结构健康监测技术在城市排水深隧工程中的研究与探索

杨怀，阮超，张延军，李胡爽，杨杏勃 （中建三局绿色产业投资有限公司，湖北 武汉 430000）

隧道结构健康监测系统（Tunnel Structural Health Monitoring System简称TSHMS）一般是指“运用无损传感技术，在隧道结构典型断面处设置监测元件，对隧道支护系统的变形、受力等特征进行实时、长期性监测，及时对运营期隧道结构的力学性能进行分析，并结合隧道结构安全评估系统对隧道的健康状况进行评价，用以指导项目运营，保证隧道营运安全”[1]。

该技术最早起源于航空航天领域，20世纪80年代后，开始应用于土木工程领域，尤其在桥梁工程中得到大量应用。20世纪90年代开始健康监测系统逐渐应用于我国的一些大型桥梁。经历了三十多年的发展，目前健康监测系统在国内外桥梁工程中的应用已经不胜枚举。然而，健康监测技术在隧道工程领域中的运用相对较晚，近十余年间才在我国逐步得到重视和应用，目前该技术在隧道领域主要应用于常规公铁隧道[2]。除此之外，在各种水下隧道中也多见使用，如过江隧道[3]、海底隧道[4]、穿湖隧道[5]等。在市政管道领域，仅石油和天然气等重要管道中有使用到健康监测系统[6]。在水利隧道中，一般仅在施工期间对隧道进行监控量测[7]，在运营期进行健康监测的较为少见。

目前国内城市排水深隧仅有为数不多的案例，如广州深隧东濠涌试验段、湖北大东湖深隧、深圳前海—南山排水深隧，相较于常规的城市排水系统，非常有必要通过结构健康监测技术对深隧工程的运营安全状态进行评估，用以指导项目运营。下面将以湖北大东湖深隧为例进行具体分析。

1 湖北大东湖核心区污水传输系统工程简介

1.1 项目概况

大东湖核心区污水传输系统工程是武汉市“四水共治”重点工程，工程建设目的是为了将中心城区污水传输至郊区新建的超大型综合性污水处理厂进行集中处理。近期传输能力为80万d/t，远期将达到100万d/t。

该工程隧道全长17.5km，全部采用盾构法施工，埋深在地下30m～50m，成型隧道直径有3.0m、3.2m、3.4m三种尺寸。隧道采用双层衬砌结构，外侧为25cm厚的管片，内侧为20cm厚的现浇混凝土内衬。

运营期隧道内流淌的主要是经过预处理的生活污水，即通过格栅、曝气等措施，去除污水中直径大于3mm的有机物和直径大于0.2mm的无机砂砾，防止其在隧道内淤积堵塞隧道。仅在物理层面进行“过滤”，对于可能造成隧道腐蚀的物质基本没有任何处理措施。

1.2 健康监测系统的必要性

①工程建成以后将为武汉大东湖核心区130km2内近300万人提供服务，服务人口多，覆盖范围广，可以说是一座城市的排水生命线。一旦隧道结构出现病害，可能导致隧道内污水与地下水体连通，进而污染城市地下水。且由于工程采用单管传输，无备用管道，出现病害后难以修复，因此一方面需要通过健康监测系统数据对运营管理进行反馈，通过运营参数控制来减轻甚至避免病害；另一方面可以在出现轻微病害时即采取措施进行处理，防微杜渐。

②工程沿线穿越的地质条件复杂，盾构隧道主要穿越的地层有砾卵石、粉细砂、中风化含钙泥质粉砂岩、强风化含砾砂岩、中风化含钙含泥细砂岩、中风化粗砂岩、中风化细砂岩、中风化灰岩、强风化炭质泥岩等十余种岩层，同时还将下穿地铁、高铁、湖泊、岩溶强发育区等高风险区域。盾构隧道管片衬砌属于装配式衬砌，它与整体式衬砌的最大不同点是存在大量管片纵向接头和环向接头，影响衬砌的受力和变形。根据其他工程经验，在运营过程中可能产生的主要病害就包括管片开裂、接缝张开度过大、衬砌漏水、土砂流入、盾构隧道纵向不均匀沉降和侵蚀性地下水对管片的腐蚀等多项内容[8]。

③在项目运营期，隧道内流动的为有压污水，具有较强的腐蚀性，压力流满管运行工况下易形成硫化氢二次腐蚀，结构长期承受较高内水压，常水压工况为0.35MPa，最大内水压工况为0.43MPa。

2 大东湖核心区污水传输系统工程健康监测系统设计

2.1 监测内容选取

通过对项目运营期结构安全进行分析，结合其他工程案例，本工程一共选取了四种监测元器件，即钢筋计、混凝土应变计、渗压计和腐蚀传感器，在断面上的具体布设位置如图1所示。

