隧道结构健康监测系统理念及其技术应用.doc

隧道结构健康监测系统理念及其技术应用2012年1月第1期(总160)铁道工程JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYJan2012NO.1(Ser.160)文章编号:10062106(2012)01006706隧道结构健康监测系统理念及其技术应用汪波何川吴德兴2(1.西南交通大学,成都610031;2.浙江省交通规划设计研究院,杭州310006)摘要:研究目的:近年来,随着传感器技术,信息采集技术及测试分析技术的迅猛发展,基于各种监测手段的实时,连续性的结构健康监测系统在土木工程领域中竞相展开,并在诸如桥梁,水利等工程领域得到广泛应用.地下工程领域中,由于围岩一结构自身的复杂性,结构受力状态的不确定性,一直以来对于隧道结构健康监测的研究鲜有问津.研究结论:通过本文研究,得出了以下几点结论:(1)一个完整的TSHMS系统应由数据采集与传输系统,数据分析与处理系统,隧道结构健康评价及预警系统组成;(2)通过对隧道结构力学演变特征的分析,提出了TSHMS系统中应对二次衬砌的受力特征进行长期重点监控的基本思路;(3)结合隧道工程复杂性及其安全评价模糊性的具体特点,在现有常规安全评价体系的基础上引入了模糊综合评判的评价手段;(4)将上述理念应用于苍岭特长公路隧道中,初步建立了一套TSHMS系统,评价结果与实际基本一致,验证了其可靠性.关键词:隧道;结构健康;监测;系统中图分类号:U457文献标识码:AIdeasofTunnelStructureHealthMonitoringSystemandItsTechnologyApplicationWANGBo,HEChuan,WUDering.(1.SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China;2ZhejiangProvieialPlanDesign&ReseachInstituteofCommunications,Hangzhou,Zhejiang310006,China)Abstract:Researchpurposes:Inrecentlyyears,thevariousstructurehealthmonitoringsystemshavebeenusedinthecivilengineeringprojectsandtheengineeringprojects,suchasbridgeengineeringandhydraulicengineeringwiththerapiddevelopmentsofsensortechnology,datacollectiontechnologyandtestanalysistechnology.However,thereisalittlestudyonmonitoringthehealthofthetunnelstructurebecauseofcomplexityanduncertaintyofsurroundingrockstructureandtheloadbearingsituation.Researchconclusions:Fromthestudy,thefollowingconclusionscanbeobtained:(1)Thecompletetunnelstructuralhealthmonitoringsystem(TSHMS)shouldbecomposedofthedatacollection&transmissionsystem,dataanalysis&processingsystemandstructuralsafetyevaluation&alarmsystem.(2)Throughtheanalysisofmechanicalevolutioncharacteristicsofthetunnelstructure,thebasicideaispresentedthatthelongtermmonitoringofthestresscharacteristicsofthesecondaryliningshouldbeespeciallyconducted.