隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,城市管道施工項(xiàng)目與日俱增,多個(gè)項(xiàng)目時(shí)空上的交叉施工,電力、通訊及燃?xì)獾裙艿赖匿佋O(shè)反復(fù)開挖地面,對道路、交通及環(huán)境都造成了極大的影響,既造成資源浪費(fèi),也對周邊居民及單位的生活、生產(chǎn)造成嚴(yán)重的干擾,在此背景下,城市地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生。地下綜合管廊是一種大型的地下隧道空間,將電力、通訊、給排水、燃?xì)饧肮岬仁姓芫€集成在同一管道內(nèi),有效避免了城市道路的反復(fù)開挖,極大地方便了市政管線的日常維護(hù),同時(shí)還提升了市政管線抵抗災(zāi)害的能力。近年來,國內(nèi)很多城市的主干道均建成了綜合管廊,有些城市已初具規(guī)模并呈網(wǎng)格狀,其穩(wěn)定運(yùn)營關(guān)系到城市生命線。對城市地下綜合管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化監(jiān)測是確保管廊安全運(yùn)行的重要手段,也是地下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。
為保障綜合管廊在運(yùn)營中的穩(wěn)定性,現(xiàn)階段的管廊工程中均設(shè)計(jì)并建設(shè)了監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng),全天候監(jiān)控管廊內(nèi)的設(shè)備、安全入侵、通信、火災(zāi)、氣體液體泄漏等狀況。通過在管廊內(nèi)部布設(shè)溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警器、閉路視頻監(jiān)控設(shè)備,可以實(shí)時(shí)地獲取管廊內(nèi)部的日常運(yùn)營情況,從而在發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)快速響應(yīng),實(shí)現(xiàn)管廊的數(shù)字化運(yùn)維。結(jié)合新時(shí)代智慧城市建設(shè)運(yùn)維的要求,近年來,越來越多的城市開始在市政管廊建設(shè)中實(shí)施并建成智慧管廊系統(tǒng)。智慧管廊將城市的空間信息與管廊監(jiān)測信息集成,利用新一代地理信息技術(shù)、建筑信息模型技術(shù)與人工智能計(jì)算科學(xué)技術(shù),實(shí)現(xiàn)管廊與設(shè)備、系統(tǒng)的智能互聯(lián)互通,在提高管廊的運(yùn)維管理的效率的同時(shí)促進(jìn)管廊與城市數(shù)字孿生系統(tǒng)深度融合。表1為近年來國內(nèi)已建成的典型智慧管廊工程及其特色功能。
表1 幾個(gè)典型城市智慧管廊工程及特色功能
上述智能化管廊監(jiān)測系統(tǒng)中主要監(jiān)測了管廊的消防系統(tǒng)、供水系統(tǒng)與燃?xì)庑孤┫到y(tǒng)、防盜系統(tǒng),但針對管廊結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測與報(bào)警鮮有考慮。地下管廊結(jié)構(gòu)線路長、覆蓋面廣、所處地層環(huán)境復(fù)雜和易受外部因素影響等。這些結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致管廊在實(shí)際運(yùn)營的過程中容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害。同時(shí)地下管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限較長又屬于特別重要建筑類型,這些結(jié)構(gòu)病害會(huì)嚴(yán)重影響管廊結(jié)構(gòu)的長期安全性和使用功能。
位于地下的綜合管廊結(jié)構(gòu)的地震性能與運(yùn)營中的耐久性是影響其服役期段內(nèi)安全狀態(tài)的重要因素,應(yīng)針對其易發(fā)病害與災(zāi)變規(guī)律進(jìn)行長期監(jiān)測與定期檢查檢測。
與位于地面以上的多高層建筑與橋梁不同,四周由土體包圍的地下管隧結(jié)構(gòu)在地震作用下的慣性力較小,但是其周圍土體在地震作用下的位移易對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪切作用。日本阪神地震調(diào)查發(fā)現(xiàn),在地震橫波作用下,管廊的管體易產(chǎn)生縱向彎曲變形;在地震縱波作用下,管體易產(chǎn)生拉壓變形;在剪切波作用下,管廊的橫截面易發(fā)生平面內(nèi)整體擠壓。對于位于地震斷裂帶的城市,管廊管線會(huì)多次穿越地震斷裂帶及其分支部分,且各管線段的周圍土體地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,各部分的地震響應(yīng)分布不同,使長線分布的管廊在地震作用下的易發(fā)生位移不均勻、不協(xié)調(diào),最終導(dǎo)致管體的破壞。常見的地下結(jié)構(gòu)地震性能分析方法包括原位檢測法、模型試驗(yàn)法與數(shù)值模擬法。其中,原位檢測法通過現(xiàn)場檢測或傳感器監(jiān)測的手段,可以獲取結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的第一手資料,對結(jié)構(gòu)在震害后的安全狀態(tài)評估具有重要意義。
