方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

汪文兵

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

1 概述

隨著國內公路隧道建設規(guī)模和運營里程的逐年遞增，既有隧道因不良地質原因導致病害逐年增多，圍巖劣化導致外部荷載變化的因素影響較大。對于重大隧道結構病害或隱患，如不能及時發(fā)現和加固維修，其進一步惡化將嚴重威脅運營安全。

對隧道結構關鍵狀態(tài)參數、指標進行長期、實時和系統(tǒng)地監(jiān)測對于及時發(fā)現險情和動態(tài)預警至關重要，并可為隧道結構技術狀況評定和維修養(yǎng)護決策提供重要的數據支撐。通過長期監(jiān)測結合人工檢查的方式對隧道結構狀態(tài)進行評估，有助于掌握隧道長期性能變化，輔助管理部門制定合理、主動和預防性的養(yǎng)護與管理措施，有效降低隧道的運營養(yǎng)護成本，延長隧道的使用年限。

我國現開展長期監(jiān)測的隧道工程還不多，大多數隧道的施工期監(jiān)測都未能延續(xù)至運營期。研究以重慶市方斗山隧道為例，依據其運營后的病害發(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、結構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)總體設計

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，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，沿線地貌受地質構造、地層巖性的控制明顯。區(qū)內地下水因受巖性、構造及地形條件控制，富集與分布極不均勻。隧道自2014 年通車以來，由于特殊地質條件、施工缺陷等各種原因，隧道內出現了比較嚴重的混凝土腐蝕、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)設計的思路

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)旨在基于預防性養(yǎng)護監(jiān)管的理念，自動化監(jiān)測結構內力和荷載狀態(tài)，通過對系統(tǒng)采集數據的處理和分析，在識別隧道局部表觀損傷和結構破壞的基礎上進行自動化在線預警。一般而言，隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的建設內容包括方案深化設計、硬件設備采購和軟件開發(fā)，再根據全壽命監(jiān)測的理念開展系統(tǒng)安裝與應用，并負責缺陷責任期內的系統(tǒng)全面維護與培訓。

針對方斗山隧道的運營環(huán)境和結構的特點，將結構面臨的危險源劃分為結構損傷和結構狀態(tài)不利性改變兩大類，并根據當前技術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，服務于隧道的長期運營和管養(yǎng)。而其結構狀態(tài)的不利性改變主要通過自動化結構長期監(jiān)測系統(tǒng)實現動態(tài)和實時地監(jiān)測，據此推斷全隧道的結構運營能力，重點在于對隧道結構整體或局部內在受力及狀態(tài)變化的及時掌控。

2.3 系統(tǒng)設計的原則

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)作為一種集高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程，涵蓋了結構分析計算、計算機技術、通信網絡技術以及傳感器技術等。方案的設計遵循可靠性、先進性、安全性、完整性、可維護和可擴展性以及經濟性原則[2]。

系統(tǒng)的可靠性體現為其涉及的傳感元件和諸多系統(tǒng)集成設備的可靠性。系統(tǒng)的先進性旨在滿足日益變化的運營管理的潛在需求。安全性具體表現在使用人權限的設置和系統(tǒng)防更改和共享功能的審查。系統(tǒng)完整性既要求監(jiān)測過程應內容完整、邏輯嚴密，各功能模塊之間獨立但相互關聯(lián)，從而避免因故障產生聯(lián)動影響。可維護性和可擴展性即系統(tǒng)應具備功能和預備容量的擴充和升級的能力。經濟性原則能保證方案設計在滿足工程實際需要的同時兼具良好的性價比。

2.4 系統(tǒng)設計的目的

方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)建設的主要目的為：①環(huán)境變化監(jiān)測：對隧道內環(huán)境如溫濕度等進行監(jiān)測，及時了解隧道內運營環(huán)境狀況；②隧道結構監(jiān)測：結構變形監(jiān)測包括結構斷面收斂、拱頂沉降。結構裂縫監(jiān)測包括裂縫變形檢查、裂縫發(fā)展變化趨勢及其速度。襯砌結構荷載狀況包括隧道襯砌內力等；③記錄隧道可能經歷的重大事故歷程，如：地震、火災以及被車撞擊情況下的狀況，并判斷隧道是否因此而出現損傷；④引入定期測量檢查管理模塊，該管理模塊是隧道正常運營的保障之一，同時也是自動化監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充。按照規(guī)范提供人工測量檢查內容表格、檢查指標的評定標準，使現場數據采集更明確，數據記錄更規(guī)范、標準；⑤根據所獲得的信息，對隧道結構進行狀態(tài)評估；⑥在系統(tǒng)投入使用初期，重點結合監(jiān)測系統(tǒng)測得的信息，建立起精確可靠的預測模式，為長期穩(wěn)定的檢查維護計劃制定做準備[3]；⑦在隧道整個設計使用壽命內，確保隧道安全可靠運營，使維護管理費用保持在相對較低的穩(wěn)定水平；⑧根據對結構的評估結果設置預警閾值，在結構發(fā)生異常情況或者結構內部出現異常事件的情況下，能及時向管理部門提供預警信息。

