周 彪

（同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092；同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系 上海 200092）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程、能源開發(fā)進(jìn)程逐步加快，以及“一帶一路”等倡議不斷推進(jìn)，亟須建設(shè)大量軌道交通、地下廠房、能源及輸水管網(wǎng)，地下空間開發(fā)及地下工程建設(shè)正朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化方向發(fā)展，對(duì)支撐國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到日益重要的作用。然而，由于地下工程隱蔽性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)日益增高，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和測(cè)試技術(shù)已逐漸不能滿足地下工程建設(shè)和運(yùn)維發(fā)展需求。

為推動(dòng)本科教學(xué)適應(yīng)地下工程測(cè)試與監(jiān)測(cè)技術(shù)學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)及技術(shù)變革需求，綜合學(xué)生創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力培養(yǎng)需求，打造適應(yīng)未來土木工程所需的復(fù)合型人才，亟須在本科課程教學(xué)中向?qū)W生傳授監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)的新方法新原理，引入新技術(shù)及新裝備，闡述新應(yīng)用，驅(qū)使學(xué)生了解技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，為將來引領(lǐng)未來技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。

為此，本文擬在分析地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合思政教育及知識(shí)體系培養(yǎng)需求出發(fā)，以測(cè)試原理與方法、技術(shù)與裝備、典型工程應(yīng)用為主線，體系性地講述地震波、探地雷達(dá)、激光掃描及光纖測(cè)試等原理、介紹相關(guān)技術(shù)與裝備在樁基工程、基坑工程、盾構(gòu)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，構(gòu)建形成了地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)課程體系。

1 地下工程特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 地下工程的特點(diǎn)

地下工程建造于巖土體介質(zhì)中，巖土體屬于固—液—?dú)馊嘟橘|(zhì)，在受外部荷載及地下水賦存等環(huán)境變化作用下，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)具有復(fù)雜多變性，導(dǎo)致巖土介質(zhì)與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相互作用也呈現(xiàn)不可預(yù)測(cè)性，衍生出建造和運(yùn)營(yíng)階段大量風(fēng)險(xiǎn)。

其中，在地下工程建設(shè)階段，安全隱患的孕育和發(fā)展具有隱蔽性，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生具有突發(fā)性。以日本福岡一主干道下方地鐵建設(shè)隧道坍塌事故為例，雖然在地鐵開挖施工過程中對(duì)地面道路進(jìn)行了變形跟蹤監(jiān)測(cè)，以反饋地層擾動(dòng)及周邊環(huán)境影響水平。但由于道路路面及路基層剛度過大，導(dǎo)致路面沉降未能及時(shí)有效地反映下部地層損失及土層變形，當(dāng)變形超過閾值后產(chǎn)生了突發(fā)性的地鐵坍塌事故，產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)監(jiān)測(cè)廣度和深度都提出了新的要求。

在運(yùn)營(yíng)期，以山嶺隧道為例，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng)，隨著隧道壁后巖土體性質(zhì)、地下水賦存環(huán)境等發(fā)生變化，易導(dǎo)致巖土體產(chǎn)生滑移、大變形，壁后空洞等施工期缺陷也會(huì)逐步惡化，間接引起襯砌開裂、脫落等事故。近期在四川發(fā)生的隧道襯砌塌落事故就沒有得到有效的預(yù)警，導(dǎo)致1 人死亡，類似事故隨著運(yùn)營(yíng)年限增長(zhǎng)逐步增多，運(yùn)維壓力逐步顯現(xiàn)，對(duì)于快速化全域化測(cè)試技術(shù)需求日益迫切。

為此，隨著地下空間朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化發(fā)展，地下工程建造體量逐步增大，工程壽命及運(yùn)營(yíng)時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，地下工程風(fēng)險(xiǎn)也與日俱增，相關(guān)監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)也亟須更新迭代，以滿足地下工程安全建造與運(yùn)維需求。

1.2 監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

鑒于地下空間及工程自身及環(huán)境因素的復(fù)雜性，鄰近工程影響的日益增多，地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展也發(fā)生深刻的變化。呈現(xiàn)測(cè)試參量由少變多、測(cè)試范圍由小變大、測(cè)試周期由短周期向全壽命周期轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著風(fēng)險(xiǎn)防控由被動(dòng)朝主動(dòng)方向轉(zhuǎn)變，監(jiān)測(cè)和測(cè)試也由早期僅滿足被動(dòng)監(jiān)測(cè)與測(cè)試要求，朝測(cè)控同步發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

