城市综合管廊结构安全监控系统研究与应用

吴 桐，张 坚，严 峰，陈金锋

（1、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州510500；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

随着我国经济的快速发展，大中城市规划建设越来越密集，许多城市患上“城市病”，该问题在城市市政设施建设中尤其突出。如地上电网、电杆等密布形成的“天空蜘蛛网”现象；地下管线因更新、故障、事故等原因，需反复开挖路面所导致的“马路拉链”现象等。这些现象不仅影响城市建设用地的正常使用和市容市貌，还造成了高昂的施工成本与巨大安全隐患［1］。综合管廊以集约化设计为理念，将各城市市政管线进行统一化管理，不仅节约了地上城市建设空间，同时也是解决“城市病”的重要手段之一。为此，自2013 年以来，多个城市下发相关政策文件，开始全面推进城市综合管廊的建设［2］。

当综合管廊结构发生较大变形或破坏而无法及时发现和修复时，会影响内部管网的正常使用，使管线出现损坏甚至引发火灾、爆炸等事故，进而造成严重的经济损失和不良社会影响，因此综合管廊运营期间的健康问题愈发得到社会各界的重视。近年来不少学者研究与设计了火灾危险识别与预警系统［3］、光纤振动防入侵监控系统［4］、管廊环境感知监测系统［5］等管廊的智能监测系统。但是，由于地下管廊结构安全是一个集中了结构设计、使用情况、水文地质条件、动荷载等多方面因素综合影响的复杂问题，因此对于管廊结构安全及结构安全监控系统的研究与应用却鲜有人涉足。

因此本文分析了综合管廊的结构及其病害特点，然后基于物联网传感器、通讯及云计算等技术，设计了一套城市综合管廊结构安全监控系统。最后将该监控系统在实际管廊工程中进行了测试，测试结果表明，相比较于传统的检测方法，该监控体系能克服地下不良通讯环境，提高监测效率并能实现监测项目的实时可视化。希望本监控系统的研究能为综合管廊结构监测提供新的方法。

1 综合管廊特点及病害特征分析

地下综合管廊作为城市的生命线工程，对于促进城市的整体发展起到了关键性的作用。但是管廊跨度大、轴向刚度低且容易遭受各类地质条件及外界环境的影响的特点，使其呈现出独特的病害特点。如果这些病害不能得到及时的发现和处理，很可能会引发其他次生灾害，从而造成巨大的经济损失。

1.1 不均匀沉降

综合管廊多修建于浅层地下且廊体狭长，因而其廊体建设采用分段拼接铺设的方法完成。受覆土差异性、水文地质条件改变以及周边人类活动加卸载等扰动的影响［6］，廊体结构很容易发生不均匀沉降，对于地处沿海地区的富水软土环境中的管廊结构，不均匀沉降尤为明显。另外，管廊基础工程中多会采用土体回填或换填处理方法，由于管体狭长，换填质量参差不齐，很容易造成土体承载性能差异［7］，进而导致两相邻廊体结构发生滑移、偏转及沉降差，尤其对于横向宽度较大的多舱管廊结构［8］。由此可见受地质、水文条件以及外界环境的影响，廊体结构很容易出现不均匀沉降，通常这些不均匀沉降容易集中在管廊的伸缩缝、拼接缝等处。

1.2 裂缝

目前综合管廊一般采用多段管廊拼接的施工方法，管廊段之间采用后浇带或其他刚性连接方式连接。当管廊出现廊体刚度分布不均匀，或者周围有过大的地层扰动时，廊体极容易受不均匀沉降而产生裂缝。同时受水体或其他有腐蚀性物质的影响，廊体也会出现腐蚀裂缝。而当廊体结构内部或者外部出现超限荷载时，如地震荷载或地面行车荷载，也会导致廊体结构出现裂缝。裂缝的发展直接影响着整个管廊的健康运营。