2.5 系統(tǒng)設計的方案與功能

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構安全的關鍵參數，系統(tǒng)設計技術方案如圖2 所示。結合專家意見以研究各種危險性因素及其相互關系，通過評估技術識別有關隧道安全的各種因素并進行分類，再根據其危害程度和時間相關性采取適當的處理措施。

圖2 方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)技術方案框圖

監(jiān)測系統(tǒng)對直接危險性因素能及時預警和報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化，確保隧道結構安全運營并延長隧道的服役年限。方斗山長期監(jiān)測系統(tǒng)功能框架設計如圖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)實現的關鍵技術

隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)投諸運行的關鍵在于系統(tǒng)的開發(fā)技術、開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境的實現。方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)技術囊括了虛擬化技術、云計算技術、VR 三維全景技術、HTML5 技術和SOA 體系架構技術。虛擬化技術可簡化數據中心管理，提高隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)擴展性和設備復用性，以此為基礎的云計算技術則能最大效率地實現監(jiān)測系統(tǒng)的快速評估分析計算。同時，HTML5 技術和SOA 軟件體系架構技術則賦予了隧道監(jiān)測系統(tǒng)軟件的優(yōu)質兼容性、可用性和良好的交互操作性，增強監(jiān)測系統(tǒng)用戶的良好體驗。而VR 三維全景技術能提供全景式的隧道結構和監(jiān)測信息，極大提高隧道信息管理集成度。

基于以上技術優(yōu)勢的監(jiān)測系統(tǒng)還需要適用的開發(fā)環(huán)境和運行環(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，以實現系統(tǒng)的完備功能和各種人機交互平臺上的優(yōu)良體驗。

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)交通荷載以及結構的響應、局部損傷等信息，根據監(jiān)（檢）測信息進行評估并定期掌握隧道內行車安全和結構安全的狀態(tài)信息，為隧道的安全、高效、經濟運營提供管養(yǎng)決策時的技術支持。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)測點布置主要集中于隧道支護結構和周邊環(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病害段、其他段和環(huán)境監(jiān)測，前兩項監(jiān)測項目包括襯砌裂縫、拱頂下沉、周邊位移和襯砌應力，監(jiān)測方法如圖5～圖7 所示；環(huán)境監(jiān)測項目包括溫濕度、排水溝水流量和隧道降雨量，采用對應傳感器或裝置進行量測。

圖5 拱頂下沉和周邊位移收斂監(jiān)測的傳感器布置

圖6 隧道結構裂縫監(jiān)測的裂縫計布置

圖7 襯砌應力監(jiān)測的應變計布置

各類傳感器采集的監(jiān)測數據由分布在隧道外場的數據采集站通過光纖以太網傳輸網絡傳送至云監(jiān)測平臺，以互聯(lián)網實現與云監(jiān)測平臺的通信和數據交互。

3.2 云監(jiān)測與數據采集子系統(tǒng)

方斗山隧道云監(jiān)測與數據采集子系統(tǒng)可實現現場采集數據的一體化采集、轉發(fā)、存儲和分析展示，其主要基于物聯(lián)網、云計算和大數據技術，以結構監(jiān)測為應用場景，由硬件（傳感器、網關）、云服務器、終端軟件構成結構監(jiān)測閉環(huán)生態(tài)圈。子系統(tǒng)為隧道長期運營提供監(jiān)測云服務的渠道包括WEB 平臺和APP 應用等，并可有選擇性地對用戶開放模塊，如GIS 地圖集成管理、實時監(jiān)測數據查看、歷史數據查看和下載、數據分析報告、監(jiān)測預警、終端設備遠程監(jiān)控等。

3.3 數據儲存與管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)采用海量數據存儲管理解決方案，解決的是整個長期監(jiān)測系統(tǒng)的海量監(jiān)測數據管理問題，實現對原始數據、處理數據、統(tǒng)計數據、大數據倉庫等的管理功能，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。其主要包括數據存儲管理和數據預處理和二次處理兩個部分。數據存儲管理實現對所有數據的存儲管理、為用戶提供快速便捷的數據訪問途徑，為大數據分析提供數據倉庫，并完成對歷史數據的歸檔和備份還原；數據預處理和二次處理實現剔除原始數據中的奇異值，進行二次處理分析統(tǒng)計，包括在線數據分析和離線高級數據分析，并為數據倉庫提供基礎數據來源。

圖8 大數據分析部分典型界面

3.4 結構預警報警子系統(tǒng)

安全預警報警系統(tǒng)是長期監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能組件，通過監(jiān)測預警能夠使隧道管養(yǎng)單位對異常情況及時做出反應，采取相應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)的預警報警子系統(tǒng)在分析巡視信息及周邊監(jiān)測項目變化情況的基礎上，根據監(jiān)測數據、變化速率與控制值之間的相對關系，綜合界定數據是否異常，子系統(tǒng)體系如圖9 所示。

圖9 預警系統(tǒng)體系結構框圖

4 結論

文章結合方斗山隧道實例對既有公路隧道長期運營監(jiān)測系統(tǒng)的設計進行了一定探索，從設計思路、設計原則、設計方案與功能及實現的關鍵技術等方面加以闡述，并對構成隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的各主要子系統(tǒng)的功能及設計要點作了說明。方斗山隧道長期監(jiān)測系統(tǒng)的設計實踐可為類似隧道監(jiān)測系統(tǒng)提供技術參考。