具體而言，監(jiān)測(cè)與測(cè)試參量逐步增多，從原有聚焦變形與應(yīng)力、應(yīng)變等單一及有限量的物理量外，到當(dāng)前監(jiān)測(cè)與測(cè)試過程中還需綜合考量環(huán)境因素、強(qiáng)度等與地下工程性能演化過程相關(guān)的參量，特別是在考慮測(cè)控同步應(yīng)用的場(chǎng)景中，還需對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與反饋；測(cè)試區(qū)域由小變大，由原先重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)及表觀參量之外，逐步過渡到綜合考慮結(jié)構(gòu)壁后巖土體隱患及結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的精細(xì)化測(cè)試，形成了諸如移動(dòng)檢測(cè)車等快速化廣域檢測(cè)技術(shù)與裝備體系。同時(shí)地下空間全壽命周期的測(cè)試的應(yīng)用也日益增多，對(duì)重難點(diǎn)區(qū)域與對(duì)象開展實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，發(fā)展了全壽命期數(shù)字化監(jiān)測(cè)與智能感知等系統(tǒng)。

為適應(yīng)上述測(cè)試需求的轉(zhuǎn)變和技術(shù)發(fā)展的需求，監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)本身正朝高精度、小型化、自動(dòng)化、集成化、智能化及遠(yuǎn)程化方向發(fā)展。開發(fā)了大量高精度傳感元件并實(shí)現(xiàn)了小型化，并在測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)施過程中，通過加強(qiáng)自動(dòng)化、集成化水平，推進(jìn)地下空間風(fēng)險(xiǎn)管控“一屏縱覽”等系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與反饋控制。同時(shí)，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，在既有系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)分析及反饋控制方面智能化技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛。

2 本科教學(xué)及培養(yǎng)需求

2.1 思政教育

地下工程體量大，大量的工程均為國(guó)家重點(diǎn)工程，受眾廣、社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值大，是體現(xiàn)我國(guó)基建強(qiáng)國(guó)的重要載體。在本科教育階段，學(xué)生正處于職業(yè)榮譽(yù)感及使命感培養(yǎng)的重要階段，應(yīng)加強(qiáng)思政教育，灌輸監(jiān)測(cè)和測(cè)試過程中“人”的決策和使命對(duì)于確保工程安全、實(shí)現(xiàn)重大工程高品質(zhì)建造的重要作用，體現(xiàn)監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)對(duì)推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步及國(guó)家重大工程的重要地位，促使學(xué)生建立對(duì)推進(jìn)國(guó)家建設(shè)、豐富和發(fā)展地下空間、推進(jìn)地下歷史文化遺存保護(hù)等方面的情懷與使命擔(dān)當(dāng)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心以及對(duì)于未來從事行業(yè)的榮譽(yù)感和自豪感。

2.2 技術(shù)教學(xué)

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)教學(xué)是以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法為主體，以培養(yǎng)實(shí)踐能力為主要目標(biāo)，內(nèi)容主要包含傳感器及其標(biāo)定、監(jiān)測(cè)及測(cè)試組成、典型工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試項(xiàng)目等，相關(guān)內(nèi)容主要來源于我國(guó)早期樁基工程、基坑及隧道工程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在地下工程網(wǎng)絡(luò)化、深層化等新的應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)使下，大量智能化、數(shù)字化及自動(dòng)化技術(shù)得以廣泛大量應(yīng)用的行業(yè)現(xiàn)狀下，亟須對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行更新，在工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)與信息學(xué)等學(xué)科的交叉融合，激發(fā)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力。

為此，針對(duì)地下工程特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，在本科生教育階段教育中應(yīng)重點(diǎn)體現(xiàn)時(shí)空觀與系統(tǒng)論思想。時(shí)空觀即在監(jiān)測(cè)及測(cè)試方案制定過程中，要考慮監(jiān)測(cè)范圍及測(cè)試周期的合理性。系統(tǒng)論及強(qiáng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸入、監(jiān)測(cè)與測(cè)試本體與響應(yīng)間的關(guān)系，通過合理的測(cè)試方法及系統(tǒng)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)通過對(duì)響應(yīng)量對(duì)本體性質(zhì)的反溯以及對(duì)輸入特征的分篩。

與此同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)介紹行業(yè)最新技術(shù)，特別是物探、信息化及智能化等技術(shù)，突出探地雷達(dá)、機(jī)器視覺、智能化等新技術(shù)的引入，通過與具體測(cè)試和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)合，形成包含測(cè)試場(chǎng)景、測(cè)試原理、測(cè)試技術(shù)與方法等相互融合的教學(xué)體系。

