公路隧道结构健康监测系统设计与实施

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.07.1444

中国安全科学学报 ›› 2022, Vol. 32 ›› Issue (7): 56-62.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.07.1444

公路隧道结构健康监测系统设计与实施

谢全敏(), 马伟, 杨文东

武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430070

收稿日期:2022-02-22 修回日期:2022-05-15 出版日期:2022-08-12 发布日期:2023-01-28
作者简介:
作者简介：谢全敏 (1968—),男,四川泸州人,博士,教授,主要从事隧道与地下工程方面的研究。E-mail: xiequanmin@126.com。
杨文东, 教授
基金资助:
国家自然科学基金资助(51779197); 武汉市城乡建设委员会科技计划项目(201740); 武汉市城乡建设委员会科技计划项目(201941)

Design and implementation of SHM system for highway tunnels

XIE Quanmin(), MA Wei, YANG Wendong

School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China

Received:2022-02-22 Revised:2022-05-15 Online:2022-08-12 Published:2023-01-28

摘要/Abstract

摘要：

为减少山岭公路隧道结构运营期病害的发生,提高运营管理水平和降低养护成本,利用结构健康监测(SHM)和自动化监测技术,研发山岭公路隧道运营期结构健康自动化监测系统;该系统采用C系列编程语言、C/S结构和4层架构体系,构建系统整体框架、核心子系统及各项功能;在怀阳高速公路长安隧道开展试验,验证该系统的适用性与有效性。结果表明:该系统可实时采集、整编及存储多类传感器的监测数据,能够分析处理数据(如曲线图分析、超限监测及预警预报等)、测点与CAD图关联、综合评价隧道结构健康状况,并自动生成报表。

关键词: 山岭公路隧道, 结构健康监测(SHM), 自动化监测, 分析处理, 综合评价

Abstract:

In order to reduce structural damages of mountain highway tunnels during operation, to improve operation management and reduce maintenance costs, a structural health monitoring system for the tunnel was developed by utilizing SHM and automatic monitoring technology. Then, overall system framework, core subsystems and various functions were established by adopting C series programming language, C/S structure and 4-layer architecture system. Finally, experiments were conducted in Chang'an tunnel of Huaiyang expressway to verify applicability and effectiveness of the system. The results show that the proposed system can collect, organize and store monitoring data of various types of sensors in real time, analyze and process data (such as curve analysis, over-limit monitoring and early warning and forecasting, etc.), correlate measurement points with CAD drawings, and comprehensively evaluate tunnel structural health and generate reports automatically.

Key words: mountain highway tunnel, structural health monitoring (SHM), automated monitoring, analytical processing, comprehensive evaluation

谢全敏, 马伟, 杨文东. 公路隧道结构健康监测系统设计与实施[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 56-62.

XIE Quanmin, MA Wei, YANG Wendong. Design and implementation of SHM system for highway tunnels[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(7): 56-62.

图/表 8

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

表2

参考文献 14

[1]	张顶立. 隧道及地下工程的基本问题及其研究进展[J]. 力学学报, 2017, 49(1):3-21. doi: 10.6052/0459-1879-16-348
	ZHANG Dingli. Essential issues and their research progress in tunnel and underground engineering[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechani, 2017, 49(1): 3-21.
[2]	中华人民共和国交通运输部. 2020年交通运输行业发展统计公报[J]. 交通财会, 2021(6):92-96.
[3]	马桂苗. 公路隧道设计安全风险评估[J]. 中国公路, 2012(18):116 -117.
[4]	HE Chuan, WANG Bo. Research progress and development trends of highway tunnels in China[J]. Journal of Modern Transportation, 2013, 21(4):209-223. doi: 10.1007/s40534-013-0029-4
[5]	LIU Qi, LU Guangyin, HUANG Junrong, et al. Development of tunnel intelligent monitoring and early warning system based on micro-service architecture: the case of Anping tunnel[J]. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 2020, 11(1):1404-1425. doi: 10.1080/19475705.2020.1797906
[6]	吴贤国, 王雷, 陈虹宇, 等. 基于BIM技术的物联网运营地铁结构健康监测系统设计与实现[J]. 隧道建设, 2020, 40(6):905-914.
	WU Xianguo, WANG Lei, CHEN Hongyu, et al. Design and realization of health monitoring system for operation metro structure based on BIM-based internet of things[J]. Tunnel Construction, 2020, 40(6):905-914.
[7]	喻钢, 史礼华. 基于MR与微服务的隧道应急模拟与推演系统[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(1):162-167. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2020.01.025
	YU Gang, SHI Lihua. Tunnel emergency simulation and deduction system based on MR and microservice[J]. China Safety Science Journal, 2020, 30(1): 162-167. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2020.01.025
[8]	陈卫忠, 李长俊, 曾灿军, 等. 大型水下盾构隧道结构健康监测系统的构建与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(1):1-13.
	CHEN Weizhong, LI Changjun, ZENG Canjun, et al. Establishment and application of structural health monitoring system for large shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(1): 1-13.
[9]	杨超斌, 赵荣欣, 吴华勇. 钱江隧道结构健康监测系统的设计与应用[J]. 上海公路, 2017(2):41-44.
	YANG Chaobin, ZHAO Rongxin, WU Huayong. Design and application of Qianjiang tunnel structural health monitoring system[J]. Shanghai Highway, 2017(2): 41-44.
[10]	GIULIA B, LUCA S, GIANLUCA M. Structural health monitoring of a road tunnel intersecting a large and active landslide[J]. Applied Sciences-Basel, 2017, 7(12): DOI: 10.3390/app7121271. doi: 10.3390/app7121271
[11]	ALDO M, ESTER C, AGNESE C, et al. Distributed fiber optic sensors for the monitoring of a tunnel crossing a landslide[J]. Remote Sensing, 2018, 10(8):DOI: 10.33901rs1008129. doi: 10.33901rs1008129
[12]	刘毅, 李海枫, 商峰. 双层复合衬砌隧洞运行安全预警监控指标研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2021, 19(1):74-80.
	LIU Yi, LI Haifeng, SHANG Feng. Research on operation safety warning and monitoring index of double layer composite lining tunnel[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2021, 19(1): 74-80.
[13]	王洪德, 高秀鑫. 高速公路隧道健康诊断及预警的模糊神经网络方法[J]. 中国安全科学学报, 2014, 24(2): 9-15.
	WANG Hongde, GAO Xiuxin. Method of fuzzy neural network for expressway tunnel health diagnosis and early-warning[J]. China Safety Science Journal, 2014, 24(2): 9-15.
[14]	JTG/T 3660—2020,公路隧道施工技术规范[S].
	JTG/T 3660-2020, Technical specifications for construction of highway tunnel[S].

