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1、巨龙身体里装芯片 记南京长江隧道结构健康监测系统施工2005年3月29日，一个历史性的时刻诞生了，因为在这一天，南京长江隧道工程正式开工。南京长江隧道是南京市城市总体规划确定的“五桥一隧”过江通道中的重要工程，是南京城建史上的最大手笔,预计2010年竣工通车。届时，一条隧道巨龙将潜卧江底，横贯东西，彻底改变长江南京段目前单一的桥梁过江交通方式，对于进一步加快南京都市圈的形成，缓解过江压力，提升中心城市辐射功能，以及推进沿江开发战略，都具有重要的意义。今年3月，经过激烈的角逐，我公司有幸承接了这一工程的重要子项结构健康监测系统工程，成立了南京长江隧道结构健康监测系统项目部。结构健康监测(Stru
2、ctural Health Monitoring，简称SHM ) 指利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。通俗地说，就是要给这条隧道巨龙动个小手术，在其体内安装智能芯片，通过监控和分析采集到的变形、应力和环境参数，实时掌握它的健康状况，为及时排除病症提供可靠依据。但是，“说起来容易，做起来难”，巨龙的身体结构及其生存环境是相当复杂的。面临的挑战作为世界级的超大隧道、国内外地下标志性工程，南京长江隧道具有工程建设规模大、技术难度高、施工见险大等特点，是极具有挑战性的穿江工程，面临许多世界级技术难题的挑战，首当其冲得是其所处地质、水文条件
3、的特殊性。一是水土压力高（达每平方厘米6.5公斤），居世界同等直径或更大直径盾构工程之最；二是地质条件复杂，地层透水性极强；三是江底隧道埋深超浅，由于隧道线路纵断面受地形条件制约，江底有150米长的地段隧道上方覆土厚度不足1倍洞径（约11.49米，仅为洞径的0、77倍），且地质为粉细沙层，施工坍塌冒顶风险极大；四是盾构机始发段超浅埋，隧道洞口段上方覆土厚度仅5.5米（不足0、4倍洞径），在同类隧道中埋深最浅，其开挖面稳定和地层沉降控制要求极高。既然南京长江隧道工程面临的现状如此复杂，那么，结构健康检测系统能起到重要作用吗？又是如何做到的呢？ 结构健康监测系统的意义和目的依据南京长江隧道的特点，
4、隧道建成运营后，为了保证其结构具有良好的功能状态，十分有必要采用先进的监测手段。根据本隧道所处的地质、水文条件的特殊性，对其结构的关键部位进行长期监测，以便于及时掌握隧道结构状态的变化，从而判断隧道结构的可靠性，进而采取相应的控制措施，使隧道结构始终处在良好的和可控的状态。结构健康监测系统通过布设监测设备，检测南京长江隧道特殊地段隧道结构的受力变化，对隧道在运营期的结构行为及影响进行监测和数据分析，对隧道的健康状况以及使用寿命进行评估，判断隧道结构在设计基准期内的安全性以指导运营，同时给出实时的安全报警，提前主动采取有效的工程措施，从而保证隧道结构在设计基准期内的安全；同时可以合同配置隧道养护
5、资源，降低成本，及时高效保证隧道的运营状态健康和安全。光纤传感技术、知识处理的奇特应用本系统为国内外第一条实施实时结构健康监测的盾构隧道项目，工程投资费用为650万，它之所以能实现这些特殊的功能，离不开现代高科技的应用。.采用光纤光栅传感监测系统安装在巨龙体内的芯片其实就是传感器设备，可别小看了这些芯片，它们能够将被测量的位移、应变、荷载和温度等参数转化为光、电信号，通过现场光缆、电缆等传输到数据采集处理系统。本系统工程中，我们应用了光纤光栅传感器的主导产品FBG传感器，它基于光波长变化的数字测量原理。光纤光栅传感器的波长调制这一传感机制，克服了传统的光、电学传感器的许多弱点，具有很多优点：测
6、量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；测量点相位清晰，能对固定参考点进行长期绝对测量；能方便地在一根光纤中串接多个FBG传感器，对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量；使用寿命较长，理论寿命在30年以上；监测设备对环境耐受性好、成活率较高。因此，采用该技术为主的监测传感系统是盾构隧道长期健康监测和状况评估的较好选择。我们在巨龙体内共设置了光纤光栅、土压力计、渗压计、腐蚀计等各类传感器900余套，光纤光栅解调设备、数字式测读等在线式测读装置12套，分布在各个监测点。传感器设备将巨龙结构的土压力、水压力变化，管片结构内力变化，断面收敛变形等异常情况产生的