(3)Accordingtothecomplexityandindeterminacycharacteristicsoftunnelengineering,thefuzzycomprehensiveevaluationmeansisintroducedonthebaseoftheconventionalsafetyevaluationsystem.(4)WithapplicationoftheconceptsmentionedaboveinthesuperlongtunnelengineeringoftheCanglinghighway,apreliminaryTSHMSisestablishedandtheevaluationresultsarebasically收稿日期:20110815基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2009QK02);国家973项目计划课题(2010CB732105);国家杰出青年科学基金项目(50925830)作者简介:汪波,1976年出生,男,副教授.68铁道工程2012年1月consistentwiththeactualsituation,SOthissystemisreliableKeywords:tunnel;structurehealth;monitoring;system1问题的提出2隧道结构健康监测系统基本概念目前,我国山岭隧道普遍采用新奥法设计施工技术,隧道主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌为主流形式.在具体施工过程中开挖步骤,锚喷支护和模筑混凝土的施设时往往因施工单位的技术水平,围岩和环境条件出现极大的差异而导致同样的主体结构具有不同水平的安全储备.依据国家有关部门已经颁布的相关规范与标准J,隧道结构物在建成之后,在合适的设计,施工和维修管理条件下,应具有良好的承载l生,耐久性和满足耐久性要求的使用寿命.但隧道结构物由于其自身的特殊性,在施工及营运过程中将受到诸如地质,地形,气候条件和设计,施工,运营过程中各种因素等的影响,致使其在长期的使用过程中出现了各种各样的病害.山岭隧道由于其衬砌结构型式多样,地质条件和施工技术复杂,设计时对地质条件的认识不够全面,设计计算理论和方法不够成熟,加上隧道本身的材料老化以及造价,运营期间的监控和维护管理不能及时到位等方面的原因,在我国隧道工程大规模建设的同时,既有隧道和竣工后刚运营的隧道出现了较为突出的病害问题,如成渝高速公路龙泉山隧道衬砌混凝土纵向,斜向裂缝发育(严重地段衬砌变位错台),渗漏水十分严重;四川巴朋公路铁山隧道出现衬砌开裂,错台,掉块,渗水等病害,危及到行车安全,被迫关闭交通;重庆市万县与开县交界处大垭口隧道出现了衬砌开裂和渗漏水现象J,等等.上述这些隧道病害不但使隧道结构的稳定性受到一定程度的破坏,安全可靠性降低,影响了其作为快速安全交通通道的使用功能,同时未达隧道结构设计基准期就急需大修,花费了大量的资金,这显然是与建设隧道的初衷相违背的.针对隧道出现的上述病害反思现今我国在建的长大隧道工程:如何在现今的隧道建设中进一步完善其主体结构的检查及监测方法?如何在病害出现之初就能发现并及时做出预警报告?如何依据隧道的监测数据对隧道的健康状况做出适度的评价等一系列问题都有待于进一步的深入研究.因此,针对上述问题并结合典型长大隧道的施工过程,对各类长大及复杂地质环境条件下的隧道主体结构展开从施工到运营期结构健康全过程监测技术的研究具有重要的现实意义.2.1结构健康监测系统在隧道工程中应用现状近年来,随着传感器技术,信息采集技术,数据处理技术,计算机技术的迅猛发展,结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,简称SHM)虽已经应用于土木工程的各个领域,但世界范围内对于结构健康监测的研究尚均处于刚刚起步阶段,目前比较通行的定义是由Housner【11于1997年提出的:利用现场无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的.虽然这个定义在国内被广泛接受,但在国际上尚未形成一个权威性的定义.