中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
水下隧道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期一般為 100 年，在長期運(yùn)營過程中會(huì)遇到結(jié)構(gòu)耐久性不足而導(dǎo)致的各種病害，危及隧道內(nèi)行車安全，降低水下隧道使用壽命。隨著工程全壽命周期的概念深入人心，以健康監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行水下隧道智能監(jiān)測逐漸得到重視，成為隧道安全運(yùn)營的重要課題。
目前我國已建成和在建的水下隧道有 40 余條，部分建設(shè)情況下表所示。
大規(guī)模的水下隧道建設(shè)給我們帶來了生活的便利，但是水下隧道因隧道病害而導(dǎo)致重大事故的案例時(shí)有發(fā)生。如：
日本青函海底隧道自動(dòng)工以來，有33名工人喪生，1300人傷殘。隧道先后發(fā)生4次涌水，兩度被海水淹沒，導(dǎo)致工程的長期延誤，相應(yīng)的建設(shè)費(fèi)用也比原計(jì)劃翻番，僅建設(shè)費(fèi)用就達(dá)到了 50 億美元。
2011 年 8 月，南京地鐵二號線因地下水滲入，將一段 20 多米長的混凝土結(jié)構(gòu)路基拱起，導(dǎo)致道床上浮列車車廂錯(cuò)位，車廂內(nèi)濃煙滾滾，造成極大恐慌。
2003 年 7 月，上海軌道交通 4 號線區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲水，隨后出現(xiàn)大量流沙涌入，引起地面大幅沉降，造成大量房屋倒塌。
上述工程事故發(fā)生前，都出現(xiàn)了開裂、桿件疲勞等現(xiàn)象，但由于監(jiān)測措施的缺失沒有提前發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。未來投入運(yùn)營的水下隧道越來越多，且水下隧道的建設(shè)具有不可逆性，如何保證百年工程的全壽命周期正常運(yùn)營是未來水下隧道亟待解決的關(guān)鍵問題。
目前，水下隧道的健康監(jiān)測系統(tǒng)是針對該問題的有效手段，其發(fā)展源頭可以追溯到19世紀(jì) 60年代，由于大量的路橋隧進(jìn)入老齡化，基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測/檢測、狀態(tài)評估、維護(hù)等成為了工程界的焦點(diǎn)。
日本、美國、歐洲是較早建立起這一概念的，各地、各級管理部門都在大量研究的基礎(chǔ)上制定了相關(guān)的制度和章程。而我國從 20 世紀(jì) 80 年代才開始大規(guī)模建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施，國內(nèi)針對水下隧道的安全性長期全壽命健康監(jiān)測起步較晚，隨著近年來結(jié)構(gòu)物全壽命周期的概念深入人心以及大量水下隧道的投入運(yùn)營，水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題。
水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立會(huì)遇到一系列的技術(shù)問題，如結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)律分析、監(jiān)測儀器的最優(yōu)化布設(shè)、監(jiān)測指標(biāo)預(yù)警報(bào)警值控制、隧道病害程度評估等。
截至目前，國內(nèi)已經(jīng)有了一些水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施案例，也取得了一些研究成果，但工程實(shí)施大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行組織，偏于施工工藝流程，對健康監(jiān)測系統(tǒng)的機(jī)理缺乏理論研究。同時(shí)，由于多數(shù)施工企業(yè)對健康監(jiān)測系統(tǒng)核心技術(shù)采取技術(shù)保密措施，健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術(shù)和相關(guān)理論的發(fā)展較為緩慢，面臨極大風(fēng)險(xiǎn)的水下隧道的病害預(yù)測技術(shù)尚沒有形成系統(tǒng)、全面和規(guī)范化的技術(shù)方法。
因此，針對水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例收集整理、對理論問題進(jìn)行分析、對技術(shù)問題的明確成為該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的迫切任務(wù)。
水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)不同于地面結(jié)構(gòu)物的健康監(jiān)測，其主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)：
1.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程
結(jié)構(gòu)安全不僅僅是結(jié)構(gòu)本體問題，而與結(jié)構(gòu)周邊的圍巖、地層和高水壓有直接關(guān)系，是一個(gè)相互影響的系統(tǒng)工程。圍巖和地層是動(dòng)態(tài)變化的，包括軟土的蠕變、地下水的水壓和腐蝕、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等等一系列難點(diǎn)問題。
2.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)具有專一性
水下隧道施工方法通常包括圍堰明挖法、鉆爆法、盾構(gòu)法、沉管法等，不同工法襯砌形式不同、施工工藝差別較大。此外，水下隧道埋深、地質(zhì)條件、使用功能各異，這就導(dǎo)致每條水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)都存在較大差異，應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和施工。
3.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)具有階段性
