魏文胜
广东华路交通科技有限公司、广东交科检测有限公司
摘要：隧道是围岩较为复杂的隐蔽工程，往往只在隧道建设期对隧道结构、围岩的稳定性进行监测，而忽略建设期隧道稳定性的监测，随着通车年限的增加，隧道衬砌结构受复杂的水文地质环境的不断侵蚀下，结构的稳定性有所下降，日常定期养护频次低，且只关注表观病害，难以及时预测预防结构本身的变化。文章根据营运隧道常见的病害缺陷，选择特定的检测项目，建立长期隧道结构和水文健康监测系统，能远程监测隧道实时状态，获取隧道状态数据，让隧道数据可视化、易处理，为预测短期内隧道状况，监测结构病害发展趋势，提高养护工作效率，确保隧道运营安全。
关键词：营运隧道；结构健康监测；水文地质；结构变形
截止目前，我国大陆已建成通车的公路隧道总长超过1.9万km，我国已经是世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家。随着通车年限的增加，高速公路隧道工程结构破损、变形、漏水、突水突泥、泥石流、洞口滑坡等安全隐患和灾害事件攀升，运营安全管理压力日益突出。受建设期技术水平限制，大部分隧道无法实现安全隐患和灾害事件的预测预报，隧道运营安全管理仍处于被动局面。在日常营运隧道养护中，国内结构健康监测大多采用的是传统人工监测方式，但存在监测效率低、监测频率低、监测数据不连续、数据分析滞后等问题、不能及时、动态、全面地掌握隧道工程的技术状态。随着国内工程领域发展迅速，工程结构健康状态的周期性监测需求量较大，以结构健康监测为基础的工程类结构健康监测系统越来越完善。目前国内已有部分隧道建设了隧道结构安全监测系统，地铁和高铁项目已率先开始全面进行隧道结构安全监测系统的建设，公路隧道方面南京市辖内特长隧道和水下隧道、深圳市辖内新建特长隧道、武汉长江隧道、大丽高速花椒箐隧道等一批项目已建成了隧道结构安全监测系统。
01隧道结构与水文地质健康监测系统
隧道结构与水文地质健康监测系统与传统的隧道人工监测不同，该系统可以在隧道某一断面位置上预埋监测传感器，通过传感器等一系列设备获取的数据对隧道进行实时、长期的健康监测。本质上是对隧道监测系统在时间域上的拓展和延伸，继承了隧道监测系统部分优点且形成了本身独有优势：（1）能实时观测隧道结构沉降、变形及受力状态，水地质环境监测，确保隧道健康运营；（2）预测隧道内监测对象在未来的变形趋势，根据获取到的一系列变形发展趋势，决定是否需要通知相关单位采取相对应的防控减灾措施；（3）通过隧道健康监测系统，尽早发现结构在运营期间可能出现的状态改变和早期损伤，对异常状况及时预警，全面提高隧道的养护工作效率；（4）增强监测数据的处理与分析，基于关键指标的监测数据对结构状态进行预测，为管理层提供“一站式”决策支持的管理信息中心系统；；（5）加强监测数据、检测信息与结构安全性能信息整合，对结构的改变及损伤进行评估，为养管决策提供基于多源数据的调整、维修或加固建议。
1.1系统组成
隧道健康监测系统主要分为硬件系统和软件系统两部分，由感知层、传输层和运用层组成。其中传感器子系统、数据采集与传输子系统组成硬件系统部分用来感知采集数据；数据库子系统、数据处理与控制系统、安全评价和预警子系统组成软件系统部分用来数据传输与处理，通过软硬设备间相互协同，实现隧道结构监测系统。如图1所示。
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图1隧道结构健康监测系统组成
1.2传感器系统
自动化监测传感器子系统作为感知层，是整个监测系统的基础部分，能在恶劣条件下，对监测结构物的各监测项能提供真实、实时和可靠的安全监测数据。传感器子系统即把结构等的变化，转换成其他信号的方式，例如声、光、电、磁等，对结构的变化进行定量，转换成人们比较熟悉的数值等，从而了解结构的受力及其他参数等。
1.3数据采集与传输系统
数据现场传输子系统的功能为，将采集器输出的数字信号通过有线或无线的方法输出到数据远程传输子系统。外部荷、应力、温度、变形和动态等传感器输出的信号经过各种采集仪的加工处理以后，均变为标准的数字信号，但这些数字信号跟随相应采集仪分散在隧道的各个位置。通过数据现场传输子系统，可将各种数字信号在现场集中传输至可编程智能通信服务器，为数字信号的远程传输作准备。
1.4数据处理与控制系统
数据处理和控制系统在结构安全监测总系统中的作用是对数据采集与传输系统输出的数字信号进行分析和处理，并将分析结果输入结构健康评估系统作进一步分析，同时将监测数据备份至监测数据管理子系统中长期保存。数据处理系统是实现隧道安全监测与评价工作的重要环节。首先对采集回来的数字信号综合运用频域、时域内的统计、平均、平滑、降噪等各种数学处理方法进行预处理，然后通过数据后处理得到反映结构特征的相关参数，为后续结构安全评估奠定基础。