图1 监测断面图

较常规隧道健康监测内容主要有两方面不同。一是取消了土压力盒，因为土压力盒布设在隧道外侧，可能因管片壁后注浆包裹失效，施工困难且成活率较低，而隧道内外衬整体受力，内外压力大部分相互抵消，综合考虑后取消了土压力监测。二是较常规隧道增加了腐蚀传感器，在国内运用了健康监测技术的隧道工程中，仅南京纬七路长江隧道等少数工程对混凝土腐蚀进行了监测，而本工程隧道内流动的是仅仅经过预处理的污水，因此腐蚀监测必不可少。

2.2 监测断面选取

本工程健康监测断面选取的原则是“重点监控高风险断面、覆盖典型断面”。但项目运营期17.5km长隧道仅保留6座竖井，平均每个区间超过3km，岩溶段等高风险区域均位于各个区间比较靠中间的位置，与竖井口最小间距也大于500m，如在高风险区域布设监测断面，因传输线缆长，施工难度大，元器件的实际存活率将进一步降低，实际监测效果难以保证。在隧道内部大范围的埋设线缆本身也会对隧道结构产生不利影响，因此本项目仅选择了三处地质突变的典型断面进行监测，具体断面位置如下表所示。

2.3 健康监测系统组成

本工程健康监测系统包括四个子系统，其层次关系如图2所示。

图2 健康监测系统组成

①数据采集、传输子系统

健康监测断面里程表

也就是整个健康监测系统的物理层面，其又分为两部分，一是传感系统，安装于待测结构中，主要通过各种元器件将待测的物理参数转化为测试信号。二是通讯系统，通过埋设在结构内的线缆将采集到的数据传输至健康监测软件系统。

②中心数据库子系统

主要用于存储隧道监测过程中采集的各种数据，如应力、应变等物理量，利用该子系统可以实现整个大系统所有数据的平台管理工作，完成数据的分类、查询、存储等。

③隧道结构安全健康和智慧监测预警子系统

结构安全健康和智慧监测预警子系统主要基于监测得到的隧道结构物理量，参考相关规范，并辅助以数值计算，结合监测物理量长期变化趋势，进行隧道结构安全状态综合评估与预警。该系统可分为以下几个模块：

监测数据处理分析模块。主要包括监测测点、断面管理、数据查询、数据处理、曲线绘制、云图绘制、监测断面处三维重建、三维数据展示等，实现文件报告、生成、管理和信息发布等功能。

预测和预警模块。主要包括多因素预测、预警报警管理、预警报告生成和管理、预警信息的发布等。建立考虑运营期水压、流量、腐蚀指标、环境因素等情况的智能预测模型，实现实时预测和智能预警。

结构健康评估模块。主要采用风险概率、层次分析、神经网络等方法进行风险分析、考虑监测应力、应变、压力及运营因素，参考相关规范，并辅助以数值计算，进行多因素人工智能结构健康评价，形成结构健康评估报告。

④决策支持和用户界面子系统

包括风险分类、预案管理、应急流程、应急预案、信息发布、风险跟踪等。预应预案可根据监测预警和健康评估的结果，给出相应的处理预案，针对灾难工况，给出应急处置的建议。

用户界面子系统为一个基于完整的人机交互子系统设计的软件，该子系统向用户提供友好的操作与管理界面、向用户提供数据展示、报告历史查询与更新，具有可扩展功能。用户界面子系统可以实现对其他子系统的界面管理，包含电脑端、手机端和网页端，能够实现数据查询、曲线绘制、结果三维展示、预测预警信息发布、报告生成、文档管理等功能。

本项目最终的软件架构图如图3所示，平台系统图如图4所示。

图3 健康监测系统平台软件架构

图4 健康监测系统平台系统图

3 结论

目前项目正在按该方案进行实施，在运营期将对整个健康监测系统的效果进行验证。总的来说，目前运营期隧道结构健康监测的工程实例仍不是很多，城市排水深隧的健康监测先例更可谓绝无仅有，限于现阶段技术水平及实践经验，仍有许多亟待解决的问题。

①监测仪器的耐久性

现场监测工作，尤其是传感器数据采集技术是整个工作的基础，如果采集不到真实、有效的数据，则后续所有工作都将无法开展，从而导致整个隧道结构健康监测系统失去其根本意义。而隧道工程与桥梁工程健康监测最大的区别在于监测仪器的耐久性和埋设问题，桥梁健康监测仪器大部分设置在结构的表面，具备可更换性，而深隧工程所有监测元件必须预埋，且不可更换，这给仪器的耐久性选择提出了更高的要求。相较于城市排水深隧100年的设计使用寿命，健康监测系统往往只能在工程使用早期进行有效监测，要真正实现全寿命周期监测有赖于相关领域的技术突破。

②健康监测评估系统的研究

本工程为有压污水隧道，长期运营使用过程中受力、变形、腐蚀情况尚不明确，对于系统设计、评价指标、预警设置均无先例可循，需在运营过程中不断对原系统进行优化。