段創(chuàng)峰

上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200020

1 概述

隧道健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)建立的目的，是通過加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營階段隧道健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，建立科學(xué)的運(yùn)維養(yǎng)護(hù)策略，延長隧道的使用壽命。目前國內(nèi)已有多條盾構(gòu)法公路隧道內(nèi)實(shí)施了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-5]，并取得了豐富的成果，但是由于公路隧道建設(shè)與運(yùn)營環(huán)境的復(fù)雜性，目前的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用方面還存在諸多問題。本文將在系統(tǒng)性闡述隧道全壽命周期健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合杭州文一路地下通道工程，探討若干關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。

2 全壽命盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)法公路隧道全壽命健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)總體架構(gòu)以數(shù)據(jù)的處理、流轉(zhuǎn)與應(yīng)用為核心，結(jié)合巖土、結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備以及數(shù)據(jù)通信技術(shù)，形成一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估預(yù)警方案。該架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)融合分析層和數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)層5個(gè)層次。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

隧道健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要有2個(gè)來源，一類是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，另一類為人工巡檢數(shù)據(jù)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包含隧道沉降、隧道斷面收斂變形、滲漏水、變形縫張開、裂縫張開、圍巖水土壓力、管片內(nèi)力、螺栓應(yīng)力、地面沉降變形、地下水位、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等。人工巡檢數(shù)據(jù)主要針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)表觀狀態(tài)、滲漏水、預(yù)埋件狀態(tài)的日常巡檢，以及針對(duì)混凝土碳化、鋼筋銹蝕、構(gòu)件強(qiáng)度等方面。人工巡檢數(shù)據(jù)也可運(yùn)用巡檢機(jī)器人等新技術(shù)手段進(jìn)行采集。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層可以細(xì)分為局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)。局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量發(fā)送至數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)傳感器的布點(diǎn)形式與數(shù)據(jù)通信要求可以選擇有線和無線2種方式。數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)則是將數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行打包，并發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器。在大型公路盾構(gòu)隧道內(nèi)，數(shù)據(jù)通信干網(wǎng)以光纖傳輸為主，隧道內(nèi)光纖多芯閉環(huán)的連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得其可靠性較好。

2.3 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是在數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，形成面向業(yè)務(wù)決策與上層數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)集。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)倉庫的結(jié)果時(shí)，既要考慮到底層數(shù)據(jù)冗余、高并發(fā)數(shù)據(jù)可訪問、簡易數(shù)據(jù)計(jì)算和相關(guān)數(shù)據(jù)主題結(jié)構(gòu)，又要兼顧業(yè)務(wù)在實(shí)際應(yīng)用中的便捷性和可理解性。包括設(shè)計(jì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，依托數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)和檢測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理（如降噪和異常判斷）。

2.4 數(shù)據(jù)融合分析層

數(shù)據(jù)融合分析層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，數(shù)據(jù)分析層既要通過不同算法滿足不同需求的挖掘需要，又要根據(jù)數(shù)據(jù)需求盡可能地實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析層將根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方面的專業(yè)規(guī)范，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)時(shí)評(píng)估隧道的健康狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)層

數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)層主要用于數(shù)據(jù)融合分析結(jié)果的展示與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接與共享。對(duì)于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最重要的數(shù)據(jù)應(yīng)用是預(yù)警，通過對(duì)單一指標(biāo)或綜合分析指標(biāo)設(shè)定閾值，判斷隧道健康狀態(tài)的變化趨勢(shì)，并提出相應(yīng)的輔助決策。數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)層包含了勘察、設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以通過BIM構(gòu)件信息或GIS空間信息與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)深度應(yīng)用。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

文一路地下通道（保俶北路—紫金港路）是杭州市“一環(huán)五橫三縱”快速路網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵組成部分，工程全長5.80 km，其中隧道主線長約5.12 km（盾構(gòu)區(qū)間3.33 km），雙向4車道規(guī)模。隧道南、北線2條隧道，分為東、中、西3個(gè)明挖段及東、西2個(gè)盾構(gòu)段。盾構(gòu)段隧道的斷面形式為圓形，內(nèi)徑為10.36 m、外徑為11.36 m，采用2臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。明挖段隧道斷面形式為單孔矩形，凈寬10.2 m，各類設(shè)備及管線主要布置于隧道兩側(cè)裝修層內(nèi)及頂部空間，頂部安裝空間取1.3 m。匝道段凈寬7.6 m，頂部安裝空間1.0 m。主線最大縱坡5%，匝道最大縱坡6%，最小縱坡0.5%。盾構(gòu)覆土一般路段最少為11 m。

3.2 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)隧道穿越地層工程地質(zhì)、管片設(shè)計(jì)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及建設(shè)期與運(yùn)營期主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，按以下原則最終選擇16個(gè)盾構(gòu)段隧道斷面為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面（圖1）：

圖1 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面布置示意

1）隧道覆土最大斷面。

2）隧道結(jié)構(gòu)形式變化斷面。

3）周邊有地鐵線路穿越的斷面。

4）地表有河浜流經(jīng)的斷面。

5）隧道1倍洞徑范圍內(nèi)有重要高層建筑的斷面。

表1中監(jiān)測(cè)項(xiàng)為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容。其中所有監(jiān)測(cè)設(shè)備均為外掛式傳感器，在盾構(gòu)段及明挖段結(jié)構(gòu)施工完成后安裝（圖2），確保在運(yùn)維期整套系統(tǒng)易于維護(hù)與更換。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)方法

