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隧道在施工和使用過(guò)程中，因地質(zhì)條件變化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及退化等問(wèn)題必然會(huì)帶來(lái)安全隱患。如何保障隧道的安全施工和運(yùn)營(yíng)？安全物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用給隧道的運(yùn)營(yíng)和管理帶來(lái)了新方向。
01隧道安全背景
據(jù)我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)提供的數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國(guó)大陸運(yùn)營(yíng)公路隧道15181座、14039.7km。研究人員對(duì)其中6000多座進(jìn)行檢測(cè)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(duì)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)隧道工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)估和預(yù)測(cè)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(dú)作用，常常是幾種情況共同作用。
滲漏水、積水等會(huì)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(cuò)臺(tái)，而襯砌一旦開裂，將會(huì)給地下水打開一條外滲的通道，引發(fā)隧道嚴(yán)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(yán)重，必然導(dǎo)致凍害嚴(yán)重。
寒冷地區(qū)的鐵路隧道如果圍巖含地下水，就會(huì)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(shí)在春、夏季，凍害部位開始解凍，此時(shí)被凍結(jié)的冰融化成水，水就會(huì)“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(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)
目前常用的隧道檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以人工為主，即依靠人眼檢測(cè)以及人工儀器檢測(cè)，這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，但對(duì)檢測(cè)人員要求較高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，且檢測(cè)人員的安全作業(yè)難以保證。同時(shí)人工檢測(cè)具有較大的主觀性，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員也難以保證檢測(cè)結(jié)果的完整性與準(zhǔn)確性。隨著檢測(cè)工作量的不斷增大，人工加儀器的方式越來(lái)越難以滿足檢測(cè)的需求。
目前隧道檢測(cè)新技術(shù)可以分為 4 類: 傳感器檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)字照相檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)、激光掃描檢測(cè)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(zhǎng)度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)。
（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(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)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(cè)量轉(zhuǎn)換為光特性（強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng)）改變的傳感技術(shù)。
2、數(shù)字照相技術(shù)
利用數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)采集隧道表面圖像，利用圖像處理技術(shù)可以檢測(cè)隧道滲漏水和裂縫。相對(duì)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(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)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(duì)地鐵隧道進(jìn)行收斂變形監(jiān)測(cè)，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(gè)方面來(lái)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(cè)手段; 也可以利用掃描點(diǎn)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(cè)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(hào)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(cè)云平臺(tái)
目前的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)缺少系統(tǒng)性的平臺(tái)支撐，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的全面感知、實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和及時(shí)的在線預(yù)測(cè)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(guò)建設(shè)安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。數(shù)據(jù)分析層也可以稱為信息層，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)信息展示、人機(jī)交互、系統(tǒng)管理和配置管理等功能，達(dá)到人員對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的管理和信息識(shí)別。
安全物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
使用無(wú)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(gè)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(cè)任務(wù)的執(zhí)行和隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)預(yù)警，整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。
系統(tǒng)還能采用自調(diào)度的監(jiān)測(cè)模式，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的采集狀態(tài)，有效減少冗余監(jiān)測(cè)，降低系統(tǒng)能耗，延長(zhǎng)生命周期。同時(shí)，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(duì)于提高隧道的設(shè)計(jì)構(gòu)造、監(jiān)測(cè)預(yù)警和維護(hù)管理都具有一定的借鑒意義。