1.3 收敛变形

管廊隧道在开挖掘进后，被挖掘区域周边土体会出现地应力重分布。进而出现隧道周表面土体向隧道洞收拢的变形趋势，这一变形的趋势称为管廊收敛。收敛变形的程度与管廊尺寸、岩体成分、地应力、挖掘的方法及支撑物的类型等多因素有关［9］。当管廊结构设计不当或隧道开挖支撑方案不合理时，这种管廊收敛变形会同时产生管廊不均匀沉降及结构裂缝等病害。

综上所述，由于综合管廊的特殊性，受多种因素影响，产生多种病害的几率较高，因此及时了解管廊结构病害的发生、发展及特点，在结构出现更严重的危险以前及时发出预警并采取相应措施，是保障管廊结构长期运营安全使用的一个重要的有效手段。

2 管廊结构安全监测的必要性

2.1 管廊工程的重要性

综合管廊结构作为近年来兴起的城市新型地下集约化市政管网铺设方式，其可以同时安置水、电、气、热、通讯等多种市政管线，涉及多个学科。为了达到不同管网的安全要求，其结构设计要求更高，且结构设计使用年限往往需要达到100 年之久［10］。同时综合管廊连通城市内较广的区域，并且埋深较浅，这就使得管廊结构极易受到地上超限荷载及周边土地扰动等外界因素的影响［11］。

由于设计使用时间长、跨越区域广、经历的水文地质变化复杂等原因，综合管廊在营运期间可能会产生多种病害，进而导致综合管廊结构发生各种事故，并且极易诱发多灾种耦合事故。当廊体结构产生过大的不均匀沉降或收敛变形，轻则会使刚接于廊体内各管线出现破裂，管廊拼缝拉裂、接缝处的止水带失效，引起如泄露、火灾、爆炸、坍塌事故相互转化的灾害链。此外极易衍生出断水断电等城市功能服务中断［12］，有毒气体演变为空气污染中毒，有害液体污染水体及环境等混合事件，重则可能引发爆炸、路面坍塌等安全事故，甚至还会导致城市服务功能的中断。再加上综合管廊的空间和时间跨度大，一旦影响到地面建筑，其造成的损失将更难估量。因此必须对管廊结构进行全面而连贯的监测，以便更有效地发现影响管廊结构安全的潜在病害，并采取相应的措施，确保管廊运营期间的使用安全。

2.2 传统人工测量的局限性

综合管廊内部空间相对狭长密闭，各种管线与配套设施繁杂密布。受制于通视、管线阻挡、人员误差，传统人工携带仪器进行结构检测的方法工作效率很低。同时，因敷设线路长，对管廊进行多断面甚至全线检测监测不仅需耗费大量人力、物力及时间，而且存在基础数据少与数据碎片化的问题。另外，廊内的空气、温湿度等地下环境也不适合检测人员长时间留置，所以对管廊安全运维及设备使用等情况难以实现24 h 实时动态监管，而且当廊内工作环境恶化或出现有毒气体泄露时，还会对检测人员的生命安全带来威胁。因此需要对管廊实施自动化智能监测。

2.3 管廊结构安全监测理论方法的缺乏性

近几年发布的《城市轨道交通工程监测技术规范；GB 50911-2013》、《城市综合管廊检测与监测技术标准：DB22/T 5024-2019》等规范标准，皆有提及管廊结构在运营期检测与监测的相关要求，但没有涉及管廊结构安全监测的具体实施方案与应用等内容，相关监测理论与工程应用经验欠缺。同时，综合管廊属于密闭的地下工程，恶劣通讯传输条件下监测设备的正常运行及数据信息上传等问题，也成为了能否实现管廊结构实时监测的关键。

综上，城市综合管廊是一个城市的“生命线”，涉及到多行业、多管线、多因素的共同影响，很容易发生耦合事故，对城市造成巨大损失。而目前相关的监测方法及监测方案依然处于匮乏状态，同时，传统的人工检测方法在综合管廊中的工作效率极差，难以适用，因此针对营运期综合管廊的结构特点研发出一套有效的智能监控系统极具工程意义。

