中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
水下隧道設計基準期一般為 100 年，在長期運營過程中會遇到結(jié)構(gòu)耐久性不足而導致的各種病害，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)為基礎進行水下隧道智能監(jiān)測逐漸得到重視，成為隧道安全運營的重要課題。
目前我國已建成和在建的水下隧道有 40 余條，部分建設情況下表所示。
大規(guī)模的水下隧道建設給我們帶來了生活的便利，但是水下隧道因隧道病害而導致重大事故的案例時有發(fā)生。如：
日本青函海底隧道自動工以來，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，導致工程的長期延誤，相應的建設費用也比原計劃翻番，僅建設費用就達到了 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，導致道床上浮列車車廂錯位，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)問題而導致了事故的發(fā)生。未來投入運營的水下隧道越來越多，且水下隧道的建設具有不可逆性，如何保證百年工程的全壽命周期正常運營是未來水下隧道亟待解決的關鍵問題。
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 60年代，由于大量的路橋隧進入老齡化，基礎設施的健康監(jiān)測/檢測、狀態(tài)評估、維護等成為了工程界的焦點。
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上制定了相關的制度和章程。而我國從 20 世紀 80 年代才開始大規(guī)模建設交通基礎設施，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營，水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為行業(yè)內(nèi)重點關注的技術問題。
水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立會遇到一系列的技術問題，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、監(jiān)測指標預警報警值控制、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)的實施案例，也取得了一些研究成果，但工程實施大多是根據(jù)經(jīng)驗進行組織，偏于施工工藝流程，對健康監(jiān)測系統(tǒng)的機理缺乏理論研究。同時，由于多數(shù)施工企業(yè)對健康監(jiān)測系統(tǒng)核心技術采取技術保密措施，健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術和相關理論的發(fā)展較為緩慢，面臨極大風險的水下隧道的病害預測技術尚沒有形成系統(tǒng)、全面和規(guī)范化的技術方法。
因此，針對水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)實施實例收集整理、對理論問題進行分析、對技術問題的明確成為該領域技術發(fā)展的迫切任務。
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，其主要特點可以歸納為以下幾點：
1.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(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系，是一個相互影響的系統(tǒng)工程。圍巖和地層是動態(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)造運動等等一系列難點問題。
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，這就導致每條水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)都存在較大差異，應進行獨立的設計和施工。
3.水下隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)具有階段性
隧道的建設包含施工期和運營期，不同階段隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測重點也有較大差別。施工期關注的主要為地面隆沉、土水壓力、滲漏等問題，而運營期重點關注內(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，一條隧道往往埋設近 200 個傳感器。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)機電類傳感監(jiān)測技術主要是指振弦式、差動電阻式、電感式、電阻應變片式等傳統(tǒng)機械或電子傳感技術。此類技術發(fā)展時間較長，也較為成熟，目前已經(jīng)廣泛應用于大壩和巖土工程監(jiān)測中。相關的各種監(jiān)測傳感器元件已經(jīng)基本覆蓋了巖土工程監(jiān)測的各個方面，具有很強的適用性，并且還具有使用靈活、埋設簡便以及價格相對較低等優(yōu)點。
但是這類監(jiān)測儀器屬于點式測量，僅能對其埋設位置附近的結(jié)構(gòu)變異情況進行局部監(jiān)測，要反映結(jié)構(gòu)總體的變異情況就必須在整個結(jié)構(gòu)中大量埋設傳感器原件，這就對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，可實施性較差。
2.新型光纖傳感監(jiān)測技術
光纖傳感技術最早應用于航空航天領域，隨著這項技術的日趨成熟，開始逐漸在其他領域中應用，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)耐久性關鍵技術
據(jù)統(tǒng)計，我國運營鐵路隧道的 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)評估關鍵技術
水下隧道結(jié)構(gòu)物安全性評價的重要內(nèi)容是監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評估，即用嚴謹?shù)姆治龇椒ê洼^為理想的數(shù)學模型，得出隧道結(jié)構(gòu)確切的使用性能的安全狀況，目前仍是一個難題。國內(nèi)外學者在實踐和研究中提出了多種隧道安全性評價方法。如：
20世紀70年代美國匹茲堡大學教授薩蒂提出層次分析法，該方法可以將復雜的大系統(tǒng)問題通過層次分析變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性強、條理清晰的結(jié)構(gòu)圖，在橋梁和隧道的安全評價中得到了較多應用，但當影響因素過多時（超過9個），標度工作量較大，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、運行機制不清楚的這類系統(tǒng)的預測和控制等問題，在橋梁領域的監(jiān)測中應用較為廣泛。
專家系統(tǒng)評價法是一種具有大量專門知識和經(jīng)驗的智能計算機系統(tǒng)，可以模擬領域?qū)＜业乃季S過程。
目前，模糊系統(tǒng)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、專家系統(tǒng)法或混合性評價方法應用逐漸增多，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)力學模型為基礎逐漸向以數(shù)學方法與神經(jīng)網(wǎng)絡等理論結(jié)合的階段發(fā)展，隧道智能評價專家系統(tǒng)的建立已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。
