健康监测系统在隧道结构中的应用研究

张方 汪博 韩晓健

0 引言

结构健康监测技术(Structure Health Monitoring，SHM)是“用最少的人力来实现对结构自动、连续的监测和观察”。其具体做法是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化，探测和评价结构的损伤，或者通过持续监测来发现结构的长期退化。对于土木工程结构，健康监测系统可监测结构在地震或者爆炸下的损伤，或者监测结构在周围环境以及人的活动下的长期损伤。这些信息可以为结构的安全评估提供重要参考，也可以用于结构的维护以及其剩余寿命的评估。通过对大型桥梁、隧道工程的长期健康监测和数字化管养系统，可以较全面地把握结构服役全过程的受力与损伤演化规律并给出相应的管养建议，是保障其服役安全的有效手段之一。

近年来无线传感技术、计算机信息技术、结构分析技术和桥梁隧道工程技术等相关学科的飞速发展，健康监测系统的思想和内容也得到了进一步的拓展与增强。除了传统的对于结构荷载监测外，将结构健康监测与日常管理、设施维护和应急处理等进行了深度整合，并且健康监测系统在其核心——结构安全，其内涵与外延都得到了扩展。

目前健康监测系统主要运用于桥梁结构，虽然大型隧道结构与大型桥梁在交通中拥有同样的地位，但限于隧道结构的特点，传统的结构健康监测系统还是具有一定的局限性，本文提供了一些解决的思路可供参考。

1 健康监测系统应用现状

健康监测技术最早起源于航空航天领域，最初的主要目的是用结构的载荷监测。20世纪50年代初，国外的桥梁工程专家就提出了桥梁结构安全健康监测的概念，但是由于测试技术、信息技术和其他相关技术的局限，难以实现桥梁结构状况的长期信息采集和状况评估。至20世纪80年代初，有科学家提出了智能材料与结构系统的概念，并通过先进传感技术、信息处理技术等的应用，使得结构系统能像生物体一样具有自感知、自诊断、自适应的生物仿真功能。

伴随着人们对于桥梁、隧道安全性和耐久性重视程度的提高，在20世纪80年代中后期，健康监测系统在桥梁方面得到了广泛地应用和发展，尤其是在特大型结构及桥梁方面。通过预测及时发现和消除危害性隐患，从而极大地提高关键工程结构构件的安全性和可靠性，解决了工程结构整个生命周期内安全监控难题。

1984年，北爱尔兰的Foyle Bridge(总长866 m，主跨234 m，三跨变高度连续钢箱梁桥)建成通车，其上安装了各种监测仪器和设备，并试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监测系统，该系统主要监测项目有:桥梁主跨挠度、气象数据、温度、应变等。1987年建成通车的美国佛罗里达的Sunshine Skyway Bridge是主跨366 m的斜拉桥，其上安装了各种传感器，用来测量在桥梁建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移。1997年，英国在其最大非对称独塔斜拉桥(主跨194 m)Flintshire Bridge上也进行了健康监测系统的实践。

健康监测系统可以通过对比结构在常态与灾后结构的状态快速确定损伤位置和损伤程度，并估算结构剩余寿命。这在地震灾害中作用尤其明显，如1994年，在美国加州发生的Northridge地震，花了巨资来探测钢结构节点的损伤，1995年的神户地震也碰到类似的情况。2001年，在Seattle附近发生了6．8级地震，虽然没有造成很严重的破坏，但它却提示我们必须为防止今后的地震破坏而维修结构。2008年，发生在我国汶川地区的8．0级地震给当地造成了巨大的人员与财产损失，大量结构受损，尤其是各种桥梁、隧道，给抗震救灾带来巨大的不便。这时，健康监测系统可以通过快速确定地震造成的结构损伤，包括隐藏在结构中的，从而降低地震灾害带来的损失。

近年来，由于无线传输技术的进步，健康监测系统变得更为实用、可靠。典型的代表是威斯康辛州Michigan Street Bridge，它始建于1920年具有悠久历史的提升式桥。在其建成85年后，安装了世界上第一套全桥远程监测系统，以监测将达到设计寿命的该桥梁裂缝扩展情况和其他桥梁状态的变化。美国联邦公路局(FHWA)资助其研究的无线桥梁整体评估与监测系统在该桥上得到了应用，该系统可监测包括位移、应变、转角、加速度等项目。

目前，世界各国都在其重要的桥梁结构上安装了健康监测系统，代表性的有丹麦、加拿大、日本、韩国等。丹麦的Great Belt East Suspension Bridge的结构监测系统拥有50通道温度、50通道沉降、20通道位移、2通道风速和42通道主缆锈蚀。加拿大的Confederation Bridge在其建设之初就安装了健康监测系统。日本在明石海峡大桥、南备赞獭户桥、柜石岛桥等也安装了健康监测系统。

虽然我国桥梁健康监测工作由于资金、技术等方面的原因起步较晚，始于20世纪90年代末，随着我国对外经济、文化、技术交流不断加深，交通基础设施、隧道和大型桥梁的投入迅速增加，以及多次大型工程事故的警示，健康监测系统的重要为人们所共识。健康监测系统在一些大城市率先开展了探索性的应用，并且逐步得到了广泛应用。上海先后在徐浦大桥、南浦大桥和卢浦大桥等成功实施了健康监测系统，江苏省在江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥、南京长江大桥和首个长江过江隧道等工程项目实施了长期健康监测，湖北省在武汉长江二桥、武汉阳逻长江公路大桥、宜昌长江大桥和武汉晴川桥等实施了针对桥梁结构健康状况的长期监测系统，我国香港特别行政区公路署对青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥实施了世界上规模最大的桥梁长期健康监测系统。

