汪文兵

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

1 概述

隨著國內(nèi)公路隧道建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營里程的逐年遞增，既有隧道因不良地質(zhì)原因?qū)е虏『χ鹉暝龆?，圍巖劣化導(dǎo)致外部荷載變化的因素影響較大。對于重大隧道結(jié)構(gòu)病害或隱患，如不能及時發(fā)現(xiàn)和加固維修，其進(jìn)一步惡化將嚴(yán)重威脅運(yùn)營安全。

對隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行長期、實(shí)時和系統(tǒng)地監(jiān)測對于及時發(fā)現(xiàn)險情和動態(tài)預(yù)警至關(guān)重要，并可為隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定和維修養(yǎng)護(hù)決策提供重要的數(shù)據(jù)支撐。通過長期監(jiān)測結(jié)合人工檢查的方式對隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估，有助于掌握隧道長期性能變化，輔助管理部門制定合理、主動和預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)與管理措施，有效降低隧道的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)成本，延長隧道的使用年限。

我國現(xiàn)開展長期監(jiān)測的隧道工程還不多，大多數(shù)隧道的施工期監(jiān)測都未能延續(xù)至運(yùn)營期。研究以重慶市方斗山隧道為例，依據(jù)其運(yùn)營后的病害發(fā)展情況制定了隧道長期監(jiān)測方案，以期為類似隧道工程的長期監(jiān)測、結(jié)構(gòu)評定和病害處置對策提供借鑒與參考[1]。

2 長期監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

方斗山隧道隧址為重慶市豐都縣高家鎮(zhèn)與石柱縣下路鎮(zhèn)境內(nèi)，為上下分離四車道的高速公路特長隧道。隧道左線全長7285m，右線全長7310m，主洞建筑限界凈寬10.25m。隧址區(qū)處于楊子準(zhǔn)地臺重慶臺坳重慶褶皺束萬州凹褶束的方斗山背斜中南部，沿線地貌受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的控制明顯。區(qū)內(nèi)地下水因受巖性、構(gòu)造及地形條件控制，富集與分布極不均勻。隧道自2014 年通車以來，由于特殊地質(zhì)條件、施工缺陷等各種原因，隧道內(nèi)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的混凝土腐蝕、路面變形、滲漏水及襯砌開裂等病害。隧道洞口及隧道典型病害如圖1 所示。

圖1 方斗山隧道正面及隧道襯砌開裂和滲水病害圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)旨在基于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)監(jiān)管的理念，自動化監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)力和荷載狀態(tài)，通過對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的處理和分析，在識別隧道局部表觀損傷和結(jié)構(gòu)破壞的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動化在線預(yù)警。一般而言，隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括方案深化設(shè)計(jì)、硬件設(shè)備采購和軟件開發(fā)，再根據(jù)全壽命監(jiān)測的理念開展系統(tǒng)安裝與應(yīng)用，并負(fù)責(zé)缺陷責(zé)任期內(nèi)的系統(tǒng)全面維護(hù)與培訓(xùn)。

針對方斗山隧道的運(yùn)營環(huán)境和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)面臨的危險源劃分為結(jié)構(gòu)損傷和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不利性改變兩大類，并根據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平提出針對不同危險源而采取的不同監(jiān)測管理手段和策略，服務(wù)于隧道的長期運(yùn)營和管養(yǎng)。而其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不利性改變主要通過自動化結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)和實(shí)時地監(jiān)測，據(jù)此推斷全隧道的結(jié)構(gòu)運(yùn)營能力，重點(diǎn)在于對隧道結(jié)構(gòu)整體或局部內(nèi)在受力及狀態(tài)變化的及時掌控。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)作為一種集高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程，涵蓋了結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感器技術(shù)等。方案的設(shè)計(jì)遵循可靠性、先進(jìn)性、安全性、完整性、可維護(hù)和可擴(kuò)展性以及經(jīng)濟(jì)性原則[2]。

