看我们如何搭建水下隧道结构安全监测系统

一、我国水下隧道发展历程 

中国工程院院士钱七虎认为：“19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪为了节约能源、保护环境，人类要大量利用地下空间，因此，21世纪对人类来说是地下空间的世纪。"

放眼世界，1994年建成的英吉利海峡隧道，完成了英法两国“两个多世纪的理想"；日本青函隧道修了20多年；俄罗斯人修白令海峡隧道的“百年梦想"至今还没眉目；而已经拥有跨海大桥的中国，已将海底隧道——渤海海峡跨海通道（烟大海底隧道）纳入国家“十四五"规划。

2004年，武汉长江隧道破土动工，2008年12月28日，武汉长江隧道通车运营，中华民族实现了“隧穿长江"的梦想，在长江57米深处，中国人成功攻克高水压、强透水、超浅埋等水底盾构掘进难题。

2014年，世界直径最大的双层盾构隧道——扬州瘦西湖隧道建成通车，实现了我国双层盾构隧道修建技术的重大突破。同年，外径15.0米、世界上已建成的直径最大的盾构隧道之一—杭州钱江隧道通车运营，这也是在钱江强涌潮作用下修建水下隧道。

遇水架桥是千百年来人类的习惯做法，随着水下地质勘探技术、施工水平的提高，以及地面交通压力的不断增长，水下交通隧道以其少拆迁、不影响航运和水域生态环境，不受天气、大风、大雾影响，可以全天候运营，而且具有很强的抵抗灾难灾害和突发事件的能力等*优势逐渐成为当今跨越江河湖海的新选择。

从技术上看，众多水下隧道的开通，也为我国在这一领域提供了很好的技术支持，并开启了从大江迈向大海的新时代。

2010年厦门翔安海底隧道建成通车，项目形成的“钻爆法海底隧道修建技术"以“里程碑式"的作用，已推广应用到多座跨江越海工程；6年后，采用盾构法施工的地铁海底隧道也在厦门盾构始发，而在相邻省份的珠海，我国首条于外海建设的沉管隧道——港珠澳大桥沉管隧道，是公路沉管工程。

二、安全监测在水下隧道中的应用

水下隧道(海底隧道)，所处地质条件、内部环境比较复杂，若在施工期、运行期发生灾害，均会造成重大的经济损失与不良的社会影响。国内外调查研究表明，建成的隧道有相当比例存在衬砌裂缝和渗漏水等病害现象，威胁隧道内行车安全、影响交通质量，缩短隧道的维护周期与使用年限。

国外隧道结构安全监测技术研究起步较早，特别是日本、欧洲等公路隧道较为发达的国家。在国内，重要的水下隧道工程也建立了结构安全监测系统 ，比如南京玄武湖隧道、厦门翔安隧道、南京长江隧道、广州洲头咀隧道、扬州瘦西湖隧道等等。

通过建立隧道结构安全监测长系统，对工程建设期、运营期的结构、环境性状作全过程的监测 ，以科学、准确地评估病害对结构承载能力、承载状态的影响规律和影响程度，可以为工程的维护、保养、安全决策及病害诊治提供科学依据。

水下（海底）隧道健康监测系统配置

1.设计原则

监测特征断面应根据隧道地质条件及环境条件确定；监测的主要控制因素应根据受力特点确定；监测特征点及相应的监测项目可根据结构分析计算结果确定。

2.选型原则

性能稳定、质量可靠、耐用、技术参数符合国际、国内规范要求，包括电缆、护管及其他附属设施；监测设施设备的使用年限应尽可能与隧道的设计使用年限一致。

3.主要监测特征包括（不限于）

（1）工作条件监测

土压力、水压力、覆盖层厚度、地层变形、腐蚀等。

（2）结构受力监测

混凝土应力、钢筋应力、锚杆内力、接触面压力、路面称重监测等。

（3）结构变形监测

结构沉降变形、挠度、裂缝、收敛变形、振动变形等。

（4）结构材料监测

表面碳化深度、混凝土强度变化、钢筋腐蚀程度等。

（5）环境量监测

有毒有害气体、大气颗粒物监测、能见度监测、视频摄像监控。

4.系统配置

隧道健康监测系统由传感层、传输层、数据处理层三部分组成，系统拓扑图如下图所示。

基于上述监测的众多的监测特征量，对应的传感器类型是多种多样的，信号传输模式也不尽相同，包括模拟量与数字量信号；其要求的采样率也分为静态监测与动态监测。

 是否有一种数据采集器能同时满足上述的测量要求，同时保证性能稳定、数据可靠？答案是肯定的。

三、Campbell Scientific 数据采集与处理系统

Campbell Scientific为适应不同工况下的监测环境与监测要求，研发的数据采集与处理系统。新一代CR6、GRANITE数采系统，多功能万能端子可直接适配各类传感器信号；内置静态/动态数据采集接口与VSPECT分析模块；24位分辨率；独立通道，1K数据采样率；支持RS485，SDM，SDI-12，CPI，Ethernet多种通讯测试接口。包括：WIFI和RF多种可选版本；可实现隧道内的无线远程传输，解决信号电缆、光缆布线等复杂性。

1.测量性能

2.稳定性

3.集成度

（1）集成静态应变、位移及环境等传感器信号接入

（2）集成动态信号加速度、动应变等传感器信号接入

4.环境适应性和供电

（1）太阳能板或电池供电，非常适应异常气候

5.信息处理与反馈

隧道结构安全预警与综合评估系统是对在线监测与人工巡测数据进行统一的处理与分析，对隧道结构进行异常诊断、预警及结构安全性态评估。

Campbell数据采集控制平台Loggernet

多功能数据采集控制平台，拥有40多年产品研发过程的技术精华与沉淀，兼容Campbell所有数据采集器，*的安全控制技术。

程序运行采用二进制编码，导入与导出均经软件二次编译，确保程序不能为第三方查看或运行；平台内置安全管理模块，对用户进行安全级别管理，确保设备与程序的操控安全。

多软件平台支持

6.数据传输与安全

（1）通道复用

（2）兼容多类型通信协议

（3）CPI

（4）多重存储方式

（5）多重加密保护

（6）Security Codes

（7）PakBus/TCP Password

（8）TLS

（9）PakBus Encryption Key

参考资料及引用：

（1）厦门翔安海底隧道的若干结构监测技术

（2）水下隧道结构货健康监测技术规程

（3）文中部分图片引用自网络及中国铁建