姚遠(yuǎn)YAO Yuan

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國隧道及地下工程事業(yè)大約于20 世紀(jì)80 年代步入正軌，進入21 世紀(jì)后，軌道交通的建設(shè)得到了大力發(fā)展，隧道工程日益增多，我國已成為世界上建設(shè)隧道數(shù)量最多、環(huán)境最復(fù)雜、施工工藝最復(fù)雜、施工難度最大的國家[1]。

目前，新奧法被普遍應(yīng)用在隧道工程施工建設(shè)中，“加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工”是其主要控制原則，目的在于實時掌握隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展情況，以確保圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。同時，我國疆域遼闊，隧道所在地形地貌復(fù)雜多樣，導(dǎo)致隧道運營過程中可能受到多種因素影響。為保證施工建設(shè)期和運維期隧道工程的安全性，監(jiān)控量測在判斷、減少和控制隧道工程潛在風(fēng)險事故方面有著不可替代的作用。

隧道工程監(jiān)測目前存在一些問題亟待解決，仍有很大一部分的隧道監(jiān)測項目采用了傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，已難以滿足早發(fā)現(xiàn)早預(yù)警的隧道監(jiān)測要求[3]。例如，無法在運營期內(nèi)進入測量作業(yè)人員，并由于其空間有限、軸線較長和位置相對偏遠(yuǎn)等原因，人工監(jiān)控量測的投入成本較高但效率卻往往較低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，隧道智能監(jiān)測技術(shù)已成為當(dāng)前隧道信息化施工、運維的整體趨勢[4]。本文將通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)對隧道工程施工和運行維護過程中監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀進行總結(jié)論述，并分析傳統(tǒng)隧道監(jiān)控量測的缺陷和當(dāng)下智能化監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用情況。

1 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）是由George W.H.教授于20 世紀(jì)中葉提出[5]，其特點在于可以獲得工程全生命周期的關(guān)鍵信息，給予施工和維護過程的作業(yè)指導(dǎo)。隧道監(jiān)控量測屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測部分，截至目前已獲得了顯著的成效[6]。隧道健康監(jiān)測的主要任務(wù)是對隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集、處理分析，得到能反映實際情況的隧道結(jié)構(gòu)信息，基于該信息預(yù)測可能出現(xiàn)的危險情況，采取相應(yīng)防護措施，編制相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，使隧道結(jié)構(gòu)始終保持相對健康的狀態(tài)[3]。近年來，隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（TSHMS）被提出和建立，已逐漸被應(yīng)用于實際工程中。

2 隧道監(jiān)測項目內(nèi)容及方法

普通公路隧道的監(jiān)測項目及布置如圖1 所示，從圖中可以看出隧道工程的監(jiān)測項目一般包括：掌子面、圍巖、襯砌和錨桿，采用的設(shè)備包括地質(zhì)羅盤儀、錨桿軸力計、多點位移計、應(yīng)變計、壓力計和壓力盒等[7]。此外，根據(jù)《公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程DB43/T 2449-2022》[8]和《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程Q/CR9218-2015》[9]，隧道工程的必測項目及推薦測量儀器如表1 所示，可見，隧道工程的變形是主要監(jiān)測內(nèi)容。按照測量方式分類，隧道的變形監(jiān)測可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式[10]。其中接觸式測量主要采用傳統(tǒng)的測量儀器，例如全站儀、水準(zhǔn)儀和收斂計等，如表1 所示的鐵路規(guī)范中監(jiān)測項目的推薦儀器；而非接觸式測量一般采用數(shù)字圖像處理技術(shù)、三維激光掃描儀技術(shù)、斷面儀量測技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)等[11][12]。

表1 隧道工程監(jiān)測必測項目及設(shè)備

圖1 隧道傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備布置圖

通過表1 所示推薦儀器可知，在新近技術(shù)規(guī)程中增加了智能監(jiān)控量測方法，并被要求：智能監(jiān)控量測系統(tǒng)應(yīng)具備隧道內(nèi)數(shù)據(jù)實時傳輸功能，數(shù)據(jù)能實時上傳到后臺并根據(jù)需求修改監(jiān)控量測頻率，數(shù)據(jù)出發(fā)預(yù)警后能及時發(fā)送預(yù)警信息至參建單位的指定聯(lián)系人和服務(wù)器[8]。以下將論述為何隧道監(jiān)測方法需改進，以及相應(yīng)的改進內(nèi)容和方法。

