健康监测系统应用在隧道工程中的重要性

曹雪萍

摘要:隧道安全关系到人类生命安全和社会经济活动,及时掌握隧道结构健康状态是确保隧道安全的重要前提。本文在详细分析结构健康监测的概念和系统组成的基础上,结合隧道结构的具体特点,提出了隧道结构健康监测的定义,分析了隧道结构健康监测系统的特点、作用和设计原则。

关键词:隧道 健康 监测

中图分类号:U45文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0103-02

1 引言

隧道工程的安全关系着人类生命安全和社会经济活动,由隧道地质条件恶化、结构失稳和退化所造成的崩塌、火灾等事故,严重威胁着隧道安全。

诸多隧道事故,以血的教训告诉世人,对隧道结构的健康状况做出评估是非常必要的,实时地监测和预报结构的性能,及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度,预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维修决定,合理疏散人民群众,对提高工程结构的运营效率,保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。因此,为了确保隧道结构的安全稳定,有必要采取一系列措施,实时监测隧道结构的健康状态,预警事故的发生。

2 结构健康监测概述

结构健康监测是指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到监测结构损伤或退化的目的。

结构健康监测技术研究的目的就是通过结构中的传感器网络来实时获取结构对环境激励(人为的或自然的)的响应,并从中提取结构的损伤和老化信息,为结构的使用和维修工作提供参考,因而可降低维修费用,预报灾难性事件的发生,将损失降低至最小。

结构健康监测的关键,就技术上而言,主要是先进传感器的优化布设和信息的高效传输;就理论上而言,主要是结构损伤识别理论和状态评估理论的发展。

因此,健康监测将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测,转变为在线、动态、实时的监测与控制,这将导致结构工程安全监控、防灾减灾领域的一场革命。可见,结构健康监测是一门综合性技术,涉及到结构力学、信息技术、传感器技术、优化设计等多个学科。

一个完善的智能健康监测专家系统简单来说可以分为3个部分,即信号采集、信号处理和损伤诊断。其中,损伤诊断是健康监测的核心问题,是对结构进行安全性评估和维护决策的基础。一般,健康监测系统应包括以下几个部分:

2.1 传感系统

由传感器、一次仪表及高可靠性的工控机等部分组成,用于将待测物理量转变为电信号。

2.2 信号采集与处理系统

一般安装于待测结构中,实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理,并根据系统功能要求对数据进行分解变换以获取所需要的参数,以一定的形式存储起来。

2.3 通信系统

将处理过的数据传输到监控中心。

2.4 监控中心和报警设施

利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断,判断结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。传感器监测到的实时信号,经过采集与处理,由通信系统传送到监控中心进行分析,判断损伤的发生、位置、程度,从而对结构的健康状况作出评估,一旦发现异常,发出报警信息。

3 隧道健康系统介绍

隧道的构成体系,尤其是以新奥法为代表的现代隧道构成体系,并不是单纯的钢筋混凝土结构,围岩在隧道结构中扮演了极为重要的角色,这也是隧道结构健康监测区别于其它如结构健康监测的一个本质特征。

隧道结构体系是由围岩、初次衬砌、一次衬砌组成的复合体。在通常情况下,围岩是主要的承载单元,而支护结构是辅助性的,但也是不可缺少的,在某些特殊情况下,支护结构成为主要的承载单元。支护结构的基本作用在于:保持坑道断面的使用净空;防止围岩状态的进一步恶化;承受可能出现的各种荷载;使隧道支护体系有足够的安全度。

因此在进行隧道结构健康监测时,要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用,这是隧道结构健康监测的主要对象,而判断隧道结构健康的标准便是隧道的稳定性。

所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零,其最终位移不侵入限界,支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损,更不能发生大范围的坍塌。因此,“隧道稳定性”是指由人工支护结构与其周围一定范围内的地层(围岩)组成的“支护系统”的稳定程度。

根据上述隧道支护系统的特点以及隧道结构健康的标准,可将隧道结构健康监测(Tunnel Structural Health Monitoring,简称TSHM)定义为“利用现场的无损传感技术,通过隧道系统的特征分析,监测隧道支护系统损伤(或退化),分析发生损伤(或退化)的地点、程度和原因,并对隧道整体的健康状态做出评价”。按照这个定义,一个完整的隧道结构健康监测系统(Tunnel Structural Health Monitoring System,简称TSHMS)就应当由监测、诊断和状态评价等三个部分组成,见图1。