隧道的建設(shè)包含施工期和運(yùn)營期，不同階段隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測重點(diǎn)也有較大差別。施工期關(guān)注的主要為地面隆沉、土水壓力、滲漏等問題，而運(yùn)營期重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容為結(jié)構(gòu)斷面收斂、隧道縱向不均勻沉降、襯砌腐蝕裂損等問題。
4.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)故障率較高
監(jiān)測系統(tǒng)傳感器種類多樣，且數(shù)量繁多，一條隧道往往埋設(shè)近 200 個(gè)傳感器。這些儀器在地下水的侵蝕和各種不確定因素的影響下容易發(fā)生損壞，這就要求傳感器的布設(shè)要具有一定的冗余度，保證更換期間數(shù)據(jù)的正常收集。
1.傳統(tǒng)監(jiān)測儀器
傳統(tǒng)機(jī)電類傳感監(jiān)測技術(shù)主要是指振弦式、差動(dòng)電阻式、電感式、電阻應(yīng)變片式等傳統(tǒng)機(jī)械或電子傳感技術(shù)。此類技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長，也較為成熟，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大壩和巖土工程監(jiān)測中。相關(guān)的各種監(jiān)測傳感器元件已經(jīng)基本覆蓋了巖土工程監(jiān)測的各個(gè)方面，具有很強(qiáng)的適用性，并且還具有使用靈活、埋設(shè)簡便以及價(jià)格相對較低等優(yōu)點(diǎn)。
但是這類監(jiān)測儀器屬于點(diǎn)式測量，僅能對其埋設(shè)位置附近的結(jié)構(gòu)變異情況進(jìn)行局部監(jiān)測，要反映結(jié)構(gòu)總體的變異情況就必須在整個(gè)結(jié)構(gòu)中大量埋設(shè)傳感器原件，這就對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，可實(shí)施性較差。
2.新型光纖傳感監(jiān)測技術(shù)
光纖傳感技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著這項(xiàng)技術(shù)的日趨成熟，開始逐漸在其他領(lǐng)域中應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測正式其主要發(fā)展方向之一。
3.水下隧道結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)鍵技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國運(yùn)營鐵路隧道的 60%以上存在不同程度的病害，部分已經(jīng)危及行車安全。水下隧道所處環(huán)境更為復(fù)雜，隧道病害所造成的危害更為突出，且具有不可逆性。針對隧道耐久性不足這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。
水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要對象是周邊介質(zhì)、結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境，監(jiān)測部位包括環(huán)境和結(jié)構(gòu)，監(jiān)測類型主要是水土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力、外力、變形，結(jié)構(gòu)背后空洞監(jiān)測、結(jié)構(gòu)滲漏水及混凝土碳化監(jiān)測等。
4.監(jiān)測數(shù)據(jù)評估關(guān)鍵技術(shù)
水下隧道結(jié)構(gòu)物安全性評價(jià)的重要內(nèi)容是監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評估，即用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇椒ê洼^為理想的數(shù)學(xué)模型，得出隧道結(jié)構(gòu)確切的使用性能的安全狀況，目前仍是一個(gè)難題。國內(nèi)外學(xué)者在實(shí)踐和研究中提出了多種隧道安全性評價(jià)方法。如：
20世紀(jì)70年代美國匹茲堡大學(xué)教授薩蒂提出層次分析法，該方法可以將復(fù)雜的大系統(tǒng)問題通過層次分析變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性強(qiáng)、條理清晰的結(jié)構(gòu)圖，在橋梁和隧道的安全評價(jià)中得到了較多應(yīng)用，但當(dāng)影響因素過多時(shí)（超過9個(gè)），標(biāo)度工作量較大，可信程度不足。
模糊綜合評判法以隸屬度來描述模糊界限，評價(jià)結(jié)論具有較高的可信度。
1984年鄧聚龍教授在國內(nèi)首次提出灰色系統(tǒng)理論，主要研究系統(tǒng)模型不明確、行為信息不完善、運(yùn)行機(jī)制不清楚的這類系統(tǒng)的預(yù)測和控制等問題，在橋梁領(lǐng)域的監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛。
專家系統(tǒng)評價(jià)法是一種具有大量專門知識和經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程。
目前，模糊系統(tǒng)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、專家系統(tǒng)法或混合性評價(jià)方法應(yīng)用逐漸增多，水下隧道的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)評估已經(jīng)由以隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)模型為基礎(chǔ)逐漸向以數(shù)學(xué)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論結(jié)合的階段發(fā)展，隧道智能評價(jià)專家系統(tǒng)的建立已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。