3 隧道監(jiān)測傳統(tǒng)方法存在的問題

據(jù)統(tǒng)計，雖然測量儀器由原本人工測記變?yōu)榱藘x器自動讀數(shù)并儲值，但目前國內(nèi)絕大多數(shù)隧道變形監(jiān)測仍采用接觸式測量儀器[13]，使用此類儀器時，工作量大且采集速度慢，受到人為影響顯著，具體表現(xiàn)如下：

3.1 水準(zhǔn)儀

由于隧道光線較差、工作人員易受環(huán)境影響等原因，傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺組合測量方式實用性較差。電子水準(zhǔn)儀較好，測量速度快、精度高，可自動儲值和計算。但對于隧道變形監(jiān)測項目，通常需要在一個斷面上采集多個點的數(shù)據(jù)，工作效率仍顯較低。水準(zhǔn)儀的另一個缺點是容易受到外界環(huán)境影響，包括列車的振動、晝夜溫差大等引起數(shù)據(jù)漂移，系統(tǒng)單元漏液、沉降變化滯后等問題，這種現(xiàn)象在北京和南京地鐵隧道監(jiān)測中都有發(fā)現(xiàn)[14][15]。

3.2 全站儀

目前全站儀已可實現(xiàn)自動搜索目標(biāo)、照準(zhǔn)、讀數(shù)和數(shù)據(jù)存儲、計算等操作內(nèi)容。經(jīng)工程實踐驗證，通過聯(lián)合多臺智能全站儀可組成一個監(jiān)測系統(tǒng)單元，完成大面積區(qū)域的變形監(jiān)測[16]。但對于隧道工程，線路彎曲或列車運行通過，會導(dǎo)致測量視線受阻，因而難以實現(xiàn)隧道全線的沉降變形自動監(jiān)測。

3.3 收斂計

隧道收斂測量常用的有全站儀、激光斷面儀和Basset收斂測量系統(tǒng)。其中Basset 系統(tǒng)工作原理是通過由連桿組成的測量環(huán)上桿件單元角度變化和桿臂的長度計算固定點的位移，再對比固定點的原始坐標(biāo)即可獲得固定點的實際位置，進而計算收斂值[17]。對于隧道工程而言，由于列車運行頻繁、天窗時間較短，因此收斂計測量結(jié)果數(shù)據(jù)難以及時收集獲得。

總結(jié)上述內(nèi)容，傳統(tǒng)監(jiān)控量測技術(shù)存在以下問題：①準(zhǔn)確度受作業(yè)人員影響較大；②測量結(jié)果無法保證實時性和連續(xù)性；③數(shù)據(jù)采集不便，雖然儀器可以自動存儲但仍需人工采集，受到運行天窗時間的制約；④易受外界影響，列車振動、溫差等因素可能導(dǎo)致測量結(jié)果漂移、測量結(jié)論誤報。

4 隧道監(jiān)測的新技術(shù)和智能化系統(tǒng)

目前國內(nèi)外已開發(fā)并投入使用了諸多新型監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，包括改進的光纖傳感器、布里淵光時域反射儀、全站儀的自動化與智能化、激光測距雷達(dá)的開發(fā)與應(yīng)用。光纖光柵傳感器由Moray 等開發(fā)[18]，由于其高精度、準(zhǔn)分布、耐腐蝕和抗干擾等其特點，被廣泛應(yīng)用于隧道監(jiān)測項目中，但其缺點在于光纖的脆弱性。布里淵光時域反射儀與光纖傳感器的效果類似，其區(qū)別在于前者反映的是隧道整體的變形規(guī)律，后者是局部的變形情況[19]。

激光雷達(dá)測距儀可以快速地收集當(dāng)前隧道的變形數(shù)據(jù)，在隧道變形監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用場景，具有非接觸、高分辨率、高精度、高效率、數(shù)字化等優(yōu)點。三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的研究與應(yīng)用已得到了廣泛的開展，例如程效軍等[20]針對上海某地鐵隧道進行了變形監(jiān)測，對比了全站儀和三維激光掃描儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明全站儀的數(shù)據(jù)偏差均方根為3.8mm，三維激光掃描儀的誤差為4.7mm，完全滿足隧道變形測量精度要求。上海建科院成功將移動三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于上海某地鐵隧道的斷面變形監(jiān)測，實現(xiàn)了隧道徑向收斂值、管片轉(zhuǎn)角和錯臺量的自動識別求解[21]；Han 等[22]提出了從原始點云數(shù)據(jù)中提取隧道輪廓線的方法，極大地增加了實用性。如圖2 所示。