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備重點(diǎn)安裝監(jiān)測(cè)示意

3.3 綜合智能監(jiān)測(cè)管片

在文一路地下通道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，提出了“綜合智能監(jiān)測(cè)管片”的理念，并將之貫徹到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工中。綜合智能監(jiān)測(cè)管片是一種在不影響管片結(jié)構(gòu)性能和防水性能的前提下，以集成化系統(tǒng)為理念的管片設(shè)計(jì)制造應(yīng)用方案，該方案的核心是包含了標(biāo)準(zhǔn)化的外部設(shè)備固定接口、標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器供能與通信電氣接口、標(biāo)準(zhǔn)化的外部巖土監(jiān)測(cè)通道等3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化解決方案（圖3）。

圖3 綜合智能監(jiān)測(cè)管片概念設(shè)計(jì)

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化的外接設(shè)備固定接口

根據(jù)管片制造與拼裝形式以及盾構(gòu)段監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝運(yùn)行方式，在管片內(nèi)側(cè)預(yù)埋一組標(biāo)準(zhǔn)化的槽型預(yù)埋件以及螺栓套筒，以此作為標(biāo)準(zhǔn)化的外接設(shè)備固定接口。

這種標(biāo)準(zhǔn)化的外接設(shè)備固定接口，可以在管片澆筑階段通過改造管片鋼模的方式實(shí)現(xiàn)精確埋設(shè)，埋設(shè)重復(fù)精度能夠達(dá)到0.5 mm。這種高精度的預(yù)埋構(gòu)件能夠很好地控制傳感器的最終安裝姿態(tài)，達(dá)到預(yù)想的設(shè)計(jì)效果。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器供能及通信總線

智能綜合監(jiān)測(cè)管片的兩端各設(shè)有一個(gè)總線盒，管片表面布置有一套通信供能總線，其中既可以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)也可以傳輸直流供電電壓。一套通信供能總線有若干個(gè)端口，分別布設(shè)在傳感器附近。

管片的兩端分別設(shè)有端口，可以與相鄰管片的總線進(jìn)行串聯(lián)，從而使得斷面上所有傳感器均在同一總線構(gòu)架下（圖4），統(tǒng)一地進(jìn)行供電與通信，從而大幅提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成度。

圖4 傳感器供能及通信總線拓?fù)鋱D

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化的外部巖土監(jiān)測(cè)通道

在智能監(jiān)測(cè)管片的注漿孔處設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的成套防噴裝置（圖5），形成外部巖土監(jiān)測(cè)通道。各類巖土監(jiān)測(cè)傳感器能夠通過該裝置插入隧道圍巖土體內(nèi)（圖6），測(cè)量土壓力、孔隙水壓力、電導(dǎo)率、波速等物理指標(biāo)，同時(shí)，避免外部泥漿或地下水侵入隧道內(nèi)部。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化防噴裝置

圖6 外部巖土監(jiān)測(cè)

3.3.4 綜合智能監(jiān)測(cè)管片布設(shè)方式

綜合智能監(jiān)測(cè)管片的布設(shè)方式是靈活的，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求進(jìn)行單片離散設(shè)置、整環(huán)設(shè)置、區(qū)域連續(xù)設(shè)置。

在文一路地下通道工程中，在每個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面處，綜合智能監(jiān)測(cè)管片采用了整兩環(huán)設(shè)置的方式（圖7）。

3.4 基于BIM的監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估管理系統(tǒng)

圖7 綜合智能監(jiān)測(cè)管片布設(shè)方式

圖8 監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估管理系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估管理系統(tǒng)（圖8）將隧道全生命周期涵蓋的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和運(yùn)營等數(shù)據(jù)集成和信息融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源集中使用和多方信息資源共享。

為便于了解隧道健康狀態(tài)，系統(tǒng)依托文一路地下通道BIM模型，以三維模型、二維曲線、圖像等形式展示整條隧道的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，并通過分析指標(biāo)閾值、當(dāng)前病害信息、歷史病害評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并生成預(yù)警。系統(tǒng)對(duì)隧道主體設(shè)施建立完善的健康檔案，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)主體設(shè)施和重要機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)快速診斷，動(dòng)態(tài)生成資產(chǎn)養(yǎng)護(hù)方案，提供輔助運(yùn)營決策。

4 結(jié)語

本文介紹了盾構(gòu)法公路隧道全壽命期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)及若干關(guān)鍵技術(shù)在杭州文一路地下通道工程中的應(yīng)用，總結(jié)了盾構(gòu)法公路隧道全壽命期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多層架構(gòu)體系，介紹了每一層次的實(shí)施內(nèi)容。以杭州文一路地下通道工程為例，介紹了系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)項(xiàng)的設(shè)計(jì)原則與方法、智能綜合監(jiān)測(cè)管片、監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)。“智能綜合監(jiān)測(cè)管片”理念的應(yīng)用，解決了原有系統(tǒng)實(shí)施方式中存在的問題，提高了系統(tǒng)的整體集成度與可靠性。