唐 超, 刘 春, 张鑫雨, 周义舒

(重庆科技学院安全工程学院, 重庆 401331)

目前，我国已经成为世界上隧道数量最多、里程数最长的国家。隧道工程由于其自身的特殊性，随着运营时间的不断增长及复杂地质条件、人为破坏等多重因素影响下，导致隧道产生结构劣损、渗漏水等多种病害，这些病害会破坏隧道结构的稳定性从而影响隧道正常使用。现行JTGH12-2003《公路隧道养护技术规范》中提出“宜开展运营期长期监测”。因此，合理开展隧道结构健康监测，及时准确地掌握隧道结构健康状态尤为重要。随着“互联网+”时代的来领，传统的监测技术已经不能满足现代隧道施工运营监测的需求，发展更智能更高效的隧道结构健康监测系统是必然趋势。

近年来，随着传感器技术及互联网相关技术的快速发展，结构健康监测(SHM)逐渐应用于土木工程各项领域。与传统的隧道人工监测有所区别，隧道结构健康监测主要是通过在隧道结构内部或典型断面埋设无损传感设备，对隧道内部结构的受力变形特征进行实时、连续、长期性监测，基于互联网相关信息技术对监测数据进行系统性分析，判断隧道结构损伤程度，做出针对性防护措施，确保隧道结构的安全稳定性。隧道结构健康监测系统是各项现代化技术集成于一身的综合性系统工程，建立并完善TSHMS可以做到全面了解隧道结构安全状态，及时发现安全隐患并进行实时预警。

2.1 基于应力监测的TSHMS应用现状

从20世纪70 年代开始，光纤传感技术就已经开始被运用于实际工程中，研究人员通过采用在航天器结构内部埋设光纤传感器的方法来监测其内部结构的应力变化情况，并探究其损伤程度。光纤传感技术因其具有分布式、精度高、抗干扰、实时性及耐腐蚀等多项优点，因而被隧道结构监测界广泛应用。其工作原理主要是将光纤传感器预先埋进钢筋混凝土结构中，从而可以做到对监测隧道结构内部应力及应变状态进行实时监测。隧道结构健康监测主要集中在变形监测、环境监测及受力监测3个方面，而目前国内外研究方向大多集中在隧道变形监测方面。

在国外，英国伯明翰大学的研究员对隧道运营期间结构受力、锚杆应力应变等项目进行了监测，应用FBG传感器对隧道进行实时远程健康监测，日本、荷兰、韩国等都在隧道内建立了长期安全监测系统，针对混凝土应力、衬砌变形等问题进行实时监测，一旦隧道形变超出设定标准，系统就会发出预警[1]。在国内，关于隧道结构健康监测的研究起步较晚，但随着传感器技术及相关信息传输数据处理技术的高速发展，我国研究人员也在隧道健康监测方面取得了一定的成果。南京大学丁勇等[2]提出了隧道结构健康监测系统的概念，并阐述了SOFO、FBG、BOTDR等光纤传感器在应力应变监测中的原理及实际应用。西南交通大学何川教授团队依托苍岭隧道构建了隧道监测结构健康系统，以二衬的应力监测为长期监测项目，通过光纤传感器收集监测数据，信息汇入局域网获取隧道健康状态[3]。毛江鸿[4]利用 BOTDA 技术进行隧道衬砌结构的应力监测，通过理论分析结合具体实验探究了传感器在隧道结构中的埋设问题。

