方斗山隧道长期监测系统设计研究

2021-07-02汪文兵

甘肃科技 2021年8期

汪文兵

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430052）

1 概述

随着国内公路隧道建设规模和运营里程的逐年递增，既有隧道因不良地质原因导致病害逐年增多，围岩劣化导致外部荷载变化的因素影响较大。对于重大隧道结构病害或隐患，如不能及时发现和加固维修，其进一步恶化将严重威胁运营安全。

对隧道结构关键状态参数、指标进行长期、实时和系统地监测对于及时发现险情和动态预警至关重要，并可为隧道结构技术状况评定和维修养护决策提供重要的数据支撑。通过长期监测结合人工检查的方式对隧道结构状态进行评估，有助于掌握隧道长期性能变化，辅助管理部门制定合理、主动和预防性的养护与管理措施，有效降低隧道的运营养护成本，延长隧道的使用年限。

我国现开展长期监测的隧道工程还不多，大多数隧道的施工期监测都未能延续至运营期。研究以重庆市方斗山隧道为例，依据其运营后的病害发展情况制定了隧道长期监测方案，以期为类似隧道工程的长期监测、结构评定和病害处置对策提供借鉴与参考[1]。

2 长期监测系统总体设计

2.1 工程概况

方斗山隧道隧址为重庆市丰都县高家镇与石柱县下路镇境内，为上下分离四车道的高速公路特长隧道。隧道左线全长7285m，右线全长7310m，主洞建筑限界净宽10.25m。隧址区处于杨子准地台重庆台坳重庆褶皱束万州凹褶束的方斗山背斜中南部，沿线地貌受地质构造、地层岩性的控制明显。区内地下水因受岩性、构造及地形条件控制，富集与分布极不均匀。隧道自2014 年通车以来，由于特殊地质条件、施工缺陷等各种原因，隧道内出现了比较严重的混凝土腐蚀、路面变形、渗漏水及衬砌开裂等病害。隧道洞口及隧道典型病害如图1 所示。

图1 方斗山隧道正面及隧道衬砌开裂和渗水病害图

2.2 系统设计的思路

隧道长期监测系统旨在基于预防性养护监管的理念，自动化监测结构内力和荷载状态，通过对系统采集数据的处理和分析，在识别隧道局部表观损伤和结构破坏的基础上进行自动化在线预警。一般而言，隧道长期监测系统的建设内容包括方案深化设计、硬件设备采购和软件开发，再根据全寿命监测的理念开展系统安装与应用，并负责缺陷责任期内的系统全面维护与培训。

针对方斗山隧道的运营环境和结构的特点，将结构面临的危险源划分为结构损伤和结构状态不利性改变两大类，并根据当前技术水平提出针对不同危险源而采取的不同监测管理手段和策略，服务于隧道的长期运营和管养。而其结构状态的不利性改变主要通过自动化结构长期监测系统实现动态和实时地监测，据此推断全隧道的结构运营能力，重点在于对隧道结构整体或局部内在受力及状态变化的及时掌控。

2.3 系统设计的原则

隧道长期监测系统作为一种集高新技术于一体的综合系统工程，涵盖了结构分析计算、计算机技术、通信网络技术以及传感器技术等。方案的设计遵循可靠性、先进性、安全性、完整性、可维护和可扩展性以及经济性原则[2]。

系统的可靠性体现为其涉及的传感元件和诸多系统集成设备的可靠性。系统的先进性旨在满足日益变化的运营管理的潜在需求。安全性具体表现在使用人权限的设置和系统防更改和共享功能的审查。系统完整性既要求监测过程应内容完整、逻辑严密，各功能模块之间独立但相互关联，从而避免因故障产生联动影响。可维护性和可扩展性即系统应具备功能和预备容量的扩充和升级的能力。经济性原则能保证方案设计在满足工程实际需要的同时兼具良好的性价比。

2.4 系统设计的目的

方斗山隧道长期监测系统建设的主要目的为：①环境变化监测：对隧道内环境如温湿度等进行监测，及时了解隧道内运营环境状况；②隧道结构监测：结构变形监测包括结构断面收敛、拱顶沉降。结构裂缝监测包括裂缝变形检查、裂缝发展变化趋势及其速度。衬砌结构荷载状况包括隧道衬砌内力等；③记录隧道可能经历的重大事故历程，如：地震、火灾以及被车撞击情况下的状况，并判断隧道是否因此而出现损伤；④引入定期测量检查管理模块，该管理模块是隧道正常运营的保障之一，同时也是自动化监测系统的重要补充。按照规范提供人工测量检查内容表格、检查指标的评定标准，使现场数据采集更明确，数据记录更规范、标准；⑤根据所获得的信息，对隧道结构进行状态评估；⑥在系统投入使用初期，重点结合监测系统测得的信息，建立起精确可靠的预测模式，为长期稳定的检查维护计划制定做准备[3]；⑦在隧道整个设计使用寿命内，确保隧道安全可靠运营，使维护管理费用保持在相对较低的稳定水平；⑧根据对结构的评估结果设置预警阈值，在结构发生异常情况或者结构内部出现异常事件的情况下，能及时向管理部门提供预警信息。