圖2 盾構(gòu)隧道管片測量示意圖[21]

監(jiān)測智能化系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新的產(chǎn)物，其基本功能包括：傳感單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析。具體實施方法為，將傳感器嵌入監(jiān)測結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)自動化感知，進而將感知系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，再將監(jiān)測信息實時、無線傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程無接觸的動態(tài)管理，如圖3 所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架示意圖[23]

感知層與傳輸層的交互需要媒介傳輸，目前將儀器采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器的方式主要有ZigBee 傳輸、Wi-Fi 傳輸、Bluetooth 傳輸三種方式。Moridi 等[24]開發(fā)了基于ZigBee 無線電波的地下監(jiān)測通信系統(tǒng)，Koo 等[25]將Wi-Fi傳輸運用于隧道監(jiān)測系統(tǒng)，上海建科院[26]將Bluetooth 傳輸同時成功應(yīng)用于基坑和隧道監(jiān)測系統(tǒng)，完成了智能綜合測量管理系統(tǒng)的建設(shè)。相比之下，ZigBee 傳輸距離相對較短（10m～75m），且傳輸速率較低（0.25Mbps），但由于其低功耗、低成本、短延遲等特性，仍被廣泛應(yīng)用于工程實踐中。

完成數(shù)據(jù)傳輸后，需將數(shù)據(jù)集中存儲處理方可轉(zhuǎn)為有價值的監(jiān)測結(jié)果，即智能監(jiān)測信息管理模塊。智能化過程中信息管理是至關(guān)重要的，張俊儒等[23]指出在隧道施工過程中，智能監(jiān)控量測所體現(xiàn)的問題主要集中在兩方面：信息采集和信息管理。信息采集在上文中已闡述了其作用方法，而信息管理對工程的指導(dǎo)具有直接性的實踐價值。

傳統(tǒng)的監(jiān)測信息管理包括兩個內(nèi)容：①工程人員根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)憑借自身認(rèn)知、結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性和安全性；②工程人員將監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入表格文件中，按照測量方法自動計算獲得結(jié)構(gòu)變形曲線。傳統(tǒng)信息管理方法存在諸多不足，最顯著的缺點可概括為低效率和低標(biāo)準(zhǔn)化。例如，在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時可采用時間序列分析法、灰色理論、回歸分析法、曲線擬合法等[27]，但對于某一工程人員而言，難以同時掌握上述方法，則導(dǎo)致分析方法單一，分析結(jié)果可能無法全面揭示監(jiān)測結(jié)果中存在的問題。

監(jiān)測智能化系統(tǒng)中的信息管理模塊則可補足人工信息處理方面的不足。李元海等[28]對隧道監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行論述，并指出監(jiān)測信息管理應(yīng)以“信息為中心”的原則，未來重點應(yīng)是更好利用GIS 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建高效的多源信息綜合集中管理可視化平臺。對應(yīng)地，王少飛等[29]分析了隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而提出了隧道大數(shù)據(jù)中心的框架；上海建科院的智測平臺中的多源信息管理模塊中包含了多種測信息管理方法，在完成數(shù)據(jù)的自動采集后，即可實時得出分析結(jié)果，提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論與展望

隧道智能化監(jiān)測系統(tǒng)是保證隧道安全穩(wěn)定運行的重要內(nèi)容之一。隨著信息科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控量測技術(shù)逐漸被淘汰，信息化、數(shù)字化、智能化測量技術(shù)已成為隧道監(jiān)測的趨勢。

隧道監(jiān)測硬件技術(shù)由開始的單一信息到多遠(yuǎn)信息，由人工監(jiān)測向自動化、智能化監(jiān)測發(fā)展。目前，國內(nèi)外在智能化監(jiān)測的研究和應(yīng)用都取得了長足的進步，但國內(nèi)仍未形成完整的監(jiān)測體系，應(yīng)用范圍仍大多局限在壩體橋梁工程，在隧道工程中的應(yīng)用仍相對有限。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，隧道工程的智能化監(jiān)測系統(tǒng)將日趨完善，在風(fēng)險控制和管理方面發(fā)揮更重要的作用和價值。