鉴于SHM在大型基础工程中的广阔应用前景,各国都已经在积极开展该项技术的应用研究,并在航空航天,桥梁,建筑物等各领域取得了阶段性的成功,部分成果已经应用在工程实践当中H.相比而言,结构健康监测在隧道领域的发展,则明显滞后于桥梁工程等领域.近年来,随着我国隧道工程由于施工,地质,地下水侵蚀等因素引起锚杆失效,钢筋锈蚀,混凝土质量劣化等,从而导致衬砌结构在长期的使用过程中出现了各种各样的病害,使隧道结构的稳定性受到一定程度的破坏,衬砌结构的安全可靠性降低,造成危及行车安全的重大问题后,对于运营隧道主体结构的健康检测逐渐得到重视,但现行的对于隧道结构健康状况评估多是传统意义上的通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行.由于传统检测方法存在诸多缺点和限制,它们无法直接有效地应用于大型隧道工程的健康状况检查,因此,有必要建立和发展一个针对各类长大及复杂地质环境条件下的从施工到运营期一体化结构长期安全监测系统,即隧道工程中的SHM.但截至目前,对于隧道建成后运营期间结构安全性的健康监测研究却鲜有问津,这主要与隧道工程实际应用中受到诸多不利因素的控制有关:首先,隧道工程中的不确定性因素和复杂的工作环境对结构的安全性监控造成了很多不利的影响,导致了目前隧道工程中整体监测的许多困难;其次,对隧道在使用年限内工作特性的变化缺乏深入的研究,对既有隧道结构功能状态的判定和评价难以建立客观统一的标准;再次,以新奥法为代表的现行隧道结构体系,并不是单纯的混凝土结构,围岩在隧道结构健康中扮演着重要的角色,上述特征导致对隧道的结构安全性评价带有很大的模糊第1期汪波何川吴德兴:隧道结构健康监测系统理念及其技术应用69性;最后,也与前期对隧道结构健康的关注不足有关.2.2隧道结构健康监测系统的基本理念隧道结构健康监测技术是一门涉及众多领域(如土木工程,测试技术,分析技术等)学科交叉的综合性系统工程,直接全面反映了一个国家隧道建设与管理维护水平.由于隧道与一般的地表结构物不同,隧道的构成体系,尤其是以新奥法为代表的现代隧道构成体系,并不是单纯的钢筋混凝土结构,围岩在隧道结构健康中扮演了极为重要的角色,这也正是隧道结构健康监测区别于其它如桥梁结构健康监测的一个本质特征.隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体.在通常情况下,围岩是主要的承载单元,而支护结构是辅助性的,但也是不可缺少的,在某些特殊情况下,支护结构也是主要的承载单元.因此,在进行隧道结构健康监测时,要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用.依据结构健康监测系统的基本定义结合隧道工程的自身特点,同时借鉴结构健康监测系统在其他土木工程中的具体概念特点及其在隧道工程中的应用现状,定义隧道结构健康监测系统(TunnelStructuralHealthMonitoringSystem,简称TSHMS)如下:通过在隧道典型位置埋设无损传感设备,以网络传输技术,信息采集技术,数据处理技术及计算机技术等为基础,形成隧道基本健康监测网络,实现对隧道围岩一结构受力,变形等特征的实时,长期监控,根据隧道自身特点建立隧道结构安全评价及预警系统,根据监测数据对隧道围岩一结构的力学行为特征进行分析研究的同时借助于评价系统对隧道整体安全性状况进行评估,科学评价隧道结构安全性的同时,对可能出现的危险状况及时预警,并据此指导安全运营及合理配置养护资源,如图1所示.隧道结构健康监测系统现场数据采集Il数据分析与及传输系统Il处理系统隧道结构健康状态评估及预警系统繇IIIl嚣馨ll监测元器件llI征分析ll全评价体系lll【lI力形成隧道结构健康监测局域网传输系统形成隧道建成之初及后期运营期间围岩一结构的力学行为特征图1隧道结构健康监测系统概念图据隧道结构健康监测系统的基本定义及其图1可以看出,一个完整的TSHMS应由若干个埋设无损传感器系统的监测断面,数据采集及转换系统,网络传输系统,数据处理与控制系统,围岩一结构安全评估体系等组成.