巨龍身體里裝芯片

1、巨龍身體里裝芯片記南京長江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)施工2005 年 3月 29日，一個歷史性的時刻誕生了，因?yàn)樵谶@一天， 南京長江隧道工 程正式開工。南京長江隧道是南京市城市 總體規(guī)劃 確定的 “五橋一隧 ”過江通道中的重要工程，是南 京城建史上的最大手 筆,預(yù)計(jì) 2010年竣工通 車。屆時，一條隧道巨龍將潛臥江底，橫貫東 西，徹底改變長 江南京段目前 單一的 橋梁過江交通方式，對于進(jìn)一步 加快南京都市圈 的形成，緩解過江壓力，提升中心城市 輻射功能，以 及推進(jìn)沿江開發(fā)戰(zhàn)略，都具有重要的意義。今年 3 月，經(jīng)過 激烈的角逐，我公司有幸 承接了這一工程的重要 子項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康 監(jiān)測系統(tǒng)工程，成立了南京

2、長江隧道 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 系 統(tǒng)項(xiàng)目部。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring ,簡稱SHM ) 指利用 現(xiàn)場的無損傳感技術(shù), 通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特 性分析 , 達(dá)到檢測結(jié) 構(gòu)損傷或退化的目的。通俗地說，就是要給這條 隧道巨 龍動個小手術(shù)，在其體內(nèi)安裝智能芯片，通 過監(jiān)控和分析采集 到的 變形、應(yīng)力和 環(huán)境參數(shù)，實(shí)時掌握它的健康狀 況，為及時排除病 癥提供可靠依據(jù) 。但是，“說起來容易，做起來難”，巨龍的身體 結(jié)構(gòu)及 其生存 環(huán)境是相 當(dāng)復(fù)雜的。面臨的挑戰(zhàn)作為世界 級的超大隧道、國內(nèi)外地下 標(biāo)志性工程，南京 長江隧道 具有工程建 設(shè)規(guī) 模大、技術(shù)難度高

3、、施工見險(xiǎn)大等特點(diǎn)， 是極具有挑 戰(zhàn)性的穿江工程 ，面臨許多世界 級技術(shù)難題的挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖得是其 所 處地質(zhì)、水文條件的特殊性。一是水土 壓力高(達(dá)每平方厘米 6.5 公 斤)，居世界同等直徑或更大直徑 盾構(gòu)工程之最；二是地質(zhì)條件復(fù) 雜， 地層透水性極 強(qiáng)；三是江底隧道埋深超淺，由于隧 道線路縱斷面受地 形條件制約，江底有150 米長的地段隧道 上方覆土厚度不足 1 倍洞徑 （約 11.49 米，僅為洞徑的 0、77 倍），且地質(zhì)為 粉細(xì)沙層，施工坍塌冒 頂風(fēng)險(xiǎn) 極大；四是盾構(gòu)機(jī)始 發(fā) 段超淺埋，隧道洞口 段上方覆土厚度 僅 5.5 米（不足 0、4 倍洞徑），在同類 隧道中埋深最淺，其開挖

4、面 穩(wěn)定和 地層沉降控制要 求極高。既然南京 長江隧道工程面臨的現(xiàn)狀如此復(fù) 雜，那么，結(jié)構(gòu)健康檢 測系統(tǒng)能起到重 要作用嗎？又是如何做到的呢？結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的意義和目的依據(jù)南京 長江隧道的特點(diǎn)，隧道建成運(yùn) 營后，為了保證其結(jié)構(gòu)具 有 良好的功能狀 態(tài)，十分有必 要采用先進(jìn)的監(jiān)測手段。根據(jù)本隧道所 處的 地質(zhì)、水文條件的特殊性，對其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行長期監(jiān)測， 以便于 及時掌握隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，從而判斷隧道結(jié)構(gòu)的可靠性， 進(jìn)而采取 相應(yīng)的控制措施，使隧道結(jié)構(gòu)始終處在良好的和可控的狀 態(tài)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通過布設(shè)監(jiān)測設(shè)備 ，檢測南京長江隧道特殊地 段隧道結(jié)構(gòu)的受力變化，對隧道在運(yùn) 營期的結(jié)構(gòu)行

5、為及影響進(jìn)行監(jiān)測 和數(shù)據(jù)分析， 對隧道的健康狀況以及使用壽命 進(jìn)行評估，判斷隧道 結(jié) 構(gòu)在設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)期內(nèi)的安全性以指 導(dǎo)運(yùn)營，同時給 出實(shí)時的安全報(bào)警， 提前主動采取有效的工程措施，從而保 證隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的 安全；同時可以合同配置隧道養(yǎng) 護(hù)資 源，降低成本 ，及時高效保 證隧 道的運(yùn) 營狀 態(tài)健康和安全。光纖傳感技術(shù)、知識處理的奇 特應(yīng)用本系統(tǒng)為國內(nèi)外第一條實(shí)施實(shí)時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的盾構(gòu)隧道 項(xiàng)目， 工程投資費(fèi)用為 650 萬，它之所以能 實(shí)現(xiàn)這些特殊的功能 ，離不開現(xiàn) 代高科技的 應(yīng)用。.采用光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)安裝在巨 龍?bào)w內(nèi)的芯片其實(shí)就是 傳感器設(shè)備，可別小看了這些芯 片，它們能夠

