健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

張方 汪博 韓曉健

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)(Structure Health Monitoring，SHM)是“用最少的人力來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)自動(dòng)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)和觀察”。其具體做法是通過測(cè)量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化，探測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷，或者通過持續(xù)監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期退化。對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在地震或者爆炸下的損傷，或者監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在周圍環(huán)境以及人的活動(dòng)下的長(zhǎng)期損傷。這些信息可以為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供重要參考，也可以用于結(jié)構(gòu)的維護(hù)以及其剩余壽命的評(píng)估。通過對(duì)大型橋梁、隧道工程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)和數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)，可以較全面地把握結(jié)構(gòu)服役全過程的受力與損傷演化規(guī)律并給出相應(yīng)的管養(yǎng)建議，是保障其服役安全的有效手段之一。

近年來無線傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和橋梁隧道工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的思想和內(nèi)容也得到了進(jìn)一步的拓展與增強(qiáng)。除了傳統(tǒng)的對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測(cè)外，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與日常管理、設(shè)施維護(hù)和應(yīng)急處理等進(jìn)行了深度整合，并且健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在其核心——結(jié)構(gòu)安全，其內(nèi)涵與外延都得到了擴(kuò)展。

目前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)，雖然大型隧道結(jié)構(gòu)與大型橋梁在交通中擁有同樣的地位，但限于隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是具有一定的局限性，本文提供了一些解決的思路可供參考。

1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

健康監(jiān)測(cè)技術(shù)最早起源于航空航天領(lǐng)域，最初的主要目的是用結(jié)構(gòu)的載荷監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)50年代初，國(guó)外的橋梁工程專家就提出了橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)的概念，但是由于測(cè)試技術(shù)、信息技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的局限，難以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的長(zhǎng)期信息采集和狀況評(píng)估。至20世紀(jì)80年代初，有科學(xué)家提出了智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念，并通過先進(jìn)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等的應(yīng)用，使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能像生物體一樣具有自感知、自診斷、自適應(yīng)的生物仿真功能。

伴隨著人們對(duì)于橋梁、隧道安全性和耐久性重視程度的提高，在20世紀(jì)80年代中后期，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁方面得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展，尤其是在特大型結(jié)構(gòu)及橋梁方面。通過預(yù)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除危害性隱患，從而極大地提高關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性和可靠性，解決了工程結(jié)構(gòu)整個(gè)生命周期內(nèi)安全監(jiān)控難題。

1984年，北愛爾蘭的Foyle Bridge(總長(zhǎng)866 m，主跨234 m，三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋)建成通車，其上安裝了各種監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備，并試圖探索一套有效的、可廣泛應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有:橋梁主跨撓度、氣象數(shù)據(jù)、溫度、應(yīng)變等。1987年建成通車的美國(guó)佛羅里達(dá)的Sunshine Skyway Bridge是主跨366 m的斜拉橋，其上安裝了各種傳感器，用來測(cè)量在橋梁建設(shè)過程中和建成后橋梁的溫度、應(yīng)變及位移。1997年，英國(guó)在其最大非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋(主跨194 m)Flintshire Bridge上也進(jìn)行了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過對(duì)比結(jié)構(gòu)在常態(tài)與災(zāi)后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)快速確定損傷位置和損傷程度，并估算結(jié)構(gòu)剩余壽命。這在地震災(zāi)害中作用尤其明顯，如1994年，在美國(guó)加州發(fā)生的Northridge地震，花了巨資來探測(cè)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的損傷，1995年的神戶地震也碰到類似的情況。2001年，在Seattle附近發(fā)生了6．8級(jí)地震，雖然沒有造成很嚴(yán)重的破壞，但它卻提示我們必須為防止今后的地震破壞而維修結(jié)構(gòu)。2008年，發(fā)生在我國(guó)汶川地區(qū)的8．0級(jí)地震給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮娜藛T與財(cái)產(chǎn)損失，大量結(jié)構(gòu)受損，尤其是各種橋梁、隧道，給抗震救災(zāi)帶來巨大的不便。這時(shí)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過快速確定地震造成的結(jié)構(gòu)損傷，包括隱藏在結(jié)構(gòu)中的，從而降低地震災(zāi)害帶來的損失。