3 城市综合管廊结构安全监控系统的设计

3.1 监控系统的设计总则与各功能子层的搭建

结合结构健康监测［13］的概念，城市综合管廊结构安全监控系统［14］在管廊结构上布设智能传感器，对其结构主体及主要构件的收敛变形、裂缝开展、不均匀沉降等典型病害信息进行实时监测采集，并通过数据采集终端、通信技术对数据进行自动采集与传输。在云端可结合管廊其他监测系统所采集到的各类型信息数据进行整合。通过对海量异构数据信息进行综合分析评估，实现全面有效的管廊结构全生命周期的安全监测及监测数据的实时可视化，并在破坏或危险出现前及时发布报警预警信息。城市综合管廊结构安全监控系统的架构包括数据感知、数据传输、云平台、数据管理与应用4个功能子层（见图1）。

图1 城市综合管廊结构安全监控系统架构Fig.1 Architecture of the Safety Monitoring System for the Urban Comprehensive Pipe Gallery Structure

3.1.1 数据感知模块

数据感知模块主要是通过各类智能传感器及监测仪器设备，对管廊主体结构内一个或局部多个断面中存在的收敛变形、裂缝开展、管片错动、不均匀沉降、应力突变、异常振动等病害，对其物理变化量信息进行自动化测量，实现对管廊结构变化的实时感知。然后，结合监控系统中的智能巡检模块，日常巡检人员通过使用工业智能机并基于智能巡检APP 任务驱动式开展巡检工作，在现场对管廊结构基本信息、管线工作、廊内运营及周边环境等情况进行无纸化记录采集，通过拍摄照片实现更直观地记录管廊损伤情况，同时，定期采用三维激光扫描仪［15-16］快速、全面扫描管廊内部全断面表明情况，通过海量点云数据实现管廊结构的三维重建。最后，将各类现场数据信息汇聚到综合数据采集仪中，采集仪再通过通信模块将监测信息上传到互联网。

3.1.2 数据传输模块

数据传输模块将感知模块各类监测数据实时传送到互联网，实现现场与远程监控中心间数据信息的全时段互联互通。现场传感器一般采用Modbus 协议通过RS485 物理层与监测数据综合采集仪相连，并通过DTU 将串口数据转换为IP 数据实现监测数据上云。基于综合管廊的工程特点，对于通信条件十分恶劣的管段，其数据传输的有效性与实时性难以保障，则需要对数据传输模块的通信能力进行增强，如通过光纤光缆串联信号中继器的方式，将信号引至管廊检测井、通风口等地，或通过使用泄露同轴电缆来实现廊内通信［17］。亦可采用自主搭建通信网络［18］，如Lo⁃Ra等低功耗局域网络。

3.1.3 云平台

基于海量IT资源池构成的云平台虚拟服务器，实现监控系统的云上搭建与运行。针对管廊线路长、覆盖面广、结构特殊等特点，凭借云平台弹性可扩展的优势，可以满足未来对安全监控系统中内容、断面与项目等功能增减的需求，并能实现与其他管廊监测系统高效融合。利用云平台强大的数据计算与处理能力，根据不同的模型算法对各种监测数据进行自动化处理，得到直观、连续的管廊结构病害变化信息线图，而海量点云扫描数据还可以生成管廊全断面三维模型。该系统还囊括了项目管理、测点控制、预报警值设置、相关规范知识库、巡检记录等功能子块以及自动预报警功能。云平台还能对海量监测数据进行稳定可靠的存储与归档，大数据信息档案不仅能满足管廊安全运维的日常监控需求，还能让监控人员更全面地分析与评估管廊的结构安全性。

3.1.4 数据管理与应用模块

数据管理与应用模块主要包括管廊安全可视化监控、系统管理、数据下载、信息查询以及预报警信息发布等模块。监控人员可在各种客户端通过登陆云平台随时随地了解管廊结构的安全动态，快速查询和下载管廊安全评估所需的数据信息，一键获取图文并茂的监测报告。同时，用户也可在结构出现异常的第一时间获取预警信息，以便其及时采取相应的措施，防止安全事故的发生。另外，监控人员也可根据监测项目的需要与各种突发情况，实时与现场感知模块或巡检人员进行交互。