6、將被測量的位移、應(yīng)變 、荷載和溫度等參數(shù) 轉(zhuǎn)化為光、電 信號，通過現(xiàn)場 光纜、電纜等傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集 處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)工程中，我們應(yīng)用了光纖光柵傳感器的主導(dǎo)產(chǎn)品一FBG 傳感器，它基于光波 長變化的數(shù)字 測量原理。光纖光柵傳感器的波長 調(diào)制這一傳感機(jī)制，克服了 傳統(tǒng)的光、電學(xué)傳感器的 許多弱點(diǎn)，具有 很多優(yōu)點(diǎn)： 測量信號不受光源起伏、光 纖彎曲 損耗、連接損耗和測量儀器 老化等因素影響； 測量點(diǎn)相位清晰，能 對固定參考點(diǎn) 進(jìn)行 長期絕對 測量；能方便地在一根光 纖中串接多個FBG傳感器，對結(jié)構(gòu)的應(yīng) 變和溫度等進(jìn)行高分辨率和大范 圍的分布式測量； 使用壽命 較長， 理論壽命在30年以上；監(jiān)測設(shè)備對

7、環(huán)境耐受性好、成活率較高。因 此，采用該技術(shù)為主的監(jiān)測傳感系統(tǒng)是盾構(gòu)隧道 長期健康監(jiān)測和狀況 評估的 較好選擇。我們在巨龍?bào)w內(nèi)共設(shè)置了光纖光柵、土壓力計(jì)、滲壓計(jì)、腐蝕計(jì) 等各類傳感器 900 余套，光纖光柵解調(diào)設(shè)備、數(shù)字式測讀等在線式測 讀裝置 12 套，分布在各個監(jiān)測點(diǎn)。傳感器設(shè)備將巨龍結(jié)構(gòu)的土 壓力、 水壓力變化，管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力 變化，斷面收斂變形等異常情況 產(chǎn)生的參 數(shù)實(shí)時轉(zhuǎn)化成光、電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系 統(tǒng)，為結(jié)構(gòu)分析和智能 決策提供第一手 寶貴資料。2、知識處理應(yīng)用知識處理通常是 指專家系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)處理相比增加了 由基本對象 組織起來的事 實(shí)和規(guī)則。在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，我們結(jié)合計(jì)算機(jī)技

8、術(shù)、 數(shù)據(jù)處理技術(shù)、工業(yè)自動控制、結(jié)構(gòu)分析等方面的知 識，將專家系統(tǒng)ExPertSystem)和地理信息系 統(tǒng)(GIS)結(jié)合在一起，形成專家地理信息 系統(tǒng)EGIS)。系統(tǒng)軟件開發(fā)包含了五大子系統(tǒng)：儀器控制與預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)、三維 有限元分析系 統(tǒng)、數(shù)字化管養(yǎng)決策系 統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估系統(tǒng) 及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如下圖：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為其他各系統(tǒng)的后臺基礎(chǔ)。三維有限元分析系統(tǒng)為隧 道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估系統(tǒng)提供有限元模型和參數(shù)分析，最后由 結(jié)構(gòu)狀 態(tài)分析系統(tǒng)通過蒙特卡羅模擬，功能函數(shù)運(yùn)算，專家人為修訂，得出 最后的智能決策結(jié)果。數(shù)字化管養(yǎng)數(shù)據(jù) 也可以作為隧道健康評價(jià)的依據(jù)之一。GIS技術(shù) 在數(shù)字化管

9、養(yǎng)決 策系統(tǒng)中的應(yīng)用使得系統(tǒng)功能更加直 觀，可實(shí)現(xiàn)地理 圖層的顯示、切換、縮放、漫游、導(dǎo)航，對檢查位置，病害位置 進(jìn)行的 圖形化顯示，通過空間查詢獲取相關(guān)位置病害情況及 處置情況，也可 通過查詢迅速定位病害數(shù)據(jù)發(fā)生的位置，為決策提供依據(jù)。總的說來，系統(tǒng)軟件部分以信號處理和建模為基礎(chǔ)，以知識處理 為核心，將巨龍?bào)w內(nèi)芯片（前端傳感器設(shè)備）采集到的數(shù)據(jù)最大化利用， 就像是為巨龍健康狀況診斷的醫(yī)療儀器。然而在具體的實(shí)施過程中，我們覺得有難度的不是系統(tǒng)軟件開發(fā)， 而是傳感器設(shè)備的預(yù)埋、敷設(shè)工作。因?yàn)楸竟こ淌菄鴥?nèi)外第一個在隧 道 盾構(gòu)管片內(nèi)預(yù)埋光纖光柵傳感器的項(xiàng)目，毫無相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒。我 們在巨龍?bào)w內(nèi)