對于預(yù)計(jì)使用年限在50~100年的混凝土管廊結(jié)構(gòu),其管體內(nèi)部與周圍的土體環(huán)境較地上混凝土結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在各類氣體、地下水、離子的侵蝕下,管廊會(huì)更容易較早地發(fā)生開裂、鋼筋銹蝕與滲漏水現(xiàn)象,不僅影響了整體結(jié)構(gòu)安全,更影響了內(nèi)部水電氣管線的正常運(yùn)輸功能。當(dāng)發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí),上述耐久性問題更會(huì)引發(fā)管廊坍塌、爆炸、變形等二次傷害,使城市災(zāi)后生命線保障處于危險(xiǎn)狀態(tài)。薛軍鵬等綜合分析了影響管廊結(jié)構(gòu)耐久性的原因主要有:①地下結(jié)構(gòu)的滲漏水問題引發(fā)混凝土碳化開裂;②地下微生物與有害化學(xué)物質(zhì)侵蝕混凝土與鋼筋;③車輛荷載、河流汛期與自然災(zāi)害導(dǎo)致的土體應(yīng)力往復(fù)變化與不均勻沉降;④不當(dāng)?shù)氖┕し椒▽?dǎo)致混凝土過早開裂變形。因此需通過定期巡查與結(jié)構(gòu)監(jiān)測等方式以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耐久性問題。
2.3.1 地下結(jié)構(gòu)的檢測方法
地下結(jié)構(gòu)的檢測方法主要包括表面觀察、現(xiàn)場取樣檢測與無損檢測。其中,表面觀察主要依靠人工表面肉眼查看與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,可以發(fā)現(xiàn)混凝土表面的滲漏水、銹蝕、開裂與大變形等問題,但是該方法主要依靠主觀判斷,且無法量化結(jié)構(gòu)的病害發(fā)展指標(biāo)。為進(jìn)一步探究地下結(jié)構(gòu)的材料、力學(xué)性能的變化,現(xiàn)場檢測中往往采用鉆芯取樣法測量混凝土結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)。然而對于密閉性要求高的管廊結(jié)構(gòu),現(xiàn)場取樣會(huì)損壞管體結(jié)構(gòu),削弱管廊的防水性,同時(shí)取樣時(shí)的機(jī)械振動(dòng)會(huì)影響鋼筋與鋼制伸縮裝置的錨固性能,進(jìn)一步惡化管廊的安全性。無損檢測可以克服上述缺陷,通過采用聲波雷達(dá)、光譜分析、紅外電磁檢測等方式,勘探地下結(jié)構(gòu)與土體內(nèi)部的缺陷、裂縫與空洞等缺損,并通過回彈儀檢測混凝土的強(qiáng)度。
2.3.2 地下結(jié)構(gòu)的檢查項(xiàng)目與要求
地下結(jié)構(gòu)的常見病害主要包括混凝土的耐久性開裂、滲漏水與缺陷、鋼筋銹蝕以及管隧結(jié)構(gòu)的幾何移位等。針對這些問題的檢查監(jiān)測項(xiàng)目以及要求如表2所示。
表2 地下結(jié)構(gòu)檢測項(xiàng)目與要求
上述地下結(jié)構(gòu)檢查檢測方法主要依靠定期的現(xiàn)場檢驗(yàn)與試驗(yàn),可以獲取管廊的靜態(tài)性能參數(shù),但無法對管廊在地震、路面超載、火災(zāi)、泥石流等突發(fā)災(zāi)害事件下或運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)狀態(tài)嚴(yán)重不利時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評估與預(yù)警。管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以彌補(bǔ)上述不足。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測利用現(xiàn)代傳感技術(shù)與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,不僅可以實(shí)時(shí)反映管廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化過程,還可以根據(jù)分布式的多種傳感器反演管廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)物理模型,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢算分析得到結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)安全狀態(tài),揭示結(jié)構(gòu)內(nèi)在的安全隱患與不利狀態(tài),是全天候的“現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室”。同時(shí),不間斷的現(xiàn)場數(shù)字化監(jiān)測可以為管廊的定期養(yǎng)護(hù)運(yùn)維提供可量化的原始資料,節(jié)約日常人工巡查的人工成本并避免潛在的安全隱患。
監(jiān)測設(shè)備由多種傳感器組網(wǎng)構(gòu)成。如圖1所示為管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)。監(jiān)測項(xiàng)目主要包括:①管廊的外部激勵(lì)與環(huán)境,如車輛荷載、管廊內(nèi)溫濕度、土體壓力等;②管廊主體結(jié)構(gòu)的整體變化,如管廊的混凝土與鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變、位移變形、不均勻沉降等;③管廊主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),如管體、復(fù)雜十字交叉部位與出線井部位的加速度振動(dòng)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)地震動(dòng)監(jiān)測;④管廊內(nèi)部的損傷探測,如管廊接縫處的位移、混凝土開裂等。所有用于監(jiān)測的傳感器由PLC設(shè)備或不間斷電源UPS實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸。
