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摘要：文章簡要介紹了健康監測系統在國內外的發展歷程，分析了湖北大東湖核心區污水傳輸系統工程應用健康監測技術的必要性，并對該工程健康監測內容選擇、斷面選取、系統組成等內容進行了介紹，探討了健康監測系統在城市排水深隧領域應用需解決的問題。
關鍵詞：健康監測；城市排水深隧；系統開發
隧道結構健康監測系統（TunnelStructuralHealthMonitoringSystem簡稱TSHMS）一般是指“運用無損傳感技術，在隧道結構典型斷面處設置監測元件，對隧道支護系統的變形、受力等特征進行實時、長期性監測，及時對運營期隧道結構的力學性能進行分析，并結合隧道結構安全評估系統對隧道的健康狀況進行評價，用以指導項目運營，保證隧道營運安全”[1]。該技術最早起源于航空航天領域，20世紀80年代后，開始應用于土木工程領域，尤其在橋梁工程中得到大量應用。20世紀90年代開始健康監測系統逐漸應用于我國的一些大型橋梁。經歷了三十多年的發展，目前健康監測系統在國內外橋梁工程中的應用已經不勝枚舉。然而，健康監測技術在隧道工程領域中的運用相對較晚，近十余年間才在我國逐步得到重視和應用，目前該技術在隧道領域主要應用于常規公鐵隧道[2]。除此之外，在各種水下隧道中也多見使用，如過江隧道[3]、海底隧道[4]、穿湖隧道[5]等。在市政管道領域，僅石油和天然氣等重要管道中有使用到健康監測系統[6]。在水利隧道中，一般僅在施工期間對隧道進行監控量測[7]，在運營期進行健康監測的較為少見。目前國內城市排水深隧僅有為數不多的案例，如廣州深隧東濠涌試驗段、湖北大東湖深隧、深圳前海—南山排水深隧，相較于常規的城市排水系統，非常有必要通過結構健康監測技術對深隧工程的運營安全狀態進行評估，用以指導項目運營。下面將以湖北大東湖深隧為例進行具體分析。
1湖北大東湖核心區污水傳輸系統工程簡介
1.1項目概況。大東湖核心區污水傳輸系統工程是武漢市“四水共治”重點工程，工程建設目的是為了將中心城區污水傳輸至郊區新建的超大型綜合性污水處理廠進行集中處理。近期傳輸能力為80萬d/t，遠期將達到100萬d/t。該工程隧道全長17.5km，全部采用盾構法施工，埋深在地下30m～50m，成型隧道直徑有3.0m、3.2m、3.4m三種尺寸。隧道采用雙層襯砌結構，外側為25cm厚的管片，內側為20cm厚的現澆混凝土內襯。運營期隧道內流淌的主要是經過預處理的生活污水，即通過格柵、曝氣等措施，去除污水中直徑大于3mm的有機物和直徑大于0.2mm的無機砂礫，防止其在隧道內淤積堵塞隧道。僅在物理層面進行“過濾”，對于可能造成隧道腐蝕的物質基本沒有任何處理措施。
1.2健康監測系統的必要性。①工程建成以后將為武漢大東湖核心區130km2內近300萬人提供服務，服務人口多，覆蓋范圍廣，可以說是一座城市的排水生命線。一旦隧道結構出現病害，可能導致隧道內污水與地下水體連通，進而污染城市地下水。且由于工程采用單管傳輸，無備用管道，出現病害后難以修復，因此一方面需要通過健康監測系統數據對運營管理進行反饋，通過運營參數控制來減輕甚至避免病害；另一方面可以在出現輕微病害時即采取措施進行處理，防微杜漸。②工程沿線穿越的地質條件復雜，盾構隧道主要穿越的地層有礫卵石、粉細砂、中風化含鈣泥質粉砂巖、強風化含礫砂巖、中風化含鈣含泥細砂巖、中風化粗砂巖、中風化細砂巖、中風化灰巖、強風化炭質泥巖等十余種巖層，同時還將下穿地鐵、高鐵、湖泊、巖溶強發育區等高風險區域。盾構隧道管片襯砌屬于裝配式襯砌，它與整體式襯砌的最大不同點是存在大量管片縱向接頭和環向接頭，影響襯砌的受力和變形。根據其他工程經驗，在運營過程中可能產生的主要病害就包括管片開裂、接縫張開度過大、襯砌漏水、土砂流入、盾構隧道縱向不均勻沉降和侵蝕性地下水對管片的腐蝕等多項內容[8]。③在項目運營期，隧道內流動的為有壓污水，具有較強的腐蝕性，壓力流滿管運行工況下易形成硫化氫二次腐蝕，結構長期承受較高內水壓，常水壓工況為0.35MPa，最大內水壓工況為0.43MPa。
2大東湖核心區污水傳輸系統工程健康監測系統設計
