地下工程检测与测试技术发展趋势及本科课程改革研究

周 彪

（同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092；同济大学土木工程学院地下建筑与工程系 上海 200092）

随着我国城市化进程、能源开发进程逐步加快，以及“一带一路”等倡议不断推进，亟须建设大量轨道交通、地下厂房、能源及输水管网，地下空间开发及地下工程建设正朝网络化及深层化方向发展，对支撑国家社会经济发展起到日益重要的作用。然而，由于地下工程隐蔽性、复杂性的特点，工程建设及运营风险日益增高，传统监测和测试技术已逐渐不能满足地下工程建设和运维发展需求。

为推动本科教学适应地下工程测试与监测技术学科发展趋势及技术变革需求，综合学生创新能力及工程实践能力培养需求，打造适应未来土木工程所需的复合型人才，亟须在本科课程教学中向学生传授监测与测试技术的新方法新原理，引入新技术及新装备，阐述新应用，驱使学生了解技术发展动态，为将来引领未来技术变革和产业进步奠定基础。

为此，本文拟在分析地下工程监测与测试技术特点及发展趋势的基础上，结合思政教育及知识体系培养需求出发，以测试原理与方法、技术与装备、典型工程应用为主线，体系性地讲述地震波、探地雷达、激光扫描及光纤测试等原理、介绍相关技术与装备在桩基工程、基坑工程、盾构工程等领域的应用，构建形成了地下工程监测与测试技术课程体系。

1 地下工程特点及监测与测试技术发展趋势

1.1 地下工程的特点

地下工程建造于岩土体介质中，岩土体属于固—液—气三相介质，在受外部荷载及地下水赋存等环境变化作用下，岩土体物理力学性质具有复杂多变性，导致岩土介质与结构复杂的相互作用也呈现不可预测性，衍生出建造和运营阶段大量风险。

其中，在地下工程建设阶段，安全隐患的孕育和发展具有隐蔽性，导致安全事故的发生具有突发性。以日本福冈一主干道下方地铁建设隧道坍塌事故为例，虽然在地铁开挖施工过程中对地面道路进行了变形跟踪监测，以反馈地层扰动及周边环境影响水平。但由于道路路面及路基层刚度过大，导致路面沉降未能及时有效地反映下部地层损失及土层变形，当变形超过阈值后产生了突发性的地铁坍塌事故，产生了恶劣的社会影响和巨大的经济损失，对监测广度和深度都提出了新的要求。

在运营期，以山岭隧道为例，随着运营年限的增长，随着隧道壁后岩土体性质、地下水赋存环境等发生变化，易导致岩土体产生滑移、大变形，壁后空洞等施工期缺陷也会逐步恶化，间接引起衬砌开裂、脱落等事故。近期在四川发生的隧道衬砌塌落事故就没有得到有效的预警，导致1 人死亡，类似事故随着运营年限增长逐步增多，运维压力逐步显现，对于快速化全域化测试技术需求日益迫切。

为此，随着地下空间朝网络化及深层化发展，地下工程建造体量逐步增大，工程寿命及运营时间逐渐增长，地下工程风险也与日俱增，相关监测与测试技术也亟须更新迭代，以满足地下工程安全建造与运维需求。

1.2 监测与测试技术发展趋势

鉴于地下空间及工程自身及环境因素的复杂性，邻近工程影响的日益增多，地下工程监测与测试技术发展也发生深刻的变化。呈现测试参量由少变多、测试范围由小变大、测试周期由短周期向全寿命周期转变。同时，随着风险防控由被动朝主动方向转变，监测和测试也由早期仅满足被动监测与测试要求，朝测控同步发现转变。

具体而言，监测与测试参量逐步增多，从原有聚焦变形与应力、应变等单一及有限量的物理量外，到当前监测与测试过程中还需综合考量环境因素、强度等与地下工程性能演化过程相关的参量，特别是在考虑测控同步应用的场景中，还需对控制参数进行测试与反馈；测试区域由小变大，由原先重点关注结构及表观参量之外，逐步过渡到综合考虑结构壁后岩土体隐患及结构内部缺陷的精细化测试，形成了诸如移动检测车等快速化广域检测技术与装备体系。同时地下空间全寿命周期的测试的应用也日益增多，对重难点区域与对象开展实时化监测，发展了全寿命期数字化监测与智能感知等系统。

为适应上述测试需求的转变和技术发展的需求，监测与测试技术本身正朝高精度、小型化、自动化、集成化、智能化及远程化方向发展。开发了大量高精度传感元件并实现了小型化，并在测试系统和实施过程中，通过加强自动化、集成化水平，推进地下空间风险管控“一屏纵览”等系统的开发与应用，可实现远程访问与反馈控制。同时，随着智能化技术的发展，在既有系统开发基础上，数据分析及反馈控制方面智能化技术应用也日益广泛。

