隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)投入的不斷加大，各種超高層建筑、近海平臺、大跨度橋梁及水底隧道等復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)大量問世；與此同時，許多已建和在建工程結(jié)構(gòu)事故頻發(fā)，引起了社會對結(jié)構(gòu)安全問題的極大關(guān)注．值得注意的是，在這些事故突發(fā)前，都出現(xiàn)了各種不同程度的結(jié)構(gòu)破壞征兆．只要采取適當?shù)臋z測和監(jiān)測手段，就能避免事故的發(fā)生，將生命和財產(chǎn)的損失降低到最小程度相比而言，水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)遭遇突發(fā)事件后，損失相對較高，而且難以修復(fù)．對于長距離、高水壓、大直徑盾構(gòu)隧道，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐久性等，是設(shè)計、施工及運營階段需要重點考慮的問題．因此，將現(xiàn)代傳感測試技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)相結(jié)合，以明確盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)，進而對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命進行預(yù)測并做出維護決定，保障結(jié)構(gòu)的安全運營．所以，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究，是延長盾構(gòu)隧道運營周期、提高社會效益和經(jīng)濟效益的有效手段．

１盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測技術(shù)特點

１．１盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

盾構(gòu)隧道的主要受力構(gòu)件是管片結(jié)構(gòu)，其次是管片周邊一定范圍內(nèi)的地層（注漿加固圈和天然地層）．盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)是管片結(jié)構(gòu)和地層相互作用的結(jié)果，外界影響因素很多，各因素的影響程度不同．相對于地面大型建筑物、橋梁等荷載明確的結(jié)構(gòu)而言，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外部荷載的變化大部分必須通過地層才能反映到管片結(jié)構(gòu)上．因此，隧道結(jié)構(gòu)對外荷載的敏感度不直接，主要影響因素及影響程度需通過進一步研究確定．

１．２監(jiān)測過程的連續(xù)性

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測包括施工階段和運營階段．施工階段的監(jiān)控量測目的是保證施工安全，同時反饋指導(dǎo)施工．而運營階段的健康監(jiān)測則主要是為了保證隧道結(jié)構(gòu)能夠正常、安全的承擔運營任務(wù)．盾構(gòu)推進打破地層原有的平衡狀態(tài)，進入運營階段后逐步趨于新的平衡，即２個階段的受力狀態(tài)變化呈連續(xù)性．要建立完善的健康監(jiān)測系統(tǒng)必須全面了解盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)從施工到運營整個過程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息．

１．３監(jiān)測元件的耐久性

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)周圍為地層，大部分監(jiān)測元件必須預(yù)埋，這對監(jiān)測元件的耐久性提出了較高要求．由于水底盾構(gòu)隧道工程環(huán)境的特殊性，除了要考慮一般原則外，還應(yīng)當重點考慮在潮濕或含水條件下元件的穩(wěn)定性和耐用性．光纖光柵傳感器通過外界物理參量對光纖布拉格（Ｂｒａｇｇ）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，其優(yōu)點是信號衰減小、耐腐蝕性好、抗電磁干擾能力強、易于實現(xiàn)分布式測量等，在盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)中不斷得到應(yīng)用．

２健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

２．１工程概況

XX市過江通道工程，江中段采用雙管雙層８車道盾構(gòu)隧道，管片外徑１４．５ｍ，厚度０．６ｍ．工程所處的位置水壓高、入巖深度大、厚度不均、河床沖刷深度大、地質(zhì)條件多變等，這些復(fù)雜建設(shè)條件對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的受力、防水、耐久性、抗浮、抗震均不利（見圖１），對盾構(gòu)隧道施工過程的安全，乃至隧道運營期的安全保障等方面均提出了嚴峻考驗．

２．２工程特點

根據(jù)相關(guān)資料，本項目具有如下特點：地質(zhì)條件復(fù)雜，其中江中段有長達７００多ｍ的巖層，部分全斷面侵入巖層；盾構(gòu)段復(fù)合地層長達４?。保常担?；水壓力高達０．７７ＭＰａ；最大埋深達６６ｍ；江中覆土厚度超淺約０．７Ｄ，淺覆土段長達１０００ｍ等．