2.2 基于物联网技术的TSHMS应用现状

物联网技术被称为继计算机技术、互联网技术之后的第3次技术革命，其具有的3大基本功能分别是：泛在化的传感单元；
异构性的网络设施；
普适性的数据分析。具体而言就是将传感器嵌入结构中，从而实现智能感知，然后将感知系统与现代互联网技术相结合，经过计算机强大的分析整合能力将监测信息无线传输至管理中心，从而实现对结构的远程、实时动态管理。基于物联网的TSHMS的架构体系包括：智能化的感知层、以无线无损传输为代表的网络层及通过物联网大数据整合的应用层。随着物联网技术的日益成熟，传统传感器已逐步向智能化微型化发展，目前采用无线传感器网络技术(WSN)进行隧道结构健康监测的方法，可以做到监测数据的无损传输，充分发挥出物联网的优势。国外研究人员研发了一套隧道无线传感网络监测系统并应用于伦敦地铁，该系统可将监测数据汇总至终端然后通过GPRS网络传输至因特网以供实时查询。姜晨光等[5]提出了基于物联网的隧道智能监测体系，利用传感器技术获取隧道健康状态信息，结合物联网技术将监测信息无线传输至管理中心，实现远程实时动态监测。国内学者张意[6]基于UWB(超宽带)无线传感网络技术构建了隧道结构健康监测系统，并建立了基于森林随机算法的隧道监测评价体系。周游游[7]设计了基于ZigBee无线传感器网络的地铁隧道结构健康监测系统，并通过实际应用进行了验证，效果显著。吴贤国等[8]将BIM技术与物联网技术相结合，设计了更智能化的隧道结构健康监测系统，实现了监测预警三维可视化，并成功应用于武汉地铁三号线。

2.3 隧道结构健康监测系统的构建

2.3.1 长期监测项目的选定及相关典型断面选取

监测项目为施工阶段的隧道围岩监测及营运期的二衬变形受力监测(表1)，根据地质勘查资料合理选取一定数量典型断面进行传感器的布设，监测点应布置在应力及结构变形较大的位置，在变形监测方面结合目前应用广泛的测量机器人、三维激光扫描仪、全站仪等设备进行辅助监测。

表1 主要监测项目及仪器

2.3.2 基于物联网技术的隧道监控网络的形成

TSHMS通过埋设传感器，实现对隧道结构及围岩的变形受力监测，随着现代信息技术的高速发展，监测数据的获取与传输变得更加容易，利用物联网的优势可以构建隧道智能监控网络。基于物联网的TSHMS具有数据采集传输、数据处理分析及数据储存与用户交互的功能(图1)，依托物联网无线传输通信技术、信号处理分析算法、相关数学评价方法形成隧道健康评估体系，该评价体系可以监测隧道各分段主体结构的安全并对其进行评判。

图1 基于物联网的隧道结构健康监测系统(TSHMS)架构

2.3.3 隧道结构健康系统预警体系的形成

一个完整的隧道结构健康监测系统，不仅需要现场的实时监控及数据的无损传输，还需要根据目前隧道损伤情况，利用严谨科学的分析方法及客观的数学模型，得出隧道结构的安全状况，判定其使用性能，基于此构建安全预警体系。由于隧道自身具有的特殊“模糊性”，可以采用模糊数学与神经网络相结合的方法构建评价体系。

隧道结构健康监测系统是保证隧道结构安全稳定性的关键一步，本文系统阐述了隧道结构健康监测系统在施工及运营阶段的研究现状及相关应用，通过分析隧道结构健康监测系统现存的不足之处，认为 TSHMS未来的发展方向有：

(1)充分结合光纤传感器与无线传感器的优点，研发全自动的采集设备，发展基于物联网的隧道结构健康监测系统，将物联网技术的全方位无缝对接功能应用到TSHMS中来，提高系统可靠性。

(2)发展基于深度学习和人工智能技术的隧道结构健康监测体系，结合现代5G信息技术、云计算平台等最新技术，优化隧道监测数据采集、传输、处理分析能力，发展更智能化的监测管理系统。

(3)研发手机APP等移动终端，建设类似Android、IOS系统的TSHMS预警系统，对所有监测项目进行集成化，统一规划管理并提供实时预警功能。随着科技的发展，隧道结构健康监测系统将日趋完善与优化，并在隧道管理工作中发挥重要作用。

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