具体来讲,要建立一个完整的TSHMS系统应使如下几个部分有机结合:即首先现场埋设无损传感采集设备获取施工至后期运营期间围岩一结构连续,实时的数据信息;其次将获取的数据信息适时采集并转换成数字信号通过与隧道机电部分整合形成局域传输网络,输送到数据处理与控制系统;再次由数据处理模块对采集输送的数据进行存储及后期处理;最后利用自行开发研制的根据隧道自身特点建立起来的结构安全评价系统完成对隧道主体结构安全性状况的评估工作,评估隧道在整个运营过程中实时的工作状态,对危险状况及时预警,为隧道的定期检查和维修提供直接依据.开发隧道结构智能评价及预警系统软件预测隧道围岩一结构力学行为未来演变趋势形成隧道结构健康监测安全智能评价系统3基于应力监测的隧道健康监测系统的实现3.1长期监控项目的比选分析根据TSHMS定义可知,对于隧道结构长期健康监测一般集中在形变观测和受力监测等两个方面.从目前国内外已实施的隧道结构健康监测系统来看,基于变形观i贝0者居多,究其原因主要受新奥法理念的影响,围岩变形观测基本贯穿于隧道开挖全过程,基于围岩变形判别岩体稳定性积累了丰富的实践经验;再者,变形监测相对简单,易于实现.但是当隧道建成后,由于围岩被支护结构封闭,难以量测,因而隧道运营期间的结构健康监测以支护结构,尤其以二次衬砌的变形监测为主,考虑到二衬刚度较大,对于岩体变形的反映相对滞后,且因施工质量等问题而使二衬形变存在众多不确定因素,可能导致长期健康监测过程中错误的安全识别或不及反应的突发变形,未达到长期监控的本质目的,加之结构安全变形的判别基准难以确定及如70铁道工程2012年1月何有效利用现场有限的形变数据来判别整体结构的安全性等问题的存在,使得基于形变观测的结构健康监测系统应用存在诸多限制.近年来,随着光纤传感器技术,数据传输技术的快速发展,基于应力监测的隧道结构健康监测系统逐渐被提出,其较之形变监测具有以下优点,首先,应力监测传感器直接埋植于结构内或围岩与结构之间,能直接,快速反映围岩,结构的力学变化特征,便于做出准确的安全判别,其次,对于隧道结构的力学演化特征研究成果颇多,结构的受力判别基准较为明确,对于结构的安全性判别概念更加清晰.鉴于此,本文拟选用应力观测为结构健康监测系统中的长期监控项目.3.2基于应力监测的隧道健康监测系统的实现3.2.1依托工程概况苍岭隧道位于浙江省中部,隧道设计为双洞分离式单向双车道特长公路隧道,双洞中心间距40m,双线全长15141m,其中左洞7536m,右洞7605m,隧道最大埋深768m,处于深埋高地应力条件下.该隧道主要穿越以花岗斑岩,熔结凝灰岩为主的级,级围岩,隧道区内构造较为简单,岩体完整性较好.考虑到苍岭隧道长大深埋等特殊工况,从隧道建设之初就提出了长期健康监测的概念并逐步实施.3.2.2基于应力监测的长期监测项目及典型断面的选取据已有研究资料显示,随着使用年限的逐年增加,隧道场体的覆存条件将发生变化,既有衬砌结构也将出现渐进性损伤,尤其是隧道建设初期的设计理念中将初期支护视为临时支护,对于其使用过程中的耐久性及长期安全性重视程度不足,导致已运营的部分隧道衬砌结构尤其是初期支护在建成之初及后期运营过程中部分或全部失去支护能力,从而致使已有的荷载逐渐向二衬转移,二衬也由隧道建成之初的部分承载或安全储备逐渐过渡为重要承载单元,隧道的最终安全性状况也将由二衬的现存状态得以具体体现.其次,隧道建成后围岩被支护结构封闭,难以量测,因而运营期间的结构健康监测以支护结构,尤其以二次衬砌的变形或受力为主.依据前述分析,在苍岭隧道结构健康监测系统中选择应力监测作为长期监测项目,并将监控重点拟定在隧道主体支护结构二次衬砌上,重点监测隧道营运期间初期支护与二次衬砌之间的层间压力和二衬的内力变化特征,仪器布置如图2所示,据此来判断结构的安全性状况.当然,实时健康监测系统虽可为隧道结构的安全性评估提供及时客观的依据,但由于资源,成本等方面的限制,就目前情况而言,传感器系统不可能涵盖整个图2长期监控量测仪器布置示意图隧道的所有断面.因此,针对苍岭隧道在综合考虑其工程水文地质,断面形式,隧道埋深等具体状况后,左右洞各选择具有典型代表意义的10个断面作为隧道长期监控量测断面.3.2.3基于应力监测的隧道结构健康监控网络的形成TSHMS系统中监控网络的形成一般采用主动监测技术对隧道结构进行长期监测,隧道主动监测系统是通过现场安装,埋设传感器来监测隧道结构的变形或受力变化.