拱頂下沉量及周邊收斂均在緩慢增大，呈線性關(guān)系。襯砌變形在2020年1月13日時(shí)達(dá)到峰值并處于穩(wěn)定狀態(tài)，拱頂下沉及周邊收斂數(shù)值均為3mm，未侵入建筑界限故無(wú)須預(yù)警。

（2）圍巖內(nèi)部位移數(shù)據(jù)分析。圍巖內(nèi)部位移傳感器監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)為負(fù)，表示巖體位移方向有侵入隧道斷面的趨勢(shì)，襯砌受壓；與襯砌結(jié)構(gòu)變形同一時(shí)間段的圍巖內(nèi)部位移變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖

圖6 圍巖內(nèi)部位移數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖

根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以看出圍巖內(nèi)部位移在2019年12月30日變化較大，表明隧道斷面處圍巖在該時(shí)間段內(nèi)可能受圍巖內(nèi)部小型滑移的影響，如果數(shù)據(jù)繼續(xù)呈斷崖式增長(zhǎng)可能形成山體滑坡，該時(shí)間段內(nèi)圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此要通過預(yù)警，提醒相關(guān)部門采取辦法應(yīng)對(duì)?？梢钥吹轿灰茢?shù)據(jù)于2020年1月1日再次少量增加后開始趨于穩(wěn)定，于2020年1月13日基本穩(wěn)定。圍巖內(nèi)部位移變化趨勢(shì)與襯砌結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)基本相符，兩者存在一定的相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）文章細(xì)分了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成組建，通過數(shù)據(jù)分析表明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在運(yùn)營(yíng)隧道中有效地運(yùn)行，能夠通過長(zhǎng)期不間斷觀測(cè)實(shí)時(shí)掌控隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)安全。

（2）于2019年12月30日發(fā)生的小型圍巖位移所產(chǎn)生的滑坡對(duì)該隧道洞口監(jiān)測(cè)段結(jié)構(gòu)的影響不大，隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形及圍巖內(nèi)部位移在一個(gè)月內(nèi)趨于穩(wěn)定。

（3）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)某個(gè)點(diǎn)或斷面的結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)，但不能以一個(gè)斷面的狀態(tài)來(lái)考量整個(gè)隧道，因此須在必要時(shí)增加監(jiān)測(cè)斷面數(shù)。

（4）仍需要進(jìn)一步研究的問題，首先是對(duì)儀器精度和可靠度的研究，只有保證了數(shù)據(jù)源頭的真實(shí)性才能保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；其次是對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警閾值的研究，圍巖的差異性、結(jié)構(gòu)物的受力狀態(tài)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(huì)有所不同，需要通過大量的數(shù)據(jù)及案例統(tǒng)計(jì)分析來(lái)設(shè)定。