大型水下盾构隧道结构健康监测系统的构建和应用
时间：2023-01-15 10:15:08 来源：天一资源网 本文已影响 人 
林武东 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司
近年来，我国隧道工程量和规模不断增加，大型水下盾构隧道工程的数量开始增多，大型水下盾构隧道结构健康监测系统的构建，不仅能够全面进行隧道结构的健康监测，还能及时发现结构质量问题和安全问题，为有效进行运营管理和维护管理等提供保障，因此，在大型水下盾构隧道结构运营管理的过程中，应积极构建相关结构的健康监测系统，全面有效进行结构健康的监测分析，促使各项管理工作和维护工作的有效实施。
1.1 系统架构的设计
大型水下盾构隧道结构健康监测系统构建的过程中，合理进行系统架构的设计，根据实际情况设计数据采集和传输的部分、中心数据库子系统部分、隧道结构安全评价和预警部分、用户界面的部分，其中数据采集和传输的部分主要就是进行大型水下盾构隧道结构监测数据信息的采集与传输，主要通过传感器设备、采集单元和信息传输网络等完成操作；
中心数据库部分用来进行各类结构健康监测数据信息的管理和存储，通常情况下通过服务器端数据库软件操作；
隧道结构安全评价和预警的部分，主要就是进行结构健康监测数据信息的分析研究，对整体结构的安全性进行评价，一旦发现有安全风险隐患问题，快速做出预警，通常在服务器端的数据管理分析软件中操作；
用户界面的部分则是实践友好型用户操作展示，采用工作站端的软件进行操作。
与此同时还需注意，隧道结构健康监测系统构建期间，应重点完善整体系统的层次架构，确保能够通过科学合理的方式进行隧道结构的健康监测分析，如图1所示。整体系统实际运行的过程中，物理层次的隧道结构参数在线实时性监测传感系统，主要用来采集管片受力数据、裂缝数据、接缝压力和变形数据、螺栓受力数据、隧道变形和沉降数据、水压力和土压力数据等，而人工巡检与定期仪器检测部分则用来采集水位变化的数据、地表沉降的数据、河床变形和材料腐蚀数据、结构变形数据等。系统运行完成应用层次的操作后，有效进行隧道结构的远程监测处理、数据信息查询处理、预知和安全隐患报警处理、隧道仿真处理和状态评估处理、损伤识别和维修决策处理、安全管理和费用分析等。
图1 系统的层次架构
1.2 系统监测点和监测内容的设置
整体系统实际构建的过程，监测点和监测内容的设置非常重要，应按照具体情况科学合理进行监测点位和内容的设计，避免出现监测工作的不足或是问题，如表1所示。
表1 监测点和内容的设置
实际工作中除了要设置以上的监测内容之外，还需根据系统的运行特点和实际情况，以全方位进行隧道结构健康状态的监测为目标，合理设置不同的监测内容和模式。其一，重点设置隧道结构外载方面的监测内容。考虑到隧道结构是在水压高、地层具有软硬交替特点且非常复杂的水环境中，外围土压力和水压力的分布状态十分复杂，因此，在外载监测的过程中，应重视土压力和水压力的动态化监测分析；
其二，重点设置结构内力的监测内容。由于隧道结构受到外部荷载的作用力很高，很容易出现管片混凝土屈服的隐患问题，因此，在构建监测系统的过程中，还需合理设置管片混凝土应变检测内容和钢筋内力监测内容；
其三，科学合理进行隧道结构变形监测内容的设置，根据隧道结构的特点在整体监测系统中设置能够动态化监测隧道结构变形的功能，尤其是由于隧道结构有数量很多的管片接缝，接缝的张开度会对整体结构稳定性和防水性能产生影响，所以需要动态性监测接缝张开度是否存在问题。同时隧道结构是在复杂水下环境中，不同的地形结构软硬交替，纵向和横向的水压力、土压力变化幅度很大，受到少部分河床的冲刷影响和汛期与枯水期水位交替的影响等，可能会出现纵向不均匀沉降的现象，引发隧道结构上浮的安全隐患，因此需要在系统中设置动态性监测隧道纵向不均匀沉降的内容；