2 本科教学及培养需求

2.1 思政教育

地下工程体量大，大量的工程均为国家重点工程，受众广、社会经济价值大，是体现我国基建强国的重要载体。在本科教育阶段，学生正处于职业荣誉感及使命感培养的重要阶段，应加强思政教育，灌输监测和测试过程中“人”的决策和使命对于确保工程安全、实现重大工程高品质建造的重要作用，体现监测与测试技术对推进技术进步及国家重大工程的重要地位，促使学生建立对推进国家建设、丰富和发展地下空间、推进地下历史文化遗存保护等方面的情怀与使命担当，增强学生学习的自信心以及对于未来从事行业的荣誉感和自豪感。

2.2 技术教学

传统的监测与测试技术教学是以监测系统与方法为主体，以培养实践能力为主要目标，内容主要包含传感器及其标定、监测及测试组成、典型工程监测与测试项目等，相关内容主要来源于我国早期桩基工程、基坑及隧道工程中的实践经验的总结。在地下工程网络化、深层化等新的应用场景驱使下，大量智能化、数字化及自动化技术得以广泛大量应用的行业现状下，亟须对课程内容进行更新，在工程实践能力培养的基础上，加强监测与测试技术与信息学等学科的交叉融合，激发学生的原始创新能力。

为此，针对地下工程特点、监测与测试技术发展趋势，在本科生教育阶段教育中应重点体现时空观与系统论思想。时空观即在监测及测试方案制定过程中，要考虑监测范围及测试周期的合理性。系统论及强化监测系统输入、监测与测试本体与响应间的关系，通过合理的测试方法及系统构建，实现通过对响应量对本体性质的反溯以及对输入特征的分筛。

与此同时，应加强介绍行业最新技术，特别是物探、信息化及智能化等技术，突出探地雷达、机器视觉、智能化等新技术的引入，通过与具体测试和监测项目结合，形成包含测试场景、测试原理、测试技术与方法等相互融合的教学体系。

3 课程体系及教学内容

根据前序本科教学及培养需求，在课程体系及教学内容构建方面，拟以原理方法—测试技术与装备—典型应用为主线。在测试原理和方法重点简述弹性波、探地雷达、激光扫描、机器视觉及光纤传感测试技术，并讲述上述测试技术在桩基工程、基坑工程、盾构工程、山岭隧道工程及模型试验中的应用。具体内容分为概述、监测与测试技术、工程和科研应用三大板块，具体内容如下：

①概论：结合课程思政需求和地下工程监测与测试技术发展趋势与动态，讲述课程特点及难点、行业需求、课程内容组成。

②监测与测试技术。以介绍测试原理、技术组成模式和典型应用为主，注重学生创新能力培养，内容包括：

波动测试原理与测试技术：主要讲述波的表征方法，结合测试系统与激励及响应的基本原理，系统阐述系统论观点，并结合测试案例给出振动测试技术与分析方法的要点。

弹性波测试技术：主要讲述土木工程典型弹性波类型及波动特性，表面波测试、超声测试等典型弹性波测试技术，辅以应用实例等进行体系化讲述。

探地雷达测试技术：主要讲述电磁波测试原理，并结合案例系统介绍雷达天线设计原理、系统构成、典型探地雷达应用、数据分析方法等。

激光扫描测试技术：主要讲述激光扫描测试技术原理，并结合案例阐述激光扫描软硬件集成方法、测试及数据处理方法及典型应用等。

机器视觉检测技术：主要简述机器视觉检测及图像处理原理，并结合具体案例阐述机器视觉软硬件集成模式、图像智能处理方法和典型应用等。

光纤传感测试技术：主要讲述光纤传导机理及测试原理，并结合案例阐述光纤传感器类型，测试及信号处理方法、典型应用等。

③工程和科研应用。以实际工程应用为趋势，强调工程实践能力培养，主要研究内容包括：

桩基工程测试：主要讲述桩基工程测试行业需求，静力及承载力测试、桩身质量动力测试、基桩通长质量检测等技术原理、测试方法及流程，相关标准要求等。

基坑工程测试技术：主要讲述基坑工程测试技术行业需求，事故案例分析，基坑监测项目及方法、自动化监测技术最新进展。

盾构隧道监测与测试：主要讲述盾构隧道监测与测试行业需求，事故案例分析，施工期监测项目、技术与流程，运营期检测监测方法、技术与流程。

岩石隧道工程测试与监测：主要讲述岩石隧道监测与测试行业需求，事故案例分析，施工期监测项目、技术与流程，运营期检测监测方法、技术与流程。

模型试验：主要讲述模型试验分类及要求，相似比确定方法，离心机试验、极限模拟试验等典型案例分享。4 结论

随着地下空间与地下工程朝网络化及深层化方向发展，工程建造安全的不可以预测性及风险也日益增高，同时地下工程监测与测试技术也发生了巨大的变革，系统化、智能化水平日益提高。在本科生教学中，亟须紧跟技术发展趋势，向学生传授新一代技术体系，为行业培养土木工程与新兴信息工程的复合型人才，促进行业进步，服务国家重大工程。本文在系统阐述技术进步和发展趋势基础上，融合课程思政、学生创新及实践能力培养等方面需求，通过概述、监测与测试技术、工程和科研应用三个板块的内容设置，建立了新的地下工程监测与测试课程教学体系。