监测项目	采集设备	型号	精度	数量
混凝土应变	混凝土应变计	EM-5	±0.5/100	40支
钢筋应力	钢筋应力计	IRHP	±1.0/100	40支
断面收敛	收敛监测仪	CD70A	0.1mm	4套
远程监测单元	数据采集仪	DT85G	—	2套
远程监测单元	扩展模块	CEM20	—	4套

序号	安全等级评价指标	A	B	C	D	E
序号	安全等级评价指标	完好	轻微	较严重	严重	极严重
1	钢筋应力 σ/MPa	<188	188≤σ<215	215≤σ<240	240≤σ<268	≥268
2	混凝土应变 ε/10^-6	<372(压) <33(拉)	372≤ε<426 (压) 33≤ε<38(拉)	426≤ε<479 (压) 38≤ε<43(拉)	479≤ε<532 (压) 43≤ε<48(拉)	≥532 (压) ≥48(拉)
3	断面收敛 v /(mm·d^-1)	<0.15	0.15≤v<0.4	0.4≤v<0.5	0.6≤v<0.7	≥0.7
4	衬砌漏水	0	1(拱部有季节性滴水、边墙有季节性淌水)	2(拱部有滴水、边墙有淌水)	3(拱部滴水星线、边墙淌水流泥)	4(拱部漏水直击接触网,影响正常运营)
5	衬砌裂纹	0	1(有收缩或环向裂纹)	2(裂纹多于3条、有交叉:裂纹长<5 m、宽度<3 mm)	3(网状裂纹、有剥落掉块可能;裂纹长5~10 m,宽3~5 mm)	4(裂纹呈网状、有剥落掉快;裂纹长>10 m、宽>5 mm)
健康等级描述		完好状态。无异常情况。	轻微破损。存在轻微破损,现阶段趋于稳定,对交通安全不会有影响	中等破损。存在破坏,发展缓慢,可能会影响交通安全	严重破损。存在较严重破坏,发展较快,已影响交通安全	危险状态。存在严重破坏,发展迅速,已危及交通安全
养护对策		正常养护	检查结构破损部位,必要时实施保养维修	重点监测结构破损部位,实施保养维修	尽快治理结构破损部位,实施交通管制	及时关闭隧道,及时全面地治理破坏部位

[1]	吴爱枝. 危化品公路运输事故应急演练大空间VR实训系统[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(S1): 189-196.
[2]	李敬强, 樊天辰. 民航法定自查人员安全检查能力模型[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 7-13.
[3]	曹源, 于潇, 孙永奎. 交叉口路况的导向运输系统安全间隔控制研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(6): 144-150.
[4]	黄亚江, 李书全, 李益锌, 郑涵. 基于DEMATEL-ISM-ANP的地铁运营安全韧性综合评价[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(6): 171-177.
[5]	熊钰, 孔德中, 杨胜利, 吴桂义, 左宇军, 程占博. 大倾角工作面煤壁稳定性的云模型综合辨识[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(3): 144-151.
[6]	龙腾腾, 殷继艳, 欧朝蓉, 杨强, 李勇, 王秋华. 云南省森林火灾风险综合评价及空间格局研究^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(9): 167-173.
[7]	吴维讲师, 罗欣然, 魏明. 基于SD模型的跑道侵入风控网络脆弱性分析[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(4): 41-48.
[8]	杨天姿, 王铁骊, 彭恒明, 段海林. 小微企业生产安全事故应急脆弱性评价^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(12): 176-183.
[9]	姜涛, 张玉龙, 李士博, 李政, 邱海良. 大型多功能救援属具的综合性能评价体系[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(1): 102-108.
[10]	朱冠吉, 刘迪, 孙强, 周子超. 铁路机车驾驶员职业安全适应性评价[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(S1): 64-70.
[11]	贾宝峰, 阎美好. 铁路快运货物安全预警系统研究[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(S1): 121-127.
[12]	杨越, 黄贻刚, 宋祥波, 王建忠. 基于运行数据的管制员工作效能测评方法[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(3): 8-14.
[13]	周俊. 铁路客运站客流安全态势评价^*[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(S2): 126-133.
[14]	李程睿, 赵明, 尹盼盼, 刘美池, 马乐陶. 高速铁路客运站安全评价^*[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(S2): 149-153.
[15]	王永刚, 张迪, 刘晓璐. 航空安全员安全保障能力评价研究[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(8): 10-16.

公路隧道结构健康监测系统设计与实施

Design and implementation of SHM system for highway tunnels

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 14

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价