2 隧道结构健康监测系统

进入21世纪以来，由于先进测试技术的不断应用，新建特大型桥隧在设计阶段就已对健康监测系统周密规划，各种健康监测系统在我国隧道工程中正得到快速的发展。上海外环隧道的沉管剪力键位移监测，利用隧道内安装三向位移计，对沉管间三向位移进行实时监测。上海地铁四号线穿越地铁二号线工程的穿越段，安装了隧道纵向变形以及横向收敛变形监测系统，实时掌控已建隧道的安全状况，为分析穿越施工对已建隧道的影响提供了参考依据。长安大学吕康成教授根据激光基准测量原理，开发了激光隧道围岩位移实时监测系统，并成功应用于浙江杭金衙高速公路上的樊村二号隧道等隧道。王浩等开发了一套基于GIS的“隧道施工期间信息管理系统”。通过电子全站仪进行洞室围岩表面三维收敛变形的监测及数据处理，实现了数据的自动采集和实时传输，实时分析处理，检索及结论的可视化输出。莫海鸿等成功的利用GPRS技术，实现了对广州龙头山隧道的多参量自动化监测。

与桥梁结构类似，现代特大型跨江越海隧道一般处于交通要道，并且所处环境侵蚀、材料老化和超载超重荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等不利因素的耦合作用，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而导致抵抗自然灾害，甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下可能引发灾难性的突发事故。隧道工程的健康监测刚刚起步，国内完成的项目屈指可数。

桥梁结构通常可以通过其动态响应反映出其整体工作状态。隧道结构深埋于岩土之下，其结构与各种岩土紧密相关，固有频率、固有振型和模态阻尼等发生了显著的变化，无法像桥梁结构一样采用模态识别的方法对结构的损伤进行判断，只能通过传统的应变、位移测量反映其工作状态，具有很大的局限性。在此，本文提出将冲击回波无损检测技术(IES)整合入隧道健康监测系统，以进一步地增强其损伤识别、量测的能力，见图1。

图1 冲击回波无损检测的基本原理

此方法通过敲击混凝土表面，使其内部产生P波、S波以及表面产生R波，三种应力波。应力波在混凝土内部传播反射形成回波，通过传感器检测初始敲击产生的和反映形成的应力波，并计算和分析得到波在其内部传播所用时间，结合波速得到混凝土的厚度。该方法的优点在于不需要破坏混凝土，并且克服了传统的超声波检测技术需要在被测试面的另一侧设置声波接收装置的缺点，具有适用面广、检测准确的优点。1983年开始，美国NBS就已经开始了混凝土内部缺陷无损检测的研究工作。基于对已有测试技术的回顾，Carino和Sansalone(1984)开始研究固体的介质属性对于应力波传播特性的影响。Sansalone和Carino(1986)正式将应力波检测方法称之为“冲击回波”法。

冲击回波法应用广泛，Hsiao将其应用于混凝土砌块的检测，Lin等人总结了冲击回波测试中的一些经验。目前，冲击回波无损检测方法已经被写入了美国国家标准(NIST)，并且被美国ASTM和美国混凝土委员会所采用。

损伤检测则是进行结构健康监测的基础，这是健康监测的关键环节，一直以来都是非常活跃的研究领域。Sohn和Farrar在Rytler的研究基础上提出了损伤检测的5个层次:1)识别出结构中是否有损伤产生;2)确定损伤的位置;3)识别出损伤类型;4)量化损伤的严重程度;5)确定结构的剩余寿命。而目前开展的损伤研究中能达到第3、第4、第5层次的较少。

基于冲击回波技术的信号处理的损伤检测方法不需要识别结构的动力参数，而是通过直接对结构疑似损伤进行识别，并判断出损伤的严重程度。除采用先进的无损检测技术外，新型隧道健康监测系统还需具备以下特征:

1)先进传感器及无线传输技术的运用。传感技术与信号采集是健康监测系统的核心技术之一，由于隧道结构的特殊性，传统布线方法在信号传输的安全性和可能性方面均会存在不同程度的问题，本项目拟就多变量耦合传感技术及其无线传输技术进行研究。

2)形成运营管理、防灾减灾综合一体化解决方案。传统健康监测系统功能单一，已经不能满足日益复杂的交通环境需要。新型隧道健康监测系统需建立一套隧道健康状况综合评估体系，研究各种环境参数对于隧道结构的影响，形成完整的安全机制，保障隧道结构的安全运营。同时，在完全机制中建立防灾预警功能，减少突出事件、灾害等对于人身、财产安全的影响。

3)综合管养系统的应用。隧道的日常维护与管理是隧道运营时的主要工作，通过数字化网络的建立，对各管理部门工作流程、工作内容进行规范化，实现快速地信息沟通与共享，达到减员增效的目的。

4)物联网技术的综合运用。物联网(the Internet Of Things，IOT)是新一代信息技术的重要组成部分，即通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，按约定的协议，实现物与物、物与人的链接，实现对物品和过程的智能化感知、定位、跟踪、监控和管理。

利用物联网技术和隧道结构智能监测技术相结合将使隧道结构的安全监测系统发生质的飞跃，结构安全监测将从局部的、片面的监测发展到全局的、整体的监测以至预测，从而达到从整体上评估整条线路桥梁体系的健康状况的水平，实现城市桥群智能监测。

3 结语

健康监测系统主要应用于桥梁结构，本文通过对健康监测系统的发展情况回顾，并结合隧道结构的自身特点及混凝土结构无损检测技术，提出了健康监测系统在隧道结构的应用方法，对于隧道系统的运营安全及城市防灾减灾等具有一定的参考意义。

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