1.5安全评估和预警系统
安全评价与预警子系统的主要功能就是对采集数据进行统计分析，并对各种环境条件下，在一定的温度和荷载作用下，结构关键部件和控制截面的参数值，确定应力等的值域范围。在各种情况下，监测关键参数的变化，并通过数据判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够提前判断结构各种状况，在应力和应变等达到限值的时候发出预警信息，结合预警机制，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治，防止灾害的发生或扩大，减少损失。
02监测内容与实现方式
针对目前隧道在结构和水文环境存在的问题和不足，本监测系统由隧道结构健康监测子系统、隧道水文地质环境监测子系统两个系统组成，营运隧道可根据隧道结构和水害安全现状，选择监测项目进行监测。监测内容与检测项目如下表1所示：
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（1）光纤应变计
一般监测传感器不会涵盖整个隧道的所有断面，多数采取重点部位与高危部位结合监测的方式。如图2所示，可将光纤光栅式应变计安装于墙角、边墙、拱腰、拱顶的位置，两侧对称分布，共计9个监测点位，作为一个监测断面。
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图2 光纤光栅式表面应力应变监测布点示意图
（2）分布式长标距光纤位移监测
单个长标距应变虽然只能反映结构标距范围内的局部信息，但是通过分布式布置，除了能反映结构的局部信息，同时也能反映结构的整体信息。数据处理利用共扼梁方法由分布式动静态应变推导出任意点位移转换关系的一般公式。监测示意图如下图所示：
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图3 分布式光线位移监测示意图
（3）裂缝监测
隧道表观病害自动实时监测系统主要基于机器视觉技术，可以对隧道衬砌裂缝的宽度、长度、分布形态进行动态监测，通过对隧道裂缝的特征值的动态提取，实现结构破坏的及时预警。隧道机器视觉技术主要通过分析图像灰度变化及灰度阈值分割实现病害特征提取，若隧道出现表观病害，其周边的的图像灰度值会发生变化，选择合适的灰度阈值分割，提取特征边缘，并根据不同发展时段的灰度程度值，来达到动态监测病害变化的目的。采用非接触式监测，具有较好的可靠性和量程，可以实现衬砌裂缝的宽度测量精度需不大于0.02mm；可以通过预设监测方位和时间，实现较长距离、多处病害的同时监测。
（4）降雨量监测
采用雨量计监测地表大气降雨量。雨量计由承水器（漏斗）、储水筒（外筒）、储水瓶组成，并配有与其口径成比例的专用量杯。雨量计的种类很多，常见的有虹吸式雨量计、称重式雨量计、翻斗式雨量计和容栅双阀式雨量计等。隧道地表降雨量检测可采用翻斗式雨量计，安装于隧道进出洞门口，以及隧道地表顶部共4处，可采用太阳能电池板供电，以及无线传输。
（5）地下水位监测
富水区山岭隧道衬砌结构的破坏多数情况下都与外水压的作用有关，如果外水压力值过大会造成隧道衬砌结构开裂，出现漏水现象。地下水动态观测，利用简便的设备定期观测或用仪器自动、连续记录所观测的井、泉、水库等地下水点的水位、流量、水温等，并定期取样测试水化学成分。在监测地下水的同时，也要观测或搜集与其有关的气象水文资料，供进行系统的分析。
（6）衬砌背后水压监测
智能弦式渗压计可用于测量深层水压力，测量各种地质环境深层渗水压力(如边坡、大坝、衬砌水压力等)，钻孔埋设在岩层时可以测量深层土体内部孔隙水压力。水压力监测是指对隧洞衬砌承受的外水压力进行的监测，其目的是了解外水压力分布及其变化对结构的影响，也可通过外水压力变化分析管壁或衬砌的开裂和渗漏情况，并验证设计荷载，以判断隧道的安全状态，及时采取处治措施。
03结束语
文章在结构健康监测系统的基础上，增加了隧道水文地质环境监测项目，更符合目前更为关注的隧道水害问题，细分了结构健康和水文地质监测系统的各个构成组建，以及阐述了各监测项目的监测目的，监测方式，以及实现方式。目前实际工程表明结构健康监测系统能在运营隧道中有效地运行，能够通过长期不间断观测实时掌控隧道结构状态，确保结构安全。但仍需要进一步研究仪器精度和可靠度，其次是对结构健康监测系统预警阈值的研究，围岩的差异性、结构物的受力状态不同及修建完成交付后隧道不同阶段受力、变形的临界值也会有所不同，需要通过大量的数据及案例统计分析来设定。
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