２．３監(jiān)測重點

在運營期，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測包含許多項目，其中盾構(gòu)段管片結(jié)構(gòu)里程長、接縫多，所處環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜多變，故管片結(jié)構(gòu)是健康監(jiān)測的重點．在調(diào)研國內(nèi)外水底盾構(gòu)隧道工程實例的基礎(chǔ)上，針對過江通道工程的特點，對管片結(jié)構(gòu)的橫、縱斷面進行了結(jié)構(gòu)計算，計算中考慮隧道縱坡的變化、覆土厚度的變化及縱向地質(zhì)條件的變化等幾種最不利工況．根據(jù)計算結(jié)果對管片結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行分析總結(jié)，從而初步得到了盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布特點．

１） 縱斷面監(jiān)測重點

由于地面（含河床線）起伏變化較大，在結(jié)構(gòu)計算時根據(jù)隧道所處的地層特點、上覆土變化、地下水位等特征選取不同的橫斷面進行計算，岸上段水位取勘察現(xiàn)狀水位，江中段取百年一遇水位１１．０８ｍ，計算斷面見表１，圖２．

２） 橫斷面監(jiān)測重點，見圖３

（１）管片左、右側(cè)（０°，１８０°）受力與管頂、底相反，內(nèi)外側(cè)拉壓應(yīng)力均較大．

（２）管片結(jié)構(gòu)彎矩零點大致位于４５°，１３５°，２２５°，３１５°部位．

（３）上述結(jié)論為管片結(jié)構(gòu)在一般情況下的內(nèi)力分布規(guī)律，精確受力分布情況及大小需視工程具體位置受載情況經(jīng)結(jié)構(gòu)計算而定［４］．

２．４系統(tǒng)在線監(jiān)測項目通過對南京市緯三路過江通道工程中起控制作用的斷面進行環(huán)境調(diào)查和理論分析，確定了健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測位置、項目及儀器等．盾構(gòu)結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測項目見表２

３系統(tǒng)架構(gòu)

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一個多學(xué)科交叉的綜合性系統(tǒng)工程，既包括硬件系統(tǒng)的集成。

也包括軟件系統(tǒng)的集成．其核心任務(wù)是獲得環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對監(jiān)（檢）測信息進行綜合分析的基礎(chǔ)上評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟的運營提供技術(shù)支持．

３．１數(shù)據(jù)采集與處理控制子系統(tǒng)

１）傳感元件模塊

該模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)最底層的硬件模塊．其主要功能是：在起控制作用、具有代表性的截面和部位上安裝各種類型的傳感測試元件，拾取結(jié)構(gòu)荷載源參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，然后通過適宜的傳輸方式傳送給數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊中的采集板卡或調(diào)理器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采集．

２）數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

該模塊包括電子采集傳輸硬件設(shè)備和采集傳輸控制軟件的開發(fā)．主要功能是通過該模塊的采集板卡或調(diào)理器將傳感器傳過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可識別的數(shù)字信號并通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)輸送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理和控制模塊．

３） 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

該模塊包含監(jiān)控中心計算機設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件．主要功能是由計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、后處理、歸檔、顯示和存儲等數(shù)據(jù)管理，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和控制現(xiàn)場的各個傳感測試元件、數(shù)據(jù)采集站和調(diào)理器設(shè)備．

３．２結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)是整個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心．根據(jù)數(shù)據(jù)采集和處理控制子系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)和信息，安全評估系統(tǒng)進行客觀分析和評估，實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的整體安全性、耐久性和正常使用性的科學(xué)評價，為盾構(gòu)隧道管理者提供維護決策依據(jù)．而盾構(gòu)健康結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作目標之一是建立一個參數(shù)正確、邊界條件符合實際的有限元計算分析模型．因此，有限元結(jié)構(gòu)分析過程分如下３步．

１）有限元分析模型　健康監(jiān)測評估子系統(tǒng)

采用專用巖土工程分析程序Ｆｌａｃ?。常模停桑模粒樱牵裕?、同濟曙光和結(jié)構(gòu)分析軟件ＡＮＳＹＳ，ＡＢＡＱＵＳ等建立“荷載－結(jié)構(gòu)”或“地層－結(jié)構(gòu)”模型．前者主要對結(jié)構(gòu)受力進行平面分析；后者將管片襯砌離散成梁單元（或板單元），地層離散為實體單元，可以考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，并可以對隧道及地層進行穩(wěn)定性和動力特性計算分析．根據(jù)評估的項目和目的不同并結(jié)合效率綜合選擇平面或三維分析方法建立計算模型．