系統(tǒng)的可靠性體現(xiàn)為其涉及的傳感元件和諸多系統(tǒng)集成設(shè)備的可靠性。系統(tǒng)的先進(jìn)性旨在滿足日益變化的運(yùn)營管理的潛在需求。安全性具體表現(xiàn)在使用人權(quán)限的設(shè)置和系統(tǒng)防更改和共享功能的審查。系統(tǒng)完整性既要求監(jiān)測過程應(yīng)內(nèi)容完整、邏輯嚴(yán)密，各功能模塊之間獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)，從而避免因故障產(chǎn)生聯(lián)動影響?？删S護(hù)性和可擴(kuò)展性即系統(tǒng)應(yīng)具備功能和預(yù)備容量的擴(kuò)充和升級的能力。經(jīng)濟(jì)性原則能保證方案設(shè)計(jì)在滿足工程實(shí)際需要的同時兼具良好的性價比。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的

方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的主要目的為：①環(huán)境變化監(jiān)測：對隧道內(nèi)環(huán)境如溫濕度等進(jìn)行監(jiān)測，及時了解隧道內(nèi)運(yùn)營環(huán)境狀況；②隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測：結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測包括結(jié)構(gòu)斷面收斂、拱頂沉降。結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測包括裂縫變形檢查、裂縫發(fā)展變化趨勢及其速度。襯砌結(jié)構(gòu)荷載狀況包括隧道襯砌內(nèi)力等；③記錄隧道可能經(jīng)歷的重大事故歷程，如：地震、火災(zāi)以及被車撞擊情況下的狀況，并判斷隧道是否因此而出現(xiàn)損傷；④引入定期測量檢查管理模塊，該管理模塊是隧道正常運(yùn)營的保障之一，同時也是自動化監(jiān)測系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。按照規(guī)范提供人工測量檢查內(nèi)容表格、檢查指標(biāo)的評定標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集更明確，數(shù)據(jù)記錄更規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)；⑤根據(jù)所獲得的信息，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)評估；⑥在系統(tǒng)投入使用初期，重點(diǎn)結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)測得的信息，建立起精確可靠的預(yù)測模式，為長期穩(wěn)定的檢查維護(hù)計(jì)劃制定做準(zhǔn)備[3]；⑦在隧道整個設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，確保隧道安全可靠運(yùn)營，使維護(hù)管理費(fèi)用保持在相對較低的穩(wěn)定水平；⑧根據(jù)對結(jié)構(gòu)的評估結(jié)果設(shè)置預(yù)警閾值，在結(jié)構(gòu)發(fā)生異常情況或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)異常事件的情況下，能及時向管理部門提供預(yù)警信息。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案與功能

方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)通過各種在線監(jiān)測儀器和定期測量檢查管理模塊采集影響隧道結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案如圖2 所示。結(jié)合專家意見以研究各種危險性因素及其相互關(guān)系，通過評估技術(shù)識別有關(guān)隧道安全的各種因素并進(jìn)行分類，再根據(jù)其危害程度和時間相關(guān)性采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

圖2 方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案框圖

監(jiān)測系統(tǒng)對直接危險性因素能及時預(yù)警和報(bào)警以保證人員的生命安全。對間接危險性和潛在危險性因素，采取必要和有效的養(yǎng)護(hù)管理措施及時排除危險和消除潛在隱患，避免間接危險向直接危險轉(zhuǎn)化，確保隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營并延長隧道的服役年限。方斗山長期監(jiān)測系統(tǒng)功能框架設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)功能框架圖

2.6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)投諸運(yùn)行的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)、開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)囊括了虛擬化技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、VR 三維全景技術(shù)、HTML5 技術(shù)和SOA 體系架構(gòu)技術(shù)。虛擬化技術(shù)可簡化數(shù)據(jù)中心管理，提高隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)擴(kuò)展性和設(shè)備復(fù)用性，以此為基礎(chǔ)的云計(jì)算技術(shù)則能最大效率地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的快速評估分析計(jì)算。同時，HTML5 技術(shù)和SOA 軟件體系架構(gòu)技術(shù)則賦予了隧道監(jiān)測系統(tǒng)軟件的優(yōu)質(zhì)兼容性、可用性和良好的交互操作性，增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)用戶的良好體驗(yàn)。而VR 三維全景技術(shù)能提供全景式的隧道結(jié)構(gòu)和監(jiān)測信息，極大提高隧道信息管理集成度。

基于以上技術(shù)優(yōu)勢的監(jiān)測系統(tǒng)還需要適用的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的軟硬件支持，本隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)在開發(fā)和部署的軟硬件環(huán)境上投入很大，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完備功能和各種人機(jī)交互平臺上的優(yōu)良體驗(yàn)。

