任喻云，杨 航

（1.四川长瑞土木工程检测有限公司，四川 成都 610000；2.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610000）

结构健康监测的概念最早由Housner[1]提出，泛指监测工程结构损伤和退化。由于国内工程领域发展迅速，工程结构健康状态的周期性监测需求量较大，以结构健康监测为基础的工程类结构健康监测系统越来越完善；该系统在国内大多用于大跨径桥梁的结构监测，在隧道结构健康监测方面应用实例反而不常见，国内大多采用的是传统监测方式。随着国内光纤技术发展成熟，该技术与隧道结构健康监测结合起来，使隧道结构健康监测系统有了发展机遇。隧道健康监测系统能在监控重大结构的变形、及时发现结构部位损伤领域发挥超出预期的效果。中国公路隧道建设如火如荼，每年都有大量的隧道新建，因此建立长期有效的隧道结构健康监测系统，取代传统的周期性人工监测，全面实时地了解隧道结构健康情况是十分必要的。

1 隧道结构健康监测系统

隧道结构健康监测系统（Tunnel Structural Health Monitoring System,TSHMS）与传统的隧道人工监测不同，该系统可以在隧道某一断面位置上预埋监测传感器，通过传感器等一系列设备获取的数据对隧道进行实时、长期的健康监测。本质上是对隧道监测系统在时间域上的拓展和延伸，继承了隧道监测系统部分优点且形成了本身独有优势：（1）能实时观测隧道结构沉降、变形及受力状态，确保隧道健康运营；（2）预测隧道内监测对象在未来的变形趋势，根据获取到的一系列变形发展趋势，决定是否需要通知相关单位采取相对应的防控减灾措施；（3）为隧道的运营安全提供可靠的信息，建立“一出问题多方响应”的机制；（4）系统所采集到的监测数据经过计算机的数理统计、计算判断及人工分析后，进行监测对象的预测和反馈，以确保隧道在运营过程中的稳定；（5）积累相关的监测资料，为以后的相似工程提供参考依据[2]。

1.1 系统组成

隧道健康监测系统（TSHMS）根据信息传输方式不同可以大致分为两类，采用光纤光栅有线传输和采用GPRS（GPS）或ZigBee技术无线传输两类[3]。但隧道健康监测系统组成都大同小异，主要分为硬件系统和软件系统两部分，如图1所示。其中传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统组成硬件系统部分用来感知采集数据；数据库子系统、数据处理与控制系统、安全评价和预警子系统组成软件系统部分用来数据传输与处理，通过软硬设备间相互协同，实现隧道结构监测系统[4-5]。

图1 结构健康监测系统构成

（1）整个结构健康监测系统的基础组成部分是传感器子系统，是真实、实时和可靠的提供各监测项监测数据的基础；传感器子系统通过预埋传感器对隧道结构的变化进行感知，通过应力、压力、振弦式传感器等采集到的信号对结构的变化进行定量，通过后续子系统转换成数理统计值及变化趋势图，从而分析结构的受力及其他参数。

（2）数据采集子系统收集传感器子系统测量的环境条件和采集到的结构自身变化信号，并将该信号处理成数字信号。

（3）数据处理与控制子系统是对采集到原始数据进行处理和初步分析的关键。该系统的功能主要是通过系统内置的软件、硬件快速检校处理，对获取的数据进行检验、初步分析、为后续子系统的运行建构框架，响应系统的指令等等。

（4）安全评价与预警子系统主要就是通过各个子系统所采集和分析的结构变化情况结合隧道运营过程中的其他因素，对结构的内力、应力、变形情况等进行统计分析，以确定是否需要预警。

1.2 系统主要监测项目

根据公路运营隧道技术特点，以《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)及《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2019）为依据确定监测项目，系统主要的监测项目如表1所示。

2 工程实例研究

2.1 项目概况

汶马高速公路通化隧道1号进口浅埋段为强至中风化绢云石英千枚岩及绢云千枚岩，受构造、风化影响，岩土较破碎，结构面结合较差，属较软岩，岩体呈碎裂层状结构，千枚岩遇水极易软化，强度极低。隧道开挖后易垮塌冒顶，地下水类型主要为基岩裂隙水，呈点滴状、线状渗出为主。洞口处存在不稳定斜坡，坡体易失稳形成滑坡、崩塌、溜坍等不良地质。为避免隧道进口在运营过程中发生山体滑坡时对隧道结构造成影响，造成较大的损失；对隧道洞口段实施结构健康实时监测，在隧结构健康监测云平台上呈现数据结果；以便发生山体滑坡时实时提供数据支持，研究解决方案。

表1 主要监测项目

2.2 监测内容及布点方式

由于资源、成本等方面的限制，一般而言，传感器系统不会涵盖整个隧道的所有断面，多数采取重点部位与高危部位结合监测的方式[6]。因此，针对通化隧道1号进口在综合考虑其工程水文地质、断面形式、隧道埋深、运营过程中隧道材料老化、地下水侵蚀冲刷、结构受力情况变化及车辆荷载等不利因素影响会对隧道衬砌形成一定水平的病害，可能发生裂缝、渗水及结构物侵限等，影响行车安全。因此针对此隧道运营过程中容易出现的病害类型、重点监测内容，根据施工要求制定，在该隧道洞口段设置两种参数（衬砌结构变形、围岩内部位移），设置需结合监测的预报与断面监测计划，准确及时地获取隧道结构受力情况及变形情况并反馈预警，制定应对方案是合理、必要的。