它分为两个阶段:第一阶段,在施工中进行,包括安装,埋设传感器并读取数据,据此分析隧道在施工阶段的受力变化特征;第二阶段,在隧道竣工后长时间内进行,通过光纤通讯网络把传感器数据传至中心控制系统,通过计算和分析来确定隧道受力特点和安全及健康性能.根据隧道工程的各自特点及现有测试技术水平及精度状况,常用的传感设备采用光纤光栅传感技术或振弦式传感技术组成监测系统.不同的传感器设备在形成隧道结构健康监测网络过程中基本模式存在差别,如光纤光栅传感器直接采用光纤传输即可;而振弦式传感器由数据采集仪进行数据采集,数据采集仪留有接口,该接口与光纤数据协议转换器交换数据后,再由光纤数据协议转换器将该数据进行光纤传输.因此,根据苍岭隧道长期健康监测系统中采用振弦式传感器的特点,施工期埋设长期监控元器件过程中在弱电缆槽侧预留有集线箱用于将长效无损传感器接人数据采集仪,并配备相应的电源存放其中(图3),在完成各独立监控断面处的无损传感器与自动采集仪的连接后,将不同断面的自动采集仪间利用事先预留在弱电缆槽中的总线传输系统进行串接,再通过传输系统接至位于中央控制室的主控计算机,形成隧道结构健康监测系统的远程传输网络,如图4所示.3.2.4基于应力监测的隧道结构健康评价体系的形成一个完整的TSHMS除形成现场监控及数据传输第1期汪波何川吴德兴:隧道结构健康监测系统理念及其技术应用71图3现场各典型断面处集线箱图图4传感器接入局域网的示意图网络之外,其还包含对隧道支护体系安全性状况评价系统的研究,但对于TSHMS来说,主体结构的安全性状况除结构自身之外,结构的覆存条件围岩体的稳定性也极为重要,因此TSHMS中对于结构安全性的评价也应从支护结构扩展至隧道围岩,但由岩体力学可知:隧道围岩的稳定性往往因岩性,地质构造,地应力场状况,地形地貌,地下水等条件的差异而带有很大的模糊性,这就使得TSHMS比一般意义上的结构健康监测系统更为复杂,其安全评价体系研究难度更大,由此也导致了目前虽然对于隧道结构健康监测系统的提法较多,但真正付诸于实践的在国内长大隧道中并不多见,而对于隧道支护中主体结构在营运期间安全性诊断和评价的内容更是少之有少.参考目前已有关于隧道健康状况评价的文献资料可知:隧道结构安全性的评价方法很多,各自的适用范围也不同,归纳起来主要包括定性方法,定量方法和定性定量相结合的三种方法.在传统的隧道结构安全性评价中,国内外在隧道结构安全量化评估方面的研究主要是在设计和施工阶段,采用的是规范中推荐的常规计算公式针对隧道主体结构某一截面的受力状况(主要是利用结构中所受轴力,弯矩)进行检算这一单一的评价方法,虽然上述方法在一定程度上能满足结构的安全性评价要求,但仅利用上述简单的量化评价方法对主体结构安全性状况做出合理的评价是较为片面的,这是因为:(1)上述关于隧道结构安全性检算是针对的某一个或几个截面,而并不能对整个隧道内主体结构的整体安全性做出评价;(2)隧道结构的安全性是一个系统的概念,隧道营运期间结构的安全状态是一个外延清楚,内涵模糊的灰色系统,其影响因素既有定性的方面也有定量的方面,且各因素之间彼此相关,相互作用.因此对于隧道营运期间结构的安全性评价应归属为具有模糊性的非确定性问题较为合适,因此,传统的定量分析法应与其他综合评估手段相结合来综合评价隧道主体结构的安全性才更加科学,合理.结合目前现有的工程安全性评价资料可知:对于具有模糊性特点的工程评价时一般采用综合评估方法,所采用的理论主要集中在层次分析法,专家系统,模糊理论,可靠度理论和神经网络等.在结合隧道的自身特性模糊性的基础上,考虑到模糊数学中的综合评判模型在土木工程中对已建工程的安全性评价已广泛应用于桥梁工程,边坡工程等领域,并取得了较为理想的应用效果这一实际情况,对于隧道营运期间结构的安全性评价体系拟采用常规的结构安全性定量分析法与多级模糊综合评判相结合的手段来综合评判,如图5所示.隧道结构安全性评价体系常规的隧道结构安全性评价方法4结论多级模糊综合评判的评价方法综合判断隧道结构是否安全性结论图5结构安全评价体系概念示意图对于大型结构安全性从施工之初至运营期间全过程的健康监测虽然在土木工程领域中得到了广泛的应用,并取得了一定的成果,但总体而言,尚处于起步阶段,尤其在地下工程领域中,由于结构自身的复杂性,受力状态的不确定性,一直以来对于隧道结构健康监测的研究鲜有问津.