其四，设置能够进行偶然性荷载结构响应的监测内容，主要进行地震方面、车辆撞击方面、爆炸方面等各类偶然性冲击荷载作用的监测模式，以免偶然突发事件对结构的安全性造成影响。
1.3 监测方法的设置
由于大型水下盾构隧道结构所处环境非常恶劣，在构建结构健康监测系统的过程中不仅需要保证监测技术应用的精确度、分辨率符合要求，还需确保各类监测设备具有防水性能、防潮性能、防腐蚀性能和耐用性能等，抗干扰的能力较高，可以自动化进行隧道结构的长距离检测，尤其是传感器设备和各类测试系统，在水下恶劣环境中，都必须要确保耐久性，以免对隧道结构健康监测的准确性和可靠性造成不利影响。为确保监测系统的构建和应用符合标准规范，在整体系统构建的过程中，应科学合理设置监测的方法，首先，到现场区域进行实地考察和调查研究，对不同类型的监测方法进行综合分析与对比，按照系统对监测设备的远程应用要求、长时间可靠要求和环境耐受要求等，选用光纤光栅类型的传感器设备与检测设备等进行操作，不仅能够满足系统对监测设备的标准规范，还能提升工作的效率效果。其次，在确定具体监测设备之后，需要合理设定监测工作的内容，将其划分成为定期类型和实时性类型两种，根据具体的监测情况，科学进行分类处理，合理采用监测的原件和仪器设备，在预先设定的监测点位开展各类监测工作。最后，按照大型水下盾构隧道结构的健康监测工作需求，将监测工作划分成为不同阶段，例如：工程管片预制的过程中在不同管片内部设置传感器设备，确保在施工期间就能进行传感器设备的设置和测试，科学合理进行连接线路的埋设和保护，为各个管片相互之间位移监测传感器设备的设置留下充足空间，一边进行管片的拼装一边设置传感器。在此之后，就要在隧道工程竣工的环节利用网络系统将传感器的数据信息传输到整体中型控制系统，便于准确进行相关监测数据信息的采集和分析。
大型水下盾构隧道结构健康监测系统实际应用的过程中，需要按照整体系统的实际情况进行处理，确保能够提升系统应用的效率效果。
2.1 系统不同层次的应用
整体系统实际应用的过程中，需要注意不同层次的合理落实和运用，充分发挥系统具有的应用价值和优势。其一，物理层次应用的过程中，主要使用埋设在现场的隧道结构，在线实时性监测传感系统，与人工巡检和定期仪器设备的检测系统，采集隧道结构健康动态监测的过滤数据信息，主要检测相关的隧道围岩结构安全信息、相关结构的状态信息、结构变形信息等等，全面了解隧道结构的健康状态，将各类所采集的信息转变成为能够分析的数据；
其二，数据层次应用的过程中，主要是将各类物理硬件设备作为基础，利用数据采集和传输的软件，将传感监测系统所采集的数据信息传输到数据监控中心，或者是将光纤光栅检测的数据传输到数据库系统内，同时，通过数据输入接口将人工检测的数据传输数据库系统内，便于准确进行传感器检测数据和人工检测数据的研究；
其三，信息层次应用的过程中，主要利用数据库管理系统将所检测和监测的数据等存储，对各类数据分类处理、统计处理、特征提取处理等，获得隧道解剖健康状态的判断信息。同时还需按照隧道结构损伤识别需求和评估分析需求等，科学合理选择数据处理的方式方法，按照数据信息的特征，专门设计数据统计分析的方式，做好数据的降噪预处理和异常判断预处理；