圖1 管廊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測架構(gòu)
長線路管廊結(jié)構(gòu)的監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)與指標(biāo)多樣,需要針對監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)可全面反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估方法。
結(jié)構(gòu)安全評估中可采用的方法主要包括多級閾值預(yù)警評估法模糊綜合評判法、層次分析法。
3.1.1 多級閾值預(yù)警評估法
多級閾值預(yù)警評估法是評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)最直接的方法,其實(shí)施流程如圖2所示。通過分析監(jiān)測系統(tǒng)采集得到的多種結(jié)構(gòu)傳感數(shù)據(jù),修正管廊結(jié)構(gòu)的物理模型,對結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)進(jìn)行智能分析與評估后進(jìn)行多級閾值評估。根據(jù)管廊的安全性能設(shè)計(jì)要求,可分為4級:結(jié)構(gòu)基本安全(1級)、輕度損傷(2級)、中度損傷(3級)與嚴(yán)重?fù)p傷(4級)。各級的評估指標(biāo)由管廊結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型進(jìn)行多工況分析與專家評定法打分綜合確定。
圖2 多級閾值評估法實(shí)施流程
3.1.2 模糊綜合評價(jià)法
模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊系統(tǒng)的原理的評價(jià)方法,可以將不易定量描述、界定困難的因素定量化,并得到系統(tǒng)且清晰的評價(jià)指標(biāo)。模糊定量評價(jià)的基本步驟為:①確定評價(jià)因素集合;②確定評價(jià)分級描述集合;③確定各評價(jià)因素的權(quán)重向量C,即模糊隸屬度;④建立模糊關(guān)系矩陣R;⑤計(jì)算得到結(jié)果向量。在管廊評價(jià)中,可以將管廊的缺損病害發(fā)展的各個(gè)階段作為模糊評價(jià)的分級描述,并根據(jù)影響各個(gè)階段結(jié)構(gòu)缺損病害的主要成因,構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣,與模糊隸屬度矩陣相乘得到各個(gè)病害的歸一化評估向量。
3.1.3 層次分析法
層次分析法是一種基于專家評判的多因素綜合評價(jià)方法。該方法的基本步驟為:問題分解、同級判斷、計(jì)算權(quán)重、全局排序。通過將管廊監(jiān)測系統(tǒng)中不同測點(diǎn)、監(jiān)測方向與傳感器類別進(jìn)行多指標(biāo)分層,由細(xì)部的指標(biāo)層至總體的目標(biāo)層,分別進(jìn)行同層次重要性對比,最終構(gòu)造標(biāo)度矩陣、計(jì)算特征向量得到各指標(biāo)的權(quán)重。該方法可以將專家評判與分級評判中的定性因素定量化,有效實(shí)現(xiàn)多元指標(biāo)數(shù)據(jù)融合。當(dāng)管廊中局部指標(biāo)發(fā)生異常時(shí),可以在層次分析中有效地反映到綜合評價(jià)結(jié)果中。為提高層次分析法的客觀評價(jià)性,文獻(xiàn)[15]提出的模糊綜合評價(jià)-層次分析模型與文獻(xiàn)[16]提出的可拓云-層次分析模型,均在一定程度上擴(kuò)展了層次分析法在風(fēng)險(xiǎn)評估與安全評價(jià)的實(shí)用性。
針對管廊監(jiān)測系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù),可以利用人工智能算法與數(shù)據(jù)科學(xué)理論,對時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,實(shí)現(xiàn)安全評估智能化、實(shí)時(shí)化。
3.2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)法
機(jī)器學(xué)習(xí)法是一種基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的方法。該方法基于仿生學(xué)原理,模擬人腦的學(xué)習(xí)與知識凝聚過程,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、回歸與重生成,可以自適應(yīng)地完成管廊監(jiān)測數(shù)據(jù)的損傷識別與評估。機(jī)器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)與無監(jiān)督學(xué)習(xí),其中監(jiān)督學(xué)習(xí)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的損傷等級對號入座,可以較好地評估平穩(wěn)隨機(jī)過程時(shí)序數(shù)據(jù)的安全性,常用算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、邏輯回歸與支持向量機(jī)等;無監(jiān)督學(xué)習(xí)無需對管廊安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先模擬,對實(shí)測場景的評估更具廣泛的適用性,常用算法包括自編碼器、聚類算法與主成分分析等。評估架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)與評估目標(biāo)選取合適的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,也可和上述層次分析法與模糊綜合評價(jià)法聯(lián)合應(yīng)用。