10、共選擇了六個監(jiān)測斷面，利用不同類型的傳感器監(jiān)測 不 同的參數(shù)。監(jiān)測斷面及監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測范圍為南京長江隧道的盾構(gòu)段，考慮到南京長江盾構(gòu)隧道的 具體情況，在地質(zhì)條件明顯變化處，如隧道進(jìn)/出洞段、過大堤段、江 中超淺覆土處、江中最深覆土處、江心段水壓最大處作為隧道典型斷 面重點(diǎn)監(jiān)測，預(yù)埋監(jiān)測儀器，采集數(shù)據(jù)通過輸入接口匯入系統(tǒng)。通過對隧道施工及運(yùn)營過程中可能出現(xiàn)的主要病害分析，采用監(jiān) 測方式劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定監(jiān)測內(nèi)容如下表1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體監(jiān)測參數(shù)主要病害實(shí)時在線監(jiān)測部分管片接縫張開度，隧道外側(cè)水壓力， 軸向力，彎矩，螺栓錨固力，混凝 土碳化侵蝕監(jiān)測接縫張開度過大，襯砌滲漏水 管片開裂，土砂流入，管片材

11、料劣化定期巡查隧道凈空收斂，隧道襯砌環(huán)沉降，隧道斷面收斂變形，盾構(gòu)隧道及檢測隧道管片三維變形等縱向不均勻沉降、水平位移表1：監(jiān)測內(nèi)容各監(jiān)測內(nèi)容所用監(jiān)測材料設(shè)備如以下表2、表3：監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測項(xiàng)目斷面變形檢測隧道凈空收斂結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測隧道襯砌縱向沉降地層圍巖檢測注漿后空洞監(jiān)測材料設(shè)備收斂計(jì)、激光斷面儀連通管線形監(jiān)測系統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)表2:定期巡查及檢測監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測材料設(shè)備左線（東）右線（西）LK3+759LK5+199LK6+332RK4+425RK6+082RK6+610監(jiān)測斷面距盾構(gòu)隧道起點(diǎn)里程（m1601600273382624833011光柵光纖 柔性土壓力盒101010101010光柵光纖鋼筋應(yīng)

12、變傳感器242424242424實(shí)時管片結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測光柵光纖混凝土 應(yīng)變傳感器242424242424在線監(jiān)測光柵光纖溫度傳感器101010101010弦式滲壓計(jì)101010101010環(huán)向螺栓101010101010螺栓受力（中間螺栓）監(jiān)測縱向螺栓555555F/B1/B3/B5/B7接縫位移光柵光纖表面式監(jiān)測位移計(jì)202020202020混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕傳感器侵蝕監(jiān)測22表3:實(shí)時在線監(jiān)測數(shù)量如此眾多的傳感器，必須在管片鋼筋骨架制作環(huán)節(jié)預(yù)埋進(jìn)管 片，還要經(jīng)歷管片澆筑環(huán)節(jié)、蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)、水養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，承受高溫和高濕 度，這就對傳感器設(shè)備選型提出了很高的要求，必須耐高溫、耐高濕 度、 抗腐蝕。同時，要

13、在不影響管片質(zhì)量的前提下，保證傳感器成活率85%, 這是對施工工藝的巨大挑戰(zhàn)。為此，項(xiàng)目部成立了攻 堅(jiān)小組，深入管片場、隧道施工現(xiàn)場了解盾構(gòu)隧道的施工 流程和特點(diǎn)，分批實(shí)地考察學(xué)習(xí)了十余次。然后與各 相關(guān)單位從管片質(zhì)量、施工安全等角度商討預(yù)埋方案。在東西線第一監(jiān)測斷面的預(yù)埋施工過程中，我們不斷摸索，與各單位共同會 戰(zhàn)、同 心協(xié)力，終于攻克了 預(yù)埋施工中 難題，排除了后續(xù)施工隱患，總結(jié)了 寶貴的經(jīng)驗(yàn) ， 如防止管片安裝 吸附過程中漏氣措施、管片內(nèi) 傳感器 及線纜防水措施 、傳感器及線纜在澆筑等施工中保護(hù)措施等。自 2008 年 3 月施工以來，在南京 長江隧道 結(jié)構(gòu)監(jiān)測 系統(tǒng)項(xiàng)目部 所 有工作人員的努力下，給長江巨龍身體里裝芯片的 工作已基本完成，第 一、第二監(jiān)測斷面的 預(yù)制管片已隨著盾構(gòu)機(jī)的