7、参数实时转化成光、电信号，传输到数据采集系统，为结构分析和智能决策提供第一手宝贵资料。2、知识处理应用知识处理通常是指专家系统，与数据处理相比增加了由基本对象组织起来的事实和规则。在系统软件开发中，我们结合计算机技术、数据处理技术、工业自动控制、结构分析等方面的知识，将专家系统（ExPertSystem）和地理信息系统(GIS)结合在一起，形成专家地理信息系统（EGIS）。系统软件开发包含了五大子系统：仪器控制与预警报警系统、三维有限元分析系统、数字化管养决策系统、隧道结构安全状态评估系统及数据库系统，其具体结构如下图：数据库系统为其他各系统的后台基础。三维有限元分析系统为隧道结构安全状态评估
8、系统提供有限元模型和参数分析，最后由结构状态分析系统通过蒙特卡罗模拟，功能函数运算，专家人为修订，得出最后的智能决策结果。数字化管养数据也可以作为隧道健康评价的依据之一。GIS技术在数字化管养决策系统中的应用使得系统功能更加直观，可实现地理图层的显示、切换、缩放、漫游、导航，对检查位置，病害位置进行的图形化显示，通过空间查询获取相关位置病害情况及处置情况，也可通过查询迅速定位病害数据发生的位置，为决策提供依据。 总的说来，系统软件部分以信号处理和建模为基础，以知识处理为核心，将巨龙体内芯片（前端传感器设备）采集到的数据最大化利用，就像是为巨龙健康状况诊断的医疗仪器。然而在具体的实施过程中，我们
9、觉得有难度的不是系统软件开发，而是传感器设备的预埋、敷设工作。因为本工程是国内外第一个在隧道盾构管片内预埋光纤光栅传感器的项目，毫无相关施工经验可借鉴。我们在巨龙体内共选择了六个监测断面，利用不同类型的传感器监测不同的参数。监测断面及监测内容监测范围为南京长江隧道的盾构段，考虑到南京长江盾构隧道的具体情况，在地质条件明显变化处，如隧道进/出洞段、过大堤段、江中超浅覆土处、江中最深覆土处、江心段水压最大处作为隧道典型断面重点监测，预埋监测仪器，采集数据通过输入接口汇入系统。通过对隧道施工及运营过程中可能出现的主要病害分析，采用监测方式划分系统结构，确定监测内容如下表1：系统结构具体监测参数主要病
10、害实时在线监测部分管片接缝张开度，隧道外侧水压力，轴向力，弯矩，螺栓锚固力，混凝土碳化侵蚀监测接缝张开度过大，衬砌渗漏水，管片开裂，土砂流入，管片材料劣化定期巡查及检测隧道净空收敛，隧道衬砌环沉降， 隧道管片三维变形等隧道断面收敛变形，盾构隧道纵向不均匀沉降、水平位移表1： 监测内容各监测内容所用监测材料设备如以下表2、表3： 定期检测监测内容监测项目监测材料设备断面变形检测隧道净空收敛收敛计、激光断面仪结构变形监测隧道衬砌纵向沉降连通管线形监测系统地层围岩检测注浆后空洞地质雷达表2：定期巡查及检测 实时在线监测监测项目监测材料设备左线（东）右线（西）LK3+759LK5+199LK6+332
11、RK4+425RK6+082RK6+610监测断面距盾构隧道起点里程（m）1601600273382624833011管片结构 受力监测光栅光纤柔性土压力盒101010101010光栅光纤钢筋 应变传感器242424242424光栅光纤混凝土 应变传感器242424242424光栅光纤温度 传感器101010101010弦式渗压计101010101010螺栓受力 监测环向螺栓（中间螺栓）101010101010纵向螺栓F/B1/B3/B5/B7555555接缝位移 监测光栅光纤表面式位移计202020202020混凝土结构侵蚀监测腐蚀传感器22表3：实时在线监测数量如此众多的传感器，必须在管片
12、钢筋骨架制作环节预埋进管片，还要经历管片浇筑环节、蒸养环节、水养护环节，承受高温和高湿度，这就对传感器设备选型提出了很高的要求，必须耐高温、耐高湿度、抗腐蚀。同时，要在不影响管片质量的前提下，保证传感器成活率85%，这是对施工工艺的巨大挑战。为此，项目部成立了攻坚小组，深入管片场、隧道施工现场了解盾构隧道的施工流程和特点，分批实地考察学习了十余次。然后与各相关单位从管片质量、施工安全等角度商讨预埋方案。在东西线第一监测断面的预埋施工过程中，我们不断摸索，与各单位共同会战、同心协力，终于攻克了预埋施工中难题，排除了后续施工隐患，总结了宝贵的经验， 如防止管片安装吸附过程中漏气措施、管片内传感器及
13、线缆防水措施、传感器及线缆在浇筑等施工中保护措施等。自2008年3月施工以来，在南京长江隧道结构监测系统项目部所有工作人员的努力下，给长江巨龙身体里装芯片的工作已基本完成，第一、第二监测断面的预制管片已随着盾构机的推进成功拼装，光纤熔接、光纤引出工作也已完成，传感器成活率成功保证85%，数据采集、分析工作有序进行，为施工过程中巨龙的健康状况评估提供了可靠依据。我们相信，本着科学、严谨的工作态度，敢于创新，敢于开拓，我们会一如既往地高质量完成后续施工工作，打造“长江第一安全巨龙”，为企业开拓新业务建树品牌，为南京城建事业添砖加瓦！ 南京城建隧桥经营管理有限责任公司 2008年11月12日工厂搬迁对于一个企业来说，安全问题始终是第一位的，也是最基本的，过程中所涉及到的安全问题主要是人员的安全和设备拆装以及财产的安全。各部门经理和所有员工一定要以安全为核心，开展各项工作，职责到人、分工明确。7