其四，应用层次应用的过程中按照隧道结构健康状态监测和安全评估的规范标准，结合结构损伤识别的情况等，构建专门的信息处理软件，主要涉及到隧道结构安全预警软件、损伤识别与诊断软件、维护，维修和保养的决策支持软件等，为隧道结构健康状态的良好管理提供保障。系统应用的过程中各个层次合理应用的基础上，还需结合评估分析的结果与具体的养护管理需求等，科学合理进行隧道结构安全运营管理、日常的管控、保养维护等，确保系统能够有效进行隧道结构的安全预警和监测，通过远程检测的方式、阈值报警的方式、数据信息查询的方式和安全隐患检测方式等，完成隧道结构的健康状态监测任务。与此同时，采用系统进行隧道结构健康和安全的研究分析，准确进行隧道的仿真分析、状态评估处理、损伤识别处理等，构建整体隧道的维修和管理决策等机制，制定完善的维修决策方案、安全管理方案和费用分析方案等。
隧道结构健康监测系统应用期间还需注意，利用光缆将在线监测传感器所检测的数据信息传输到监控中心轴，同时，在隧道综合管理过程中设置专门的工作站，接收光纤解调器解调之后的各类数据信息，准确将隧道结构的受力状况、水压力和土压力状况、接缝扩展状况和渗漏状况展现出来，利用数据库管理软件等对所有数据信息进行处理，确保全面了解隧道结构的实时化运行状态。此外还需注意采集其他类型隧道检测的数据信息，将数据及时存储到数据库系统内部，和能够将隧道结构实时性健康状态反映出来的动态化数据信息等组合成为综合数据库，利用综合数据库记录和处理各类数据信息内容。
2.2 系统应用的注意事项
要想确保大型水下盾构隧道结构健康监测系统的良好应用，就应明确具体的系统应用注意事项，有效避免出现系统应用的问题或是不足。
（1）由于整体的盾构隧道施工时间很长，各类结构长时间受到施工扰动的影响和外界环境的影响，传统结构监测传感器设备已经无法满足当前的隧道结构监测需求，合理采用光纤光栅类型的传感器能够提升传感器的应用效果，延长设备的使用寿命，因此，建议在构建和应用隧道结构健康监测系统的过程中，重点推广和使用光纤光栅传感器。
（2）注意系统在长时间应用的过程中，可能会受到诸多因素的影响，出现仪器失效的问题，因此，在系统运行应用期间需要结合实际情况，在监测的位置设置传感器冗余度，一旦设备发生故障问题，就可以利用相邻的传感器替代，以免出现隧道健康监测中断的现象。
（3）注意在对隧道结构健康状态进行监测期间，全面归纳和汇总各类监测数据信息内容，以隧道结构健康监测数据为基础，制定隧道结构定期进行维护和保养的方案，尤其是在监测系统发送隧道结构健康或是安全状态预警信息之后，需按照具体的预警信息准确判断隧道结构的实际情况，针对性进行保养和维护维修。与此同时，为促使整体隧道健康监测系统的良好运行，相关维修保养部门除了要重点进行隧道结构的维护维修之外，还需按照实际情况进行健康监测系统的维护维修，无论系统出现软件还是硬件的问题，都必须要采用科学合理的方式进行维修处理，确保能够促使系统的健康稳定运行。除此之外，监测系统实际应用期间应合理进行各类初始数据值的数据信息归档，在数据归档后，一旦发现隧道结构存在健康问题或是安全问题，就要快速分析问题的原因和实际情况，科学合理进行处理应对，以此避免由于结构变形所引发的问题，提升整体的隧道结构健康监管效果。
综上所述，大型水下盾构隧道结构健康监测系统构建的过程中，考虑到隧道结构的所处环境非常复杂繁琐，科学合理进行健康监测系统架构的设计，准确设置监测的点位和内容，有效设置各类监测工作的方法，同时在健康监测系统应用的过程中，重点结合实际情况进行系统不同层次的应用，明确系统应用的注意事项，确保能够增强系统运行的可靠性和稳定性，为隧道结构的良好监测管控提供保障。
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