任喻云，楊 航

（1.四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 610000；2.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610000）

結構健康監(jiān)測的概念最早由Housner[1]提出，泛指監(jiān)測工程結構損傷和退化。由于國內(nèi)工程領域發(fā)展迅速，工程結構健康狀態(tài)的周期性監(jiān)測需求量較大，以結構健康監(jiān)測為基礎的工程類結構健康監(jiān)測系統(tǒng)越來越完善；該系統(tǒng)在國內(nèi)大多用于大跨徑橋梁的結構監(jiān)測，在隧道結構健康監(jiān)測方面應用實例反而不常見，國內(nèi)大多采用的是傳統(tǒng)監(jiān)測方式。隨著國內(nèi)光纖技術發(fā)展成熟，該技術與隧道結構健康監(jiān)測結合起來，使隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)有了發(fā)展機遇。隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)能在監(jiān)控重大結構的變形、及時發(fā)現(xiàn)結構部位損傷領域發(fā)揮超出預期的效果。中國公路隧道建設如火如荼，每年都有大量的隧道新建，因此建立長期有效的隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的周期性人工監(jiān)測，全面實時地了解隧道結構健康情況是十分必要的。

1 隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)

隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)（Tunnel Structural Health Monitoring System,TSHMS）與傳統(tǒng)的隧道人工監(jiān)測不同，該系統(tǒng)可以在隧道某一斷面位置上預埋監(jiān)測傳感器，通過傳感器等一系列設備獲取的數(shù)據(jù)對隧道進行實時、長期的健康監(jiān)測。本質(zhì)上是對隧道監(jiān)測系統(tǒng)在時間域上的拓展和延伸，繼承了隧道監(jiān)測系統(tǒng)部分優(yōu)點且形成了本身獨有優(yōu)勢：（1）能實時觀測隧道結構沉降、變形及受力狀態(tài)，確保隧道健康運營；（2）預測隧道內(nèi)監(jiān)測對象在未來的變形趨勢，根據(jù)獲取到的一系列變形發(fā)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）為隧道的運營安全提供可靠的信息，建立“一出問題多方響應”的機制；（4）系統(tǒng)所采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機的數(shù)理統(tǒng)計、計算判斷及人工分析后，進行監(jiān)測對象的預測和反饋，以確保隧道在運營過程中的穩(wěn)定；（5）積累相關的監(jiān)測資料，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技術無線傳輸兩類[3]。但隧道健康監(jiān)測系統(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)部分用來感知采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評價和預警子系統(tǒng)組成軟件系統(tǒng)部分用來數(shù)據(jù)傳輸與處理，通過軟硬設備間相互協(xié)同，實現(xiàn)隧道結構監(jiān)測系統(tǒng)[4-5]。

圖1 結構健康監(jiān)測系統(tǒng)構成

（1）整個結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎組成部分是傳感器子系統(tǒng)，是真實、實時和可靠的提供各監(jiān)測項監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎；傳感器子系統(tǒng)通過預埋傳感器對隧道結構的變化進行感知，通過應力、壓力、振弦式傳感器等采集到的信號對結構的變化進行定量，通過后續(xù)子系統(tǒng)轉換成數(shù)理統(tǒng)計值及變化趨勢圖，從而分析結構的受力及其他參數(shù)。

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

（3）數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)是對采集到原始數(shù)據(jù)進行處理和初步分析的關鍵。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，對獲取的數(shù)據(jù)進行檢驗、初步分析、為后續(xù)子系統(tǒng)的運行建構框架，響應系統(tǒng)的指令等等。

（4）安全評價與預警子系統(tǒng)主要就是通過各個子系統(tǒng)所采集和分析的結構變化情況結合隧道運營過程中的其他因素，對結構的內(nèi)力、應力、變形情況等進行統(tǒng)計分析，以確定是否需要預警。

1.2 系統(tǒng)主要監(jiān)測項目

根據(jù)公路運營隧道技術特點，以《公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范》(JTG H12—2015)及《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG F60—2019）為依據(jù)確定監(jiān)測項目，系統(tǒng)主要的監(jiān)測項目如表1所示。

2 工程實例研究

2.1 項目概況

汶馬高速公路通化隧道1號進口淺埋段為強至中風化絹云石英千枚巖及絹云千枚巖，受構造、風化影響，巖土較破碎，結構面結合較差，屬較軟巖，巖體呈碎裂層狀結構，千枚巖遇水極易軟化，強度極低。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)。為避免隧道進口在運營過程中發(fā)生山體滑坡時對隧道結構造成影響，造成較大的損失；對隧道洞口段實施結構健康實時監(jiān)測，在隧結構健康監(jiān)測云平臺上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)結果；以便發(fā)生山體滑坡時實時提供數(shù)據(jù)支持，研究解決方案。