（1）衬砌结构变形监测。隧道在营运过程中衬砌结构变形会导致隧道内构造物侵入建筑界限，影响行车安全，变形过大会导致难以挽回的损失。变形往往伴随着其他显而易见的病害类型，如裂缝、渗水返碱、路面隆起或下沉等。考虑到健康监测系统“实施可能、经济合理”的原则，可根据隧道地质资料中地质分段部位、养护过程中发现变形的位置、裂缝及渗水严重的断面分别布设两个高精度激光测距仪；长隧道及特长隧道宜根据实际情况适当增加监测断面。

在B点处布置两个两个高精度激光测距仪，一个指向另一侧拱腰，一个指向拱顶，拱顶中线及拱腰位置分别布设激光靶标，如图2所示。测出AB间距和BC初始间距，通过变形前后的数据分析就可以得到拱腰收敛量和拱顶的沉降。

图2 结构变形监测测点布置图

拱顶沉降采用等比法，其原理为在拱顶布设一个固定的水平板，通过激光测距仪测定传感器安装位置与平板的初始距离AB；通过全站仪测出平板距BD水平线的初始垂直距离AC。

当拱顶累计沉降量为△h时，通过激光测距仪测量出三角形此刻斜边BF的长度，由等比法可知：

式中AE=△h，AF=AB-BF，故此△h=。

（2）围岩内部位移监测。山区隧道作为穿越山体的结构物且大多为钻爆法施工，伴随着大地脉动、构造变化、地质灾害等一系列的因素，这些因素会使隧道开挖断面的基岩相对于隧道支护体系产生一定量的位置变化，而变化的过程和结果经现场实施和研究确定是可以进行动态观测的。在已运营的隧道中，可以基于日常维护调查所确定的可能发生或已经少量发生位移的位置布设多点位移计，通过多点位移计相对位置的变化实时的观测围岩变化情况，如图3所示。

图3 围岩内部位移监测测点布置图

2.3 数据分析

用不同时间段同一参数变化趋势分析及不同监测参数的同一时间段内的参数相关性分析的方法来获得结构物的变化状态。利用相关性分析对两个或多个具备参数之间具备相关性的变量进行统计分析，通过两个变量的相关性分析出参数的相关密切程度；通过对安装完成后两个月的实时监测数据进行记录，自动生成变化趋势图。根据趋势图可以看到任一时间点的数据和长时间监测时间段内的数据变化趋势。

（1）衬砌结构变形分析。针对结构变形的周期及特点，提取出变形特点较为显著的时间段进行分析。变形趋势如图5所示。

根据数据变化趋势可以看出在设备埋设完成开始监测后，衬砌处于缓慢变形状态。拱顶下沉量及周边收敛均在缓慢增大，呈线性关系。衬砌变形在2020年1月13日时达到峰值并处于稳定状态，拱顶下沉及周边收敛数值均为3mm，未侵入建筑界限故无须预警。

（2）围岩内部位移数据分析。围岩内部位移传感器监测所得数据为负，表示岩体位移方向有侵入隧道断面的趋势，衬砌受压；与衬砌结构变形同一时间段的围岩内部位移变化趋势如图6所示。

图5 衬砌结构变形数据变化趋势图

图6 围岩内部位移数据变化趋势图

根据数据变化趋势可以看出围岩内部位移在2019年12月30日变化较大，表明隧道断面处围岩在该时间段内可能受围岩内部小型滑移的影响，如果数据继续呈断崖式增长可能形成山体滑坡，该时间段内围岩处于不稳定状态。因此要通过预警，提醒相关部门采取办法应对。可以看到位移数据于2020年1月1日再次少量增加后开始趋于稳定，于2020年1月13日基本稳定。围岩内部位移变化趋势与衬砌结构变形趋势基本相符，两者存在一定的相关性。

3 结论

（1）文章细分了结构健康监测系统的各个构成组建，通过数据分析表明结构健康监测系统能在运营隧道中有效地运行，能够通过长期不间断观测实时掌控隧道结构状态，确保结构安全。

（2）于2019年12月30日发生的小型围岩位移所产生的滑坡对该隧道洞口监测段结构的影响不大，隧道衬砌结构变形及围岩内部位移在一个月内趋于稳定。

（3）结构健康监测系统能监测某个点或断面的结构受力和变形状态，但不能以一个断面的状态来考量整个隧道，因此须在必要时增加监测断面数。

（4）仍需要进一步研究的问题，首先是对仪器精度和可靠度的研究，只有保证了数据源头的真实性才能保证监测结果的准确性；其次是对结构健康监测系统预警阈值的研究，围岩的差异性、结构物的受力状态不同及修建完成交付后隧道不同阶段受力、变形的临界值也会有所不同，需要通过大量的数据及案例统计分析来设定。