2.5 系统设计的方案与功能

方斗山隧道长期监测系统通过各种在线监测仪器和定期测量检查管理模块采集影响隧道结构安全的关键参数，系统设计技术方案如图2 所示。结合专家意见以研究各种危险性因素及其相互关系，通过评估技术识别有关隧道安全的各种因素并进行分类，再根据其危害程度和时间相关性采取适当的处理措施。

图2 方斗山隧道长期监测系统技术方案框图

监测系统对直接危险性因素能及时预警和报警以保证人员的生命安全。对间接危险性和潜在危险性因素，采取必要和有效的养护管理措施及时排除危险和消除潜在隐患，避免间接危险向直接危险转化，确保隧道结构安全运营并延长隧道的服役年限。方斗山长期监测系统功能框架设计如图3 所示。

图3 方斗山隧道长期监测系统功能框架图

2.6 系统实现的关键技术

隧道长期监测系统投诸运行的关键在于系统的开发技术、开发环境和运行环境的实现。方斗山隧道长期监测系统的开发技术囊括了虚拟化技术、云计算技术、VR 三维全景技术、HTML5 技术和SOA 体系架构技术。虚拟化技术可简化数据中心管理，提高隧道长期监测系统的动态扩展性和设备复用性，以此为基础的云计算技术则能最大效率地实现监测系统的快速评估分析计算。同时，HTML5 技术和SOA 软件体系架构技术则赋予了隧道监测系统软件的优质兼容性、可用性和良好的交互操作性，增强监测系统用户的良好体验。而VR 三维全景技术能提供全景式的隧道结构和监测信息，极大提高隧道信息管理集成度。

基于以上技术优势的监测系统还需要适用的开发环境和运行环境的软硬件支持，本隧道长期监测系统在开发和部署的软硬件环境上投入很大，以实现系统的完备功能和各种人机交互平台上的优良体验。

2.7 系统的功能模块组成

隧道长期监测系统的核心任务是获得隧道在役期的代表性环境荷载、动态交通荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，根据监（检）测信息进行评估并定期掌握隧道内行车安全和结构安全的状态信息，为隧道的安全、高效、经济运营提供管养决策时的技术支持。长期监测系统主要功能和组成如图4 所示。

图4 方斗山隧道长期监测系统主要功能框图

3 长期监测系统子系统组成

3.1 自动化监测子系统

自动化监测子系统的监测点布置主要集中于隧道支护结构和周边环境对象受力或位移变化较大的部位，作用是反应隧道自身和周边环境安全。方斗山隧道长期监测段落主要包括重点病害段、其他段和环境监测，前两项监测项目包括衬砌裂缝、拱顶下沉、周边位移和衬砌应力，监测方法如图5～图7 所示；环境监测项目包括温湿度、排水沟水流量和隧道降雨量，采用对应传感器或装置进行量测。

图5 拱顶下沉和周边位移收敛监测的传感器布置

图6 隧道结构裂缝监测的裂缝计布置

图7 衬砌应力监测的应变计布置

各类传感器采集的监测数据由分布在隧道外场的数据采集站通过光纤以太网传输网络传送至云监测平台，以互联网实现与云监测平台的通信和数据交互。

3.2 云监测与数据采集子系统

方斗山隧道云监测与数据采集子系统可实现现场采集数据的一体化采集、转发、存储和分析展示，其主要基于物联网、云计算和大数据技术，以结构监测为应用场景，由硬件（传感器、网关）、云服务器、终端软件构成结构监测闭环生态圈。子系统为隧道长期运营提供监测云服务的渠道包括WEB 平台和APP 应用等，并可有选择性地对用户开放模块，如GIS 地图集成管理、实时监测数据查看、历史数据查看和下载、数据分析报告、监测预警、终端设备远程监控等。

3.3 数据储存与管理子系统

该子系统采用海量数据存储管理解决方案，解决的是整个长期监测系统的海量监测数据管理问题，实现对原始数据、处理数据、统计数据、大数据仓库等的管理功能，并通过系统集成及用户交互子系统加以展示，如图8 所示。其主要包括数据存储管理和数据预处理和二次处理两个部分。数据存储管理实现对所有数据的存储管理、为用户提供快速便捷的数据访问途径，为大数据分析提供数据仓库，并完成对历史数据的归档和备份还原；数据预处理和二次处理实现剔除原始数据中的奇异值，进行二次处理分析统计，包括在线数据分析和离线高级数据分析，并为数据仓库提供基础数据来源。

图8 大数据分析部分典型界面

3.4 结构预警报警子系统

安全预警报警系统是长期监测系统的核心功能组件，通过监测预警能够使隧道管养单位对异常情况及时做出反应，采取相应控制措施以避免隧道以及周边环境发生安全事故。本隧道监测系统的预警报警子系统在分析巡视信息及周边监测项目变化情况的基础上，根据监测数据、变化速率与控制值之间的相对关系，综合界定数据是否异常，子系统体系如图9 所示。