与一般构筑物不同,TSHMS的范围不再仅仅局限于结构的损伤或退化,而是扩大至整个支护系统。对于桥梁、建筑这类构筑物而言,其结构主要由钢筋、混凝土等材料组成,因而质地均一、排布有序,便于监测和分析。但对于隧道而言,其支护体系中除了支护结构是人工材料之外,围岩完全是自然地层的一部分,成分复杂难以分析,并且常伴有断层存在。因此,TSHMS比一般意义上的结构健康监测系统更为复杂,不仅将监测的范围从支护结构扩展至隧道围岩,并且监测和诊断的难度也由于围岩成分复杂而大大增加。

目前,隧道围岩变形量测的方法虽然很多,但基本都停留在施工监测阶段。由于隧道建成后围岩被支护结构封闭,难以量测,因而隧道运营期间的结构健康监测以支护结构,尤其是一次衬砌的变形量测为主,通过量测支护结构的变形状态,推测围岩与支护结构之间的作用关系,间接获得围岩的活动情况。

4 隧道健康系统设计原则

隧道健康监测预期总体目标是:通过对隧道工程的研究、试验建立一套适用于隧道结构健康与安全监控系统,研究成果可直接服务于隧道结构健康与安全监控系统的设计,能够为隧道设计提供基础信息资料,验证设计理论,为隧道的运营管理服务。同时可为同类隧道的健康与安全监控系统研究积累经验。

设计隧道结构健康监测系统时,要综合考虑系统的功能要求和经济要求两个方面,需要依照“合理、有效、经济”的原则进行系统设计。

所谓“合理”,即结合隧道实际情况,明确系统设计目标,不能求大、求全,而应当务求实用。

所谓“有效”,即应当针对隧道具体情况进行系统设计,如项目选取、测点布置、线路布设等,从技术角度出发,保证系统使用功能的实现。

所谓“经济”,即在满足系统使用功能实现的基础上,对可以使用的各种监测技术进行成本(效益)分析,从经济上实现监测系统的优化选择。

日前可用于隧道结构健康监测的仪器元件,从原理上而言,主要有3种形式:振弦式、电阻式、光纤光栅式。这些仪器元件在性能、效果、经济等各方面均有所不同,因此需要根据实际工程需要具体选择。一般仪器选择应遵循以下原则:

第一,防水、防潮,即适宜在含水或潮湿环境下工作,且工作稳定。电阻应变片式传感器在这方面相对较差。

第二,防腐蚀性强。此时不仅要考虑传感器元件的防腐蚀性,而且也应当考虑传感器接头与传输线路的防腐蚀能力。

第三,耐用性。光纤传感技术和振弦式传感技术相对较好。

第四,抗干扰能力强。

第五,能实现长距离自动监测。

第六,埋设方便。

隧道结构健康监测断面布设应遵循如下原则:一是实施的各监测项目应尽量集中布设于几个断面,以便相互印证。二是遇有不良地质体,如断层破碎带、风化槽等,应当在断层上、下盘,或者风化槽内、外分别对应布设监测断面,以便对比分析。三是在隧道结构断面变化处、隧道开挖工法变化较大处、地层条件变化较大处等可能出现隧道结构纵向不均匀变形的地段,建议分别对应布设监测断面,以了解隧道结构纵向稳定性。四是为保证监测系统可靠性,可在某些重要位置布设两套传感元件,以便数据可互相印证,确保其可靠性,并避免一套出问题后,无法对该重点部位进行监控的情况。

一般而言,进行隧道结构健康监测系统设计,可按图2所示流程进行。

5 结论

由于隧道工程环境的特殊性与复杂性,因此为保证隧道运营安全,必须对隧道进行长期的结构健康监测,以此了解隧道结构在复杂环境中的受力变化状况,从而及时了解隧道结构损伤位置及损伤程度,进而对结构安全状况做出评估并加以有效处理。

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