表1 主要監(jiān)測項目

2.2 監(jiān)測內(nèi)容及布點方式

由于資源、成本等方面的限制，一般而言，傳感器系統(tǒng)不會涵蓋整個隧道的所有斷面，多數(shù)采取重點部位與高危部位結合監(jiān)測的方式[6]。因此，針對通化隧道1號進口在綜合考慮其工程水文地質(zhì)、斷面形式、隧道埋深、運營過程中隧道材料老化、地下水侵蝕沖刷、結構受力情況變化及車輛荷載等不利因素影響會對隧道襯砌形成一定水平的病害，可能發(fā)生裂縫、滲水及結構物侵限等，影響行車安全。因此針對此隧道運營過程中容易出現(xiàn)的病害類型、重點監(jiān)測內(nèi)容，根據(jù)施工要求制定，在該隧道洞口段設置兩種參數(shù)（襯砌結構變形、圍巖內(nèi)部位移），設置需結合監(jiān)測的預報與斷面監(jiān)測計劃，準確及時地獲取隧道結構受力情況及變形情況并反饋預警，制定應對方案是合理、必要的。

（1）襯砌結構變形監(jiān)測。隧道在營運過程中襯砌結構變形會導致隧道內(nèi)構造物侵入建筑界限，影響行車安全，變形過大會導致難以挽回的損失。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。考慮到健康監(jiān)測系統(tǒng)“實施可能、經(jīng)濟合理”的原則，可根據(jù)隧道地質(zhì)資料中地質(zhì)分段部位、養(yǎng)護過程中發(fā)現(xiàn)變形的位置、裂縫及滲水嚴重的斷面分別布設兩個高精度激光測距儀；長隧道及特長隧道宜根據(jù)實際情況適當增加監(jiān)測斷面。

在B點處布置兩個兩個高精度激光測距儀，一個指向另一側拱腰，一個指向拱頂，拱頂中線及拱腰位置分別布設激光靶標，如圖2所示。測出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 結構變形監(jiān)測測點布置圖

拱頂沉降采用等比法，其原理為在拱頂布設一個固定的水平板，通過激光測距儀測定傳感器安裝位置與平板的初始距離AB；通過全站儀測出平板距BD水平線的初始垂直距離AC。

當拱頂累計沉降量為△h時，通過激光測距儀測量出三角形此刻斜邊BF的長度，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。山區(qū)隧道作為穿越山體的結構物且大多為鉆爆法施工，伴隨著大地脈動、構造變化、地質(zhì)災害等一系列的因素，這些因素會使隧道開挖斷面的基巖相對于隧道支護體系產(chǎn)生一定量的位置變化，而變化的過程和結果經(jīng)現(xiàn)場實施和研究確定是可以進行動態(tài)觀測的。在已運營的隧道中，可以基于日常維護調(diào)查所確定的可能發(fā)生或已經(jīng)少量發(fā)生位移的位置布設多點位移計，通過多點位移計相對位置的變化實時的觀測圍巖變化情況，如圖3所示。

圖3 圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測測點布置圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

用不同時間段同一參數(shù)變化趨勢分析及不同監(jiān)測參數(shù)的同一時間段內(nèi)的參數(shù)相關性分析的方法來獲得結構物的變化狀態(tài)。利用相關性分析對兩個或多個具備參數(shù)之間具備相關性的變量進行統(tǒng)計分析，通過兩個變量的相關性分析出參數(shù)的相關密切程度；通過對安裝完成后兩個月的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄，自動生成變化趨勢圖。根據(jù)趨勢圖可以看到任一時間點的數(shù)據(jù)和長時間監(jiān)測時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢。

（1）襯砌結構變形分析。針對結構變形的周期及特點，提取出變形特點較為顯著的時間段進行分析。變形趨勢如圖5所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢可以看出在設備埋設完成開始監(jiān)測后，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，呈線性關系。襯砌變形在2020年1月13日時達到峰值并處于穩(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須預警。

（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)測所得數(shù)據(jù)為負，表示巖體位移方向有侵入隧道斷面的趨勢，襯砌受壓；與襯砌結構變形同一時間段的圍巖內(nèi)部位移變化趨勢如圖6所示。

圖5 襯砌結構變形數(shù)據(jù)變化趨勢圖

圖6 圍巖內(nèi)部位移數(shù)據(jù)變化趨勢圖

根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢可以看出圍巖內(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)呈斷崖式增長可能形成山體滑坡，該時間段內(nèi)圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此要通過預警，提醒相關部門采取辦法應對。可以看到位移數(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)部位移變化趨勢與襯砌結構變形趨勢基本相符，兩者存在一定的相關性。

3 結論

（1）文章細分了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的各個構成組建，通過數(shù)據(jù)分析表明結構健康監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)，確保結構安全。

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

（3）結構健康監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測某個點或斷面的結構受力和變形狀態(tài)，但不能以一個斷面的狀態(tài)來考量整個隧道，因此須在必要時增加監(jiān)測斷面數(shù)。

（4）仍需要進一步研究的問題，首先是對儀器精度和可靠度的研究，只有保證了數(shù)據(jù)源頭的真實性才能保證監(jiān)測結果的準確性；其次是對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)預警閾值的研究，圍巖的差異性、結構物的受力狀態(tài)不同及修建完成交付后隧道不同階段受力、變形的臨界值也會有所不同，需要通過大量的數(shù)據(jù)及案例統(tǒng)計分析來設定。