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、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
隧道在施工和使用過程中，因地質(zhì)條件變化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及退化等問題必然會帶來安全隱患。如何保障隧道的安全施工和運營？安全物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用給隧道的運營和管理帶來了新方向。
01隧道安全背景
據(jù)我國交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報提供的數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國大陸運營公路隧道15181座、14039.7km。研究人員對其中6000多座進行檢測分析，約有1/3的隧道存在襯砌結(jié)構(gòu)裂縫和滲漏水等病害，對隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不同程度的破壞。因此，建立隧道結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道工程進行監(jiān)測，評估和預(yù)測以趨利避害，成為了現(xiàn)代隧道工程發(fā)展的迫切需要。02隧道工程常見病害
隧道病害的類型主要有水害、凍害、襯砌裂損和襯砌侵蝕。各種病害并不是單獨作用，常常是幾種情況共同作用。
滲漏水、積水等會造成隧道襯砌開裂或使原有裂縫發(fā)展變大。襯砌裂損病害主要表現(xiàn)為襯砌的變形、開裂和錯臺，而襯砌一旦開裂，將會給地下水打開一條外滲的通道，引發(fā)隧道嚴重水害。在寒冷地區(qū)，水是影響隧道圍巖凍脹的重要因素，襯砌水害嚴重，必然導(dǎo)致凍害嚴重。
寒冷地區(qū)的鐵路隧道如果圍巖含地下水，就會產(chǎn)生隧道凍害。凍害的循環(huán)發(fā)生，使襯砌混凝土再產(chǎn)生開裂、變形，導(dǎo)致襯砌承載力降低，同時在春、夏季，凍害部位開始解凍，此時被凍結(jié)的冰融化成水，水就會“尋找”通路，致使襯砌產(chǎn)生滲漏水。
地下水的侵蝕將致使襯砌的有效厚度減薄，承載力降低，安全可靠性減小，隨著病害的持續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。
03隧道安全檢測監(jiān)測技術(shù)
目前常用的隧道檢測監(jiān)測技術(shù)主要以人工為主，即依靠人眼檢測以及人工儀器檢測，這兩種方法的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，但對檢測人員要求較高，檢測時間長，且檢測人員的安全作業(yè)難以保證。同時人工檢測具有較大的主觀性，即使經(jīng)驗豐富的檢測人員也難以保證檢測結(jié)果的完整性與準(zhǔn)確性。隨著檢測工作量的不斷增大，人工加儀器的方式越來越難以滿足檢測的需求。
目前隧道檢測新技術(shù)可以分為 4 類: 傳感器檢測監(jiān)測技術(shù)、數(shù)字照相檢測監(jiān)測技術(shù)、激光掃描檢測技術(shù)、手持式病害記錄技術(shù)。
1、傳感器技術(shù)
在隧道中主要應(yīng)用有4種：電阻式傳感技術(shù)、振弦式傳感技術(shù)、MEMS傳感技術(shù)、光纖傳感技術(shù)。
（1）電阻式傳感技術(shù)：把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器；
（2）振弦式傳感技術(shù)：以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。
（3）MEMS傳感技術(shù)：利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料，用微米技術(shù)在芯片上制造微型機械，并將其與對應(yīng)電路集成為一個整體的技術(shù)。
（4）光纖傳感技術(shù)：利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性（強度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長）改變的傳感技術(shù)。
2、數(shù)字照相技術(shù)
利用數(shù)字相機或攝像機采集隧道表面圖像，利用圖像處理技術(shù)可以檢測隧道滲漏水和裂縫。相對于傳統(tǒng)方式，可以采集圖片信息，信息量更豐富，利用圖像識別技術(shù)更是可以獲取精確的病害信息，如滲漏水邊緣信息甚至是裂縫寬度。
3、激光掃描技術(shù)
利用激光掃描儀得到隧道內(nèi)表面點云數(shù)據(jù)，利用點云數(shù)據(jù)，判斷隧道結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)，如結(jié)構(gòu)收斂變形等，目前利用地面三維激光掃描技術(shù)對地鐵隧道進行收斂變形監(jiān)測，從地鐵隧道數(shù)據(jù)采集、三維模型建立、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等幾個方面來看，三維激光掃描技術(shù)是一種高效的地鐵隧道收斂變形監(jiān)測手段; 也可以利用掃描點反射率數(shù)據(jù)得到隧道內(nèi)表面圖像，從而獲取隧道滲漏水、襯砌掉塊與剝落、裂縫等病害信息。
4、手持式病害記錄技術(shù)
人工巡檢的輔助技術(shù)，巡檢人員可以利用記錄儀記錄巡檢的病害信息，記錄儀保存有隧道內(nèi)表面展開圖，檢測人員可以將發(fā)現(xiàn)的病害記錄在內(nèi)表面展開圖上，并且可以利用記錄儀上的圖像采集工具獲得病害圖像，記錄儀采用專用符號記錄病害數(shù)據(jù)，這樣便于后期的數(shù)據(jù)處理和參考。
04基于安全物聯(lián)網(wǎng)的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測云平臺
目前的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測缺少系統(tǒng)性的平臺支撐，無法實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)安全的全面感知、實時在線監(jiān)控和及時的在線預(yù)測預(yù)警。而安全物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是從系統(tǒng)化思維出發(fā)，通過建設(shè)安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)體的決策“大腦”的建設(shè)，全面掌控隧道健康安全。
安全物聯(lián)網(wǎng)隧道監(jiān)測系統(tǒng)，一般分為四層結(jié)構(gòu)：感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層。其中感知層和傳輸層，又可以統(tǒng)稱為物理層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。數(shù)據(jù)分析層也可以稱為信息層，實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，為應(yīng)用層做數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用層一方面完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理，另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)與隧道安全結(jié)構(gòu)相關(guān)的行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。主要實現(xiàn)信息展示、人機交互、系統(tǒng)管理和配置管理等功能，達到人員對隧道結(jié)構(gòu)安全的管理和信息識別。
安全物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢
使用無線通信技術(shù)取代傳統(tǒng)有線連接方式，減少部署的線纜，并采用終端控制整個系統(tǒng)的信息通信、數(shù)據(jù)傳輸和結(jié)果展示，便于整體監(jiān)測任務(wù)的執(zhí)行和隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的預(yù)測預(yù)警，整個監(jiān)測過程無需人工干預(yù)。
系統(tǒng)還能采用自調(diào)度的監(jiān)測模式，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的采集狀態(tài)，有效減少冗余監(jiān)測，降低系統(tǒng)能耗，延長生命周期。同時，該系統(tǒng)的研究以及使用在病害處治方面應(yīng)做到精準(zhǔn)發(fā)力、高效便捷和持久耐用，對于提高隧道的設(shè)計構(gòu)造、監(jiān)測預(yù)警和維護管理都具有一定的借鑒意義。