3 課程體系及教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)前序本科教學(xué)及培養(yǎng)需求，在課程體系及教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建方面，擬以原理方法—測(cè)試技術(shù)與裝備—典型應(yīng)用為主線。在測(cè)試原理和方法重點(diǎn)簡(jiǎn)述彈性波、探地雷達(dá)、激光掃描、機(jī)器視覺及光纖傳感測(cè)試技術(shù)，并講述上述測(cè)試技術(shù)在樁基工程、基坑工程、盾構(gòu)工程、山嶺隧道工程及模型試驗(yàn)中的應(yīng)用。具體內(nèi)容分為概述、監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)、工程和科研應(yīng)用三大板塊，具體內(nèi)容如下：

①概論：結(jié)合課程思政需求和地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)，講述課程特點(diǎn)及難點(diǎn)、行業(yè)需求、課程內(nèi)容組成。

②監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)。以介紹測(cè)試原理、技術(shù)組成模式和典型應(yīng)用為主，注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，內(nèi)容包括：

波動(dòng)測(cè)試原理與測(cè)試技術(shù)：主要講述波的表征方法，結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)與激勵(lì)及響應(yīng)的基本原理，系統(tǒng)闡述系統(tǒng)論觀點(diǎn)，并結(jié)合測(cè)試案例給出振動(dòng)測(cè)試技術(shù)與分析方法的要點(diǎn)。

彈性波測(cè)試技術(shù)：主要講述土木工程典型彈性波類型及波動(dòng)特性，表面波測(cè)試、超聲測(cè)試等典型彈性波測(cè)試技術(shù)，輔以應(yīng)用實(shí)例等進(jìn)行體系化講述。

探地雷達(dá)測(cè)試技術(shù)：主要講述電磁波測(cè)試原理，并結(jié)合案例系統(tǒng)介紹雷達(dá)天線設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、典型探地雷達(dá)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析方法等。

激光掃描測(cè)試技術(shù)：主要講述激光掃描測(cè)試技術(shù)原理，并結(jié)合案例闡述激光掃描軟硬件集成方法、測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方法及典型應(yīng)用等。

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)：主要簡(jiǎn)述機(jī)器視覺檢測(cè)及圖像處理原理，并結(jié)合具體案例闡述機(jī)器視覺軟硬件集成模式、圖像智能處理方法和典型應(yīng)用等。

光纖傳感測(cè)試技術(shù)：主要講述光纖傳導(dǎo)機(jī)理及測(cè)試原理，并結(jié)合案例闡述光纖傳感器類型，測(cè)試及信號(hào)處理方法、典型應(yīng)用等。

③工程和科研應(yīng)用。以實(shí)際工程應(yīng)用為趨勢(shì)，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，主要研究?jī)?nèi)容包括：

樁基工程測(cè)試：主要講述樁基工程測(cè)試行業(yè)需求，靜力及承載力測(cè)試、樁身質(zhì)量動(dòng)力測(cè)試、基樁通長(zhǎng)質(zhì)量檢測(cè)等技術(shù)原理、測(cè)試方法及流程，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求等。

基坑工程測(cè)試技術(shù)：主要講述基坑工程測(cè)試技術(shù)行業(yè)需求，事故案例分析，基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)最新進(jìn)展。

盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)與測(cè)試：主要講述盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)與測(cè)試行業(yè)需求，事故案例分析，施工期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、技術(shù)與流程，運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)與流程。

巖石隧道工程測(cè)試與監(jiān)測(cè)：主要講述巖石隧道監(jiān)測(cè)與測(cè)試行業(yè)需求，事故案例分析，施工期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、技術(shù)與流程，運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)與流程。

模型試驗(yàn)：主要講述模型試驗(yàn)分類及要求，相似比確定方法，離心機(jī)試驗(yàn)、極限模擬試驗(yàn)等典型案例分享。4 結(jié)論

隨著地下空間與地下工程朝網(wǎng)絡(luò)化及深層化方向發(fā)展，工程建造安全的不可以預(yù)測(cè)性及風(fēng)險(xiǎn)也日益增高，同時(shí)地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)也發(fā)生了巨大的變革，系統(tǒng)化、智能化水平日益提高。在本科生教學(xué)中，亟須緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，向?qū)W生傳授新一代技術(shù)體系，為行業(yè)培養(yǎng)土木工程與新興信息工程的復(fù)合型人才，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步，服務(wù)國(guó)家重大工程。本文在系統(tǒng)闡述技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，融合課程思政、學(xué)生創(chuàng)新及實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面需求，通過概述、監(jiān)測(cè)與測(cè)試技術(shù)、工程和科研應(yīng)用三個(gè)板塊的內(nèi)容設(shè)置，建立了新的地下工程監(jiān)測(cè)與測(cè)試課程教學(xué)體系。