3.2.2 貝葉斯評估法
貝葉斯評估方法是一種基于先驗(yàn)條件概率的狀態(tài)預(yù)測與評價(jià)方法。與基于頻率的傳統(tǒng)概率方法不同,貝葉斯法強(qiáng)調(diào)將未知的待預(yù)測參數(shù)賦予概率分布規(guī)律,并以此作為先驗(yàn)分布計(jì)算評估。由于先驗(yàn)規(guī)律定義較為困難,起初該方法應(yīng)用較少。隨著D-S證據(jù)理論的提出,貝葉斯方法得以運(yùn)用至數(shù)據(jù)融合。D-S理論以管廊監(jiān)測系統(tǒng)中各測點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)為先驗(yàn)證據(jù),再通過計(jì)算不同損傷指標(biāo)的概率賦值和信任函數(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、應(yīng)變、位移、沉降等實(shí)測數(shù)據(jù)的融合和主支線管廊養(yǎng)護(hù)的綜合決策。基于該理論,文獻(xiàn)[26]和文獻(xiàn)[27]分別探索了樸素貝葉斯法與稀疏貝葉斯法,進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)融合決策的可信度。
大多數(shù)管廊工程均設(shè)計(jì)規(guī)劃了智慧管廊系統(tǒng),但該智慧系統(tǒng)未考慮結(jié)構(gòu)監(jiān)測。因此在此基礎(chǔ)上進(jìn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)應(yīng)滿足智能化需求,即對已有智能化管廊監(jiān)控平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測升級與二次開發(fā),其建設(shè)的重點(diǎn)應(yīng)包括以下內(nèi)容:
①已有管廊監(jiān)控項(xiàng)目的協(xié)同接入。建立數(shù)據(jù)傳輸交換通道,將已有智慧管廊監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境溫濕度、視頻監(jiān)控與有害氣體探測接入管廊結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng),以便綜合評估影響管廊結(jié)構(gòu)性能的外界因素,并在管廊異常時(shí)全面排查安全狀態(tài),自動(dòng)控制水泵、通風(fēng)機(jī)與照明系統(tǒng)的開關(guān)。
②利用智能化算法分析與評估管廊結(jié)構(gòu)安全。利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)科學(xué)理論與深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)智慧融合等方法,以傳感器采集的實(shí)時(shí)多源監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象,考慮實(shí)測數(shù)據(jù)信噪比、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步、非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)等問題,基于管廊“環(huán)境—狀態(tài)—響應(yīng)”診斷體系,探索管廊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)、分布式綜合評定方法。
③選用新型智能傳感傳輸設(shè)備??蛇x用傳輸速率高、抗噪性強(qiáng)的光纖光柵傳感器與各類復(fù)合纖維傳感器,并利用分布式光纖傳感技術(shù),建立高效可靠的傳感信息采集與傳輸硬件系統(tǒng)。
④深度融入城市CIM平臺。綜合管廊在城市中覆蓋面廣、空間分布多樣,是城市韌性保障的應(yīng)急保障動(dòng)脈。新型智慧城市建設(shè)中,要求生命線工程的安全監(jiān)測與城市應(yīng)急管理平臺深度融合。因此需結(jié)合城市的建筑信息模型(BIM)與地理信息系統(tǒng)(GIS)建立多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)安全智能報(bào)警與災(zāi)后應(yīng)急保障維護(hù)信息島。
綜合管廊穩(wěn)定運(yùn)營關(guān)系到城市生命線。本文從檢測方法、安全評估方法、智能化手段等方面探討了綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與評估方法。為保證城市綜合管廊的長期安全性與可靠性,應(yīng)對管廊結(jié)構(gòu)實(shí)施健康監(jiān)測與定期檢查檢測,建立分布式多傳感器構(gòu)建管廊健康監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)對管廊結(jié)構(gòu)的綜合安全診斷評價(jià)。將監(jiān)測評估融入智慧管廊平臺對城市綜合治理與城市數(shù)字化智能運(yùn)維具有重要意義,應(yīng)在今后的管廊工程建設(shè)與規(guī)劃中充分考慮。