近年來，由于無線傳輸技術(shù)的進(jìn)步，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得更為實(shí)用、可靠。典型的代表是威斯康辛州Michigan Street Bridge，它始建于1920年具有悠久歷史的提升式橋。在其建成85年后，安裝了世界上第一套全橋遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)將達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的該橋梁裂縫擴(kuò)展情況和其他橋梁狀態(tài)的變化。美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)資助其研究的無線橋梁整體評(píng)估與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該橋上得到了應(yīng)用，該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)包括位移、應(yīng)變、轉(zhuǎn)角、加速度等項(xiàng)目。

目前，世界各國(guó)都在其重要的橋梁結(jié)構(gòu)上安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，代表性的有丹麥、加拿大、日本、韓國(guó)等。丹麥的Great Belt East Suspension Bridge的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有50通道溫度、50通道沉降、20通道位移、2通道風(fēng)速和42通道主纜銹蝕。加拿大的Confederation Bridge在其建設(shè)之初就安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。日本在明石海峽大橋、南備贊獺戶橋、柜石島橋等也安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

雖然我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)工作由于資金、技術(shù)等方面的原因起步較晚，始于20世紀(jì)90年代末，隨著我國(guó)對(duì)外經(jīng)濟(jì)、文化、技術(shù)交流不斷加深，交通基礎(chǔ)設(shè)施、隧道和大型橋梁的投入迅速增加，以及多次大型工程事故的警示，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要為人們所共識(shí)。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在一些大城市率先開展了探索性的應(yīng)用，并且逐步得到了廣泛應(yīng)用。上海先后在徐浦大橋、南浦大橋和盧浦大橋等成功實(shí)施了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，江蘇省在江陰長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江二橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋和首個(gè)長(zhǎng)江過江隧道等工程項(xiàng)目實(shí)施了長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，湖北省在武漢長(zhǎng)江二橋、武漢陽邏長(zhǎng)江公路大橋、宜昌長(zhǎng)江大橋和武漢晴川橋等實(shí)施了針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我國(guó)香港特別行政區(qū)公路署對(duì)青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋?qū)嵤┝耸澜缟弦?guī)模最大的橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的不斷應(yīng)用，新建特大型橋隧在設(shè)計(jì)階段就已對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周密規(guī)劃，各種健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)隧道工程中正得到快速的發(fā)展。上海外環(huán)隧道的沉管剪力鍵位移監(jiān)測(cè)，利用隧道內(nèi)安裝三向位移計(jì)，對(duì)沉管間三向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上海地鐵四號(hào)線穿越地鐵二號(hào)線工程的穿越段，安裝了隧道縱向變形以及橫向收斂變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌控已建隧道的安全狀況，為分析穿越施工對(duì)已建隧道的影響提供了參考依據(jù)。長(zhǎng)安大學(xué)呂康成教授根據(jù)激光基準(zhǔn)測(cè)量原理，開發(fā)了激光隧道圍巖位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于浙江杭金衙高速公路上的樊村二號(hào)隧道等隧道。王浩等開發(fā)了一套基于GIS的“隧道施工期間信息管理系統(tǒng)”。通過電子全站儀進(jìn)行洞室圍巖表面三維收斂變形的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)時(shí)分析處理，檢索及結(jié)論的可視化輸出。莫海鴻等成功的利用GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣州龍頭山隧道的多參量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

與橋梁結(jié)構(gòu)類似，現(xiàn)代特大型跨江越海隧道一般處于交通要道，并且所處環(huán)境侵蝕、材料老化和超載超重荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等不利因素的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而導(dǎo)致抵抗自然災(zāi)害，甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下可能引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。隧道工程的健康監(jiān)測(cè)剛剛起步，國(guó)內(nèi)完成的項(xiàng)目屈指可數(shù)。

橋梁結(jié)構(gòu)通常可以通過其動(dòng)態(tài)響應(yīng)反映出其整體工作狀態(tài)。隧道結(jié)構(gòu)深埋于巖土之下，其結(jié)構(gòu)與各種巖土緊密相關(guān)，固有頻率、固有振型和模態(tài)阻尼等發(fā)生了顯著的變化，無法像橋梁結(jié)構(gòu)一樣采用模態(tài)識(shí)別的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行判斷，只能通過傳統(tǒng)的應(yīng)變、位移測(cè)量反映其工作狀態(tài)，具有很大的局限性。在此，本文提出將沖擊回波無損檢測(cè)技術(shù)(IES)整合入隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以進(jìn)一步地增強(qiáng)其損傷識(shí)別、量測(cè)的能力，見圖1。