本文以苍岭隧道为依托,通过对隧道结构健康监测系统全面研究与实施,以期为该隧道营运期间隧道安全性提供有力保障的同时,也试图将结构健康监测概念引入到地下工程中进行开创性的工作,并为在同类工程中实施起到相应的示范作用.但鉴于隧道结构健康监测是一项综合多领域的庞大知识系统,受时间和知识水平所限,尚存诸多不足需要改进,建议今后在以下几方面做进一步的研究:(1)对于隧道施工及建成初期的工程地质特征及主体结构受力特征等早期资料应进行详细,全面系统的研究,进一步优化隧道的设计理论和方法,明确隧道72铁道工程2012年1月在营运期间所受的荷载特征.(2)对于隧道长期安全性监控断面的选择及测点的布置应在兼顾具有代表性的同时,结合先进的数学算法进一步进行优化分析,以期用有限的监测数据获得最大的安全保障.(3)由于隧道结构健康监测系统是一个涉及到围岩和结构相互耦合的承载体系,其中的任何一个因素都影响着隧道结构的安全可靠性,因此,建议在充分研究各影响因素基础上,将围岩的稳定性监控纳入其中.(4)元件的寿命长短是直接影响TSHMS系统有效性的重要因素,随着传感器技术的迅猛发展,外贴式及光纤光栅传感器间得到逐渐应用,建议在监控量测元件选取时,应尽量选择寿命长,抗干扰性强的监控元件,以保证长期监控的有效性.(5)隧道结构的安全性评价是一灰色系统,影响因素众多,结构的破坏模式各异,因此,对于隧道结构安全性评价系统研究建议在本文的基础上应进一步深入,重点研究筛选影响结构安全性的各因素,引人多种评判手段,得出更加科学,合理的结论.(6)以本文研究为基础,结合三峡库区在同时期内修建了大量公路隧道这一特点,西南交通大学何川教授在国内外首次提出了隧道结构安全与健康状态标识系统的概念.为下一步科研工作的展开奠定了基础.参考文献:1何川.苍岭特长公路隧道施工及运营期结构安全一体化监控技术立项报告R.成都:西南交通大学,2004.HeChuan.ResearchProjectonSafetyMonitoringTechniqueforExpresswayTunnelduringPeriodofConstructionandOperationinCang-LingTunnelR.ChengDu:SWJTU,2004.2铁道部基本建设总局.铁路隧道新奥法指南M.北京:中国铁道出版社,1988.BasicConstructionAdministrationofRailwaysMinistryGuideofNATMforRailwayTunnelM.Beijing:ChinaRailwayPubfishingHouse,1988.3JTGD70-2004,公路隧道设计规范S.JTGD70-2004,CodeforDesignofRoadTunnelIS1.4JTGH12-2003,CodeforMaintenanceTechnicalofRoadTunnelS.5GB50010-2002,混凝土结构设计规范s.GB50010-2002,CodeforDesignofConcreteStructures.6向晓军.龙泉山隧道病害诊治J.现代隧道技术,2005(2):6571.XiangXiaojun.TreatmentofDefectsinLongquanshanTunnelJ.ModernTunnellingTechnology,2005(2):6571.7李治国,曹桢楹.铁山隧道病害治理技术J.铁道工程,2000(1):7781.LiZhiguo,CaoZhenying.TechniquesforTreatmentofDisasterinTieshanTunnelJ.JournalofRailwayEngineering,2002(1):7781.8吴焕通,李海锋,刘宏宇.铁山隧道煤层采空区病害综合治理J.世界隧道,2000(1):5357.WuHuantong,LiHaifeng.IjuHongyu.ComprehensiveTreatmentatCoalmiIlilngZoneinTieshanTunnelJ.WorldTunnel,2000(1):53-57.9丁锐.大垭口隧道病害整治施工技术J.现代隧道技术,2001(5):5356.DingRuiTreatmentofDefectsinDaYa-kouTunnelJ.ModernTunnellingTechno