3.2 监控系统的应用测试

为了测试本文所设计的监控系统的有效性，本系统选择了广州市中心城区地下综合管廊项目某已完工的盾构区间为其应用试验段。该区间线路沿地面高程为4.30～9.05 m，管廊隧道采用预制混凝土平板型管片衬砌，衬砌环外径6 000 mm，内径5 400 mm，管片宽度1 500 mm，厚度300 mm，拼装时采用错缝拼装、弯螺栓连接。目前该管廊相邻地铁车站正在进行基坑开挖作业（见图2），会对既有运营管廊结构产生扰动；然后地铁隧道盾构施工通过后，其3 号出入口及2 号风亭组的建设将进行基坑上跨管廊施工，也可能引发管廊区间变形。因此在管廊内适合处选取3个连续断面进行监控系统的应用测试，使其能监测管廊相邻地铁车站基坑开挖及施工扰动等因素对管廊结构产生的影响。

图2 监控系统应用现场情况Fig.2 The Site Condition of the Pipe Gallery Structure Safety Monitoring Project

图3 监控系统数据感知模块现场布设Fig.3 On-site Deployment Method of Data Perception Module of Monitoring System

利用监控系统针对收敛变形、裂缝开展、不均匀沉降3个典型的管廊结构病害进行自动化监测（见图3），通过在断面两腰处与廊底处设置激光测距传感器对管廊结构收敛变形进行监测，在相邻2 块管片交接处设置振弦式测缝传感器［19］对拼缝开裂进行监测，在连续的2个断面的同侧等高廊体腰部各设置1个静力水准传感器［20-21］，实现对断面廊体不均匀沉降情况的监测。综合数据采集仪对各传感器所测数据进行自动化采集并通过DTU实时上传到云平台，云上监控系统对数据信息进行计算、处理并把结果存储在云端服务器中，相关监测及现场巡检人员可从客户端即时查阅各类监测数据，实时掌握管廊结构安全的监控动态。

该管廊监测断面中不均匀沉降变化实时上传的监测数据如图4 所示，图4 中所呈现的监测数据能稳定、连贯且及时地反映监测参数的变化情况，由此可以掌握相邻各断面的沉降情况与变化趋势，并且可以看出各测量值都处于安全允许的变化范围内，说明相邻车站基坑开挖施工暂未对管廊结构安全产生影响。

图4 传感器实时监测数据折线Fig.4 A Line Graph of Real-time Sensor Monitoring Data

管廊现场智能巡检上传的现场巡检信息如图5所示，结合移动式三维激光扫描仪的点云数据所生成的高清管廊三维模型。动态模型可以高度还原地下管廊现场的情况，模型将图3 中各监测参数的变化值进行整合，所以可以通过可视化中的不同模块精细观察某一监测项目的实际情况，同时也可以通过选择及时输出该监测项目监测值的具体变化曲线图。该系统能让监控人员更为真实、直观且方便地了解管廊结构整体安全状况。

图5 监控系统监测三维可视化功能展示Fig.5 Monitoring 3D Visualization Function Display Interface of the Monitoring System

4 结论

城市综合管廊汇集水、电、气、热、通讯等多种市政管线，成为了城市的“生命”线。由于其使用年限久、覆盖范围广等特点，因此极易受外界影响而出现结构病害，并造成耦合事故，但因目前相关监测理论的缺乏及传统人工监测方法的局限，难以实现智能、有效的管廊结构安全监控。

本文通过数据感知模块、数据传输模块、云平台及数据处理模块等搭建了综合管廊结构安全监控系统。试验测试表明，该系统能克服地下工程通讯环境差的难题，实现对管廊结构病害进行自动化实时监测，使监测数据可以及时、稳定地上传到云平台，大幅度提高监测效率。同时，该监测系统结合现场巡检与三维扫描信息，可以生成高清管廊三维模型，实现监测对象的动态可视化。而基于云平台的监控系统通过对海量异构监测数据的处理与分析，还能诠释管廊结构损伤机理与变化趋势。

可见该智能监控系统的研发不仅能提高监测效率，确保综合管廊营运安全，还能为相关规范标准的编写及其他管廊的结构监测应用累积监测数据与工程经验。