圖1 沖擊回波無損檢測(cè)的基本原理

此方法通過敲擊混凝土表面，使其內(nèi)部產(chǎn)生P波、S波以及表面產(chǎn)生R波，三種應(yīng)力波。應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部傳播反射形成回波，通過傳感器檢測(cè)初始敲擊產(chǎn)生的和反映形成的應(yīng)力波，并計(jì)算和分析得到波在其內(nèi)部傳播所用時(shí)間，結(jié)合波速得到混凝土的厚度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要破壞混凝土，并且克服了傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)需要在被測(cè)試面的另一側(cè)設(shè)置聲波接收裝置的缺點(diǎn)，具有適用面廣、檢測(cè)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。1983年開始，美國(guó)NBS就已經(jīng)開始了混凝土內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)的研究工作。基于對(duì)已有測(cè)試技術(shù)的回顧，Carino和Sansalone(1984)開始研究固體的介質(zhì)屬性對(duì)于應(yīng)力波傳播特性的影響。Sansalone和Carino(1986)正式將應(yīng)力波檢測(cè)方法稱之為“沖擊回波”法。

沖擊回波法應(yīng)用廣泛，Hsiao將其應(yīng)用于混凝土砌塊的檢測(cè)，Lin等人總結(jié)了沖擊回波測(cè)試中的一些經(jīng)驗(yàn)。目前，沖擊回波無損檢測(cè)方法已經(jīng)被寫入了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(NIST)，并且被美國(guó)ASTM和美國(guó)混凝土委員會(huì)所采用。

損傷檢測(cè)則是進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，這是健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直以來都是非?；钴S的研究領(lǐng)域。Sohn和Farrar在Rytler的研究基礎(chǔ)上提出了損傷檢測(cè)的5個(gè)層次:1)識(shí)別出結(jié)構(gòu)中是否有損傷產(chǎn)生;2)確定損傷的位置;3)識(shí)別出損傷類型;4)量化損傷的嚴(yán)重程度;5)確定結(jié)構(gòu)的剩余壽命。而目前開展的損傷研究中能達(dá)到第3、第4、第5層次的較少。

基于沖擊回波技術(shù)的信號(hào)處理的損傷檢測(cè)方法不需要識(shí)別結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)，而是通過直接對(duì)結(jié)構(gòu)疑似損傷進(jìn)行識(shí)別，并判斷出損傷的嚴(yán)重程度。除采用先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)外，新型隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需具備以下特征:

1)先進(jìn)傳感器及無線傳輸技術(shù)的運(yùn)用。傳感技術(shù)與信號(hào)采集是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)布線方法在信號(hào)傳輸?shù)陌踩院涂赡苄苑矫婢鶗?huì)存在不同程度的問題，本項(xiàng)目擬就多變量耦合傳感技術(shù)及其無線傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。

2)形成運(yùn)營(yíng)管理、防災(zāi)減災(zāi)綜合一體化解決方案。傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能單一，已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的交通環(huán)境需要。新型隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需建立一套隧道健康狀況綜合評(píng)估體系，研究各種環(huán)境參數(shù)對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)的影響，形成完整的安全機(jī)制，保障隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，在完全機(jī)制中建立防災(zāi)預(yù)警功能，減少突出事件、災(zāi)害等對(duì)于人身、財(cái)產(chǎn)安全的影響。

3)綜合管養(yǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。隧道的日常維護(hù)與管理是隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)的主要工作，通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的建立，對(duì)各管理部門工作流程、工作內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)快速地信息溝通與共享，達(dá)到減員增效的目的。

4)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合運(yùn)用。物聯(lián)網(wǎng)(the Internet Of Things，IOT)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，即通過傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合將使隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的飛躍，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)將從局部的、片面的監(jiān)測(cè)發(fā)展到全局的、整體的監(jiān)測(cè)以至預(yù)測(cè)，從而達(dá)到從整體上評(píng)估整條線路橋梁體系的健康狀況的水平，實(shí)現(xiàn)城市橋群智能監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，本文通過對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展情況回顧，并結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)及混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)，提出了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方法，對(duì)于隧道系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全及城市防災(zāi)減災(zāi)等具有一定的參考意義。

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