2.1監測內容選取。通過對項目運營期結構安全進行分析，結合其他工程案例，本工程一共選取了四種監測元器件，即鋼筋計、混凝土應變計、滲壓計和腐蝕傳感器，在斷面上的具體布設位置如圖1所示。較常規隧道健康監測內容主要有兩建筑健康監測斷面里程表方面不同。一是取消了土壓力盒，因為土壓力盒布設在隧道外側，可能因管片壁后注漿包裹失效，施工困難且成活率較低，而隧道內外襯整體受力，內外壓力大部分相互抵消，綜合考慮后取消了土壓力監測。二是較常規隧道增加了腐蝕傳感器，在國內運用了健康監測技術的隧道工程中，僅南京緯七路長江隧道等少數工程對混凝土腐蝕進行了監測，而本工程隧道內流動的是僅僅經過預處理的污水，因此腐蝕監測必不可少。
2.2監測斷面選取。本工程健康監測斷面選取的原則是“重點監控高風險斷面、覆蓋典型斷面”。但項目運營期17.5km長隧道僅保留6座豎井，平均每個區間超過3km，巖溶段等高風險區域均位于各個區間比較靠中間的位置，與豎井口最小間距也大于500m，如在高風險區域布設監測斷面，因傳輸線纜長，施工難度大，元器件的實際存活率將進一步降低，實際監測效果難以保證。在隧道內部大范圍的埋設線纜本身也會對隧道結構產生不利影響，因此本項目僅選擇了三處地質突變的典型斷面進行監測，具體斷面位置如下表所示。
2.3健康監測系統組成。本工程健康監測系統包括四個子系統，其層次關系如圖2所示①數據采集、傳輸子系統也就是整個健康監測系統的物理層面，其又分為兩部分，一是傳感系統，安裝于待測結構中，主要通過各種元器件將待測的物理參數轉化為測試信號。二是通訊系統，通過埋設在結構內的線纜將采集到的數據傳輸至健康監測軟件系統。②中心數據庫子系統主要用于存儲隧道監測過程中采集的各種數據，如應力、應變等物理量，利用該子系統可以實現整個大系統所有數據的平臺管理工作，完成數據的分類、查詢、存儲等。③隧道結構安全健康和智慧監測預警子系統結構安全健康和智慧監測預警子系統主要基于監測得到的隧道結構物理量，參考相關規范，并輔助以數值計算，結合監測物理量長期變化趨勢，進行隧道結構安全狀態綜合評估與預警。該系統可分為以下幾個模塊：監測數據處理分析模塊。主要包括監測測點、斷面管理、數據查詢、數據處理、曲線繪制、云圖繪制、監測斷面處三維重建、三維數據展示等，實現文件報告、生成、管理和信息等功能。預測和預警模塊。主要包括多因素預測、預警報警管理、預警報告生成和管理、預警信息的等。建立考慮運營期水壓、流量、腐蝕指標、環境因素等情況的智能預測模型，實現實時預測和智能預警。結構健康評估模塊。主要采用風險概率、層次分析、神經網絡等方法進行風險分析、考慮監測應力、應變、壓力及運營因素，參考相關規范，并輔助以數值計算，進行多因素人工智能結構健康評價，形成結構健康評估報告。④決策支持和用戶界面子系統包括風險分類、預案管理、應急流程、應急預案、信息、風險跟蹤等。預應預案可根據監測預警和健康評估的結果，給出相應的處理預案，針對災難工況，給出應急處置的建議。用戶界面子系統為一個基于完整的人機交互子系統設計的軟件，該子系統向用戶提供友好的操作與管理界面、向用戶提供數據展示、報告歷史查詢與更新，具有可擴展功能。用戶界面子系統可以實現對其他子系統的界面管理，包含電腦端、手機端和網頁端，能夠實現數據查詢、曲線繪制、結果三維展示、預測預警信息、報告生成、文檔管理等功能。本項目最終的軟件架構圖如圖3所示，平臺系統圖如圖4所示。
3結論
目前項目正在按該方案進行實施，在運營期將對整個健康監測系統的效果進行驗證。總的來說，目前運營期隧道結構健康監測的工程實例仍不是很多，城市排水深隧的健康監測先例更可謂絕無僅有，限于現階段技術水平及實踐經驗，仍有許多亟待解決的問題。①監測儀器的耐久性現場監測工作，尤其是傳感器數據采集技術是整個工作的基礎，如果采集不到真實、有效的數據，則后續所有工作都將無法開展，從而導致整個隧道結構健康監測系統失去其根本意義。而隧道工程與橋梁工程健康監測最大的區別在于監測儀器的耐久性和埋設問題，橋梁健康監測儀器大部分設置在結構的表面，具備可更換性，而深隧工程所有監測元件必須預埋，且不可更換，這給儀器的耐久性選擇提出了更高的要求。相較于城市排水深隧100年的設計使用壽命，健康監測系統往往只能在工程使用早期進行有效監測，要真正實現全壽命周期監測有賴于相關領域的技術突破。②健康監測評估系統的研究本工程為有壓污水隧道，長期運營使用過程中受力、變形、腐蝕情況尚不明確，對于系統設計、評價指標、預警設置均無先例可循，需在運營過程中不斷對原系統進行優化。
作者:楊懷 阮超 張延軍 李胡爽 楊杏勃 單位:中建三局綠色產業投資有限公司