２）參數(shù)修正和評估

最初的計算模型建立在設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，而實際的隧道狀態(tài)與設(shè)計的理想狀態(tài)是有一定差別的，這樣在結(jié)構(gòu)分析計算中不可避免的存在誤差．計算誤差主要包括：模型誤差、測量誤差、施工誤差．在施工階段，為了盡量獲得盾構(gòu)隧道的實際狀態(tài)，需要將隧道的變形、內(nèi)力等各項指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算值進行比較，分析結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，用誤差分析理論來確定或識別引起這種偏差的原因，并進行修正以達到最大程度減小計算模型與實際隧道結(jié)構(gòu)的偏差．在營運階段，結(jié)構(gòu)初期受車輛、環(huán)境溫度等外界荷載作用，結(jié)構(gòu)與地層的狀態(tài)會發(fā)生一定的變化，而這種變化主要發(fā)生在開始運營的頭兩年．利用運營前幾年對結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力、動力特性的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對有限元分析模型進行修正并對修正后的計算結(jié)果進行校核，保證計算與實際相吻合，然后建立結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，以便在后續(xù)分析中消除其它因素影響，使健康評估系統(tǒng)真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形．有限元模型見圖４．

３）預(yù)警閥值設(shè)定

結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警是隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的第一層次，目標是全面、及時和可視化監(jiān)控且快速識別異常．預(yù)警閥值的設(shè)定是整個隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中必不可少的模塊之一，占據(jù)著重要的地位．

３．３用戶界面子系統(tǒng)設(shè)計

１）監(jiān)控中心軟件

主要包含一個界面框架和多個擴展模塊，包括靜態(tài)資料管理擴展模塊、實時數(shù)據(jù)處理擴展模塊、巡檢管理擴展模塊等等．用戶界面子系統(tǒng)以用戶界面框架為中心，以插件的形式加載其它擴展模塊，并通過界面框架提供的接口進行協(xié)調(diào)以及相互的功能調(diào)用，還可以根據(jù)功能需求隨時定義和增加新的擴展模塊．

２）數(shù)字化模型展示

通過ＧＩＳ平臺（見圖５）展示系統(tǒng)范圍內(nèi)的地形、地貌、結(jié)構(gòu)物以及系統(tǒng)設(shè)備、附屬物等信息，并可以實現(xiàn)查詢、統(tǒng)計、分析、定位等功能．

３）系統(tǒng)控制功能

通過界面子系統(tǒng)，設(shè)定和下發(fā)其它子系統(tǒng)的運行參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行自動化管理和配置，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)進行工作，該功能通過開發(fā)者定義的用戶界面進行操作，部分功能通過用戶定義和配置數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過計時或者條件觸發(fā)，自動實施控制．

４）靜態(tài)數(shù)據(jù)管理功能

提供和結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息進行管理的靜態(tài)信息管理功能，主要包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計資料、施工資料、竣工資料、隧道試驗資料以及本系統(tǒng)的設(shè)計實施資料和與系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)有關(guān)的其他資料，統(tǒng)一納入靜態(tài)數(shù)據(jù)管理中進行管理．

５）實時數(shù)據(jù)處理功能

提供數(shù)據(jù)的采集和實時展示的功能，通過接受數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)，實時解算并進行初步分析，對處理結(jié)果進行展示，主要包括實時數(shù)據(jù)的展示、與模型的關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)設(shè)備工作工況的查看以及監(jiān)測系統(tǒng)提供的專業(yè)專題．

４結(jié)論

１）光纖光柵傳感器元件以其優(yōu)越性成為健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測儀器，即以光纖光柵長期監(jiān)測手段為主，結(jié)合其它定期檢（監(jiān)）測儀器來監(jiān)測盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力．

２）結(jié)合有限元理論分析結(jié)果和盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點、破壞模式，明確結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和易于發(fā)生破壞的位置，由此可確定高水壓、大直徑和長距離水底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的項目、內(nèi)容和重點．

３）將現(xiàn)代傳感測試技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)相結(jié)合，確定損傷區(qū)域，并采用與人工巡檢相結(jié)合的手段對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀況進行評估．

４）預(yù)警、報警級別的確定及控制值，及各項評估指標的權(quán)值需從國內(nèi)外大直徑水底盾構(gòu)隧道的建設(shè)經(jīng)驗、試驗成果、理論分析及專家系統(tǒng)各方面綜合確定，且受地質(zhì)條件的影響，是一個動態(tài)的過程．因此，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評估和診斷是一個動態(tài)的、長期的過程，需要持續(xù)的研究和探索．