2.7 系統(tǒng)的功能模塊組成

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的核心任務(wù)是獲得隧道在役期的代表性環(huán)境荷載、動態(tài)交通荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，根據(jù)監(jiān)（檢）測信息進(jìn)行評估并定期掌握隧道內(nèi)行車安全和結(jié)構(gòu)安全的狀態(tài)信息，為隧道的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營提供管養(yǎng)決策時的技術(shù)支持。長期監(jiān)測系統(tǒng)主要功能和組成如圖4 所示。

圖4 方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)主要功能框圖

3 長期監(jiān)測系統(tǒng)子系統(tǒng)組成

3.1 自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

自動化監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)布置主要集中于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境對象受力或位移變化較大的部位，作用是反應(yīng)隧道自身和周邊環(huán)境安全。方斗山隧道長期監(jiān)測段落主要包括重點(diǎn)病害段、其他段和環(huán)境監(jiān)測，前兩項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目包括襯砌裂縫、拱頂下沉、周邊位移和襯砌應(yīng)力，監(jiān)測方法如圖5～圖7 所示；環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目包括溫濕度、排水溝水流量和隧道降雨量，采用對應(yīng)傳感器或裝置進(jìn)行量測。

圖5 拱頂下沉和周邊位移收斂監(jiān)測的傳感器布置

圖6 隧道結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的裂縫計(jì)布置

圖7 襯砌應(yīng)力監(jiān)測的應(yīng)變計(jì)布置

各類傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)由分布在隧道外場的數(shù)據(jù)采集站通過光纖以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送至云監(jiān)測平臺，以互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與云監(jiān)測平臺的通信和數(shù)據(jù)交互。

3.2 云監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

方斗山隧道云監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的一體化采集、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲和分析展示，其主要基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，以結(jié)構(gòu)監(jiān)測為應(yīng)用場景，由硬件（傳感器、網(wǎng)關(guān)）、云服務(wù)器、終端軟件構(gòu)成結(jié)構(gòu)監(jiān)測閉環(huán)生態(tài)圈。子系統(tǒng)為隧道長期運(yùn)營提供監(jiān)測云服務(wù)的渠道包括WEB 平臺和APP 應(yīng)用等，并可有選擇性地對用戶開放模塊，如GIS 地圖集成管理、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查看和下載、數(shù)據(jù)分析報(bào)告、監(jiān)測預(yù)警、終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

3.3 數(shù)據(jù)儲存與管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)采用海量數(shù)據(jù)存儲管理解決方案，解決的是整個長期監(jiān)測系統(tǒng)的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理問題，實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)倉庫等的管理功能，并通過系統(tǒng)集成及用戶交互子系統(tǒng)加以展示，如圖8 所示。其主要包括數(shù)據(jù)存儲管理和數(shù)據(jù)預(yù)處理和二次處理兩個部分。數(shù)據(jù)存儲管理實(shí)現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的存儲管理、為用戶提供快速便捷的數(shù)據(jù)訪問途徑，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)倉庫，并完成對歷史數(shù)據(jù)的歸檔和備份還原；數(shù)據(jù)預(yù)處理和二次處理實(shí)現(xiàn)剔除原始數(shù)據(jù)中的奇異值，進(jìn)行二次處理分析統(tǒng)計(jì)，包括在線數(shù)據(jù)分析和離線高級數(shù)據(jù)分析，并為數(shù)據(jù)倉庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

圖8 大數(shù)據(jù)分析部分典型界面

3.4 結(jié)構(gòu)預(yù)警報(bào)警子系統(tǒng)

安全預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)是長期監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能組件，通過監(jiān)測預(yù)警能夠使隧道管養(yǎng)單位對異常情況及時做出反應(yīng)，采取相應(yīng)控制措施以避免隧道以及周邊環(huán)境發(fā)生安全事故。本隧道監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警報(bào)警子系統(tǒng)在分析巡視信息及周邊監(jiān)測項(xiàng)目變化情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、變化速率與控制值之間的相對關(guān)系，綜合界定數(shù)據(jù)是否異常，子系統(tǒng)體系如圖9 所示。

圖9 預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)論

文章結(jié)合方斗山隧道實(shí)例對既有公路隧道長期運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定探索，從設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方案與功能及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)等方面加以闡述，并對構(gòu)成隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的各主要子系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了說明。方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐可為類似隧道監(jiān)測系統(tǒng)提供技術(shù)參考。