精品資料（2021-2022年收藏）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，因為在這一天，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,預計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結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)工程，成立了南京長江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)項目部。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Stru

2、ctural Health Monitoring，簡稱SHM ) 指利用現(xiàn)場的無損傳感技術, 通過包括結(jié)構(gòu)響應在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析, 達到檢測結(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，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、應力和環(huán)境參數(shù)，實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)境是相當復雜的。面臨的挑戰(zhàn)作為世界級的超大隧道、國內(nèi)外地下標志性工程，南京長江隧道具有工程建設規(guī)模大、技術難度高、施工見險大等特點，是極具有挑戰(zhàn)性的穿江工程，面臨許多世界級技術難題的挑戰(zhàn)，首當其沖得是其所處地質(zhì)、水文條件

3、的特殊性。一是水土壓力高（達每平方厘米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)條件復雜，地層透水性極強；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)為粉細沙層，施工坍塌冒頂風險極大；四是盾構(gòu)機始發(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，

4、隧道建成運營后，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)的關鍵部位進行長期監(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，進而采取相應的控制措施，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)通過布設監(jiān)測設備，檢測南京長江隧道特殊地段隧道結(jié)構(gòu)的受力變化，對隧道在運營期的結(jié)構(gòu)行為及影響進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對隧道的健康狀況以及使用壽命進行評估，判斷隧道結(jié)構(gòu)在設計基準期內(nèi)的安全性以指導運營，同時給出實時的安全報警，提前主動采取有效的工程措施，從而保證隧道結(jié)構(gòu)在設計基準期內(nèi)的安全；同時可以合同配置隧道養(yǎng)護

5、資源，降低成本，及時高效保證隧道的運營狀態(tài)健康和安全。光纖傳感技術、知識處理的奇特應用本系統(tǒng)為國內(nèi)外第一條實施實時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的盾構(gòu)隧道項目，工程投資費用為650萬，它之所以能實現(xiàn)這些特殊的功能，離不開現(xiàn)代高科技的應用。.采用光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)安裝在巨龍體內(nèi)的芯片其實就是傳感器設備，可別小看了這些芯片，它們能夠?qū)⒈粶y量的位移、應變、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，我們應用了光纖光柵傳感器的主導產(chǎn)品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)制這一傳感機制，克服了傳統(tǒng)的光、電學傳感器的許多弱點，具有很多優(yōu)點：測

6、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；測量點相位清晰，能對固定參考點進行長期絕對測量；能方便地在一根光纖中串接多個FBG傳感器，對結(jié)構(gòu)的應變和溫度等進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)測設備對環(huán)境耐受性好、成活率較高。因此，采用該技術為主的監(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。我們在巨龍體內(nèi)共設置了光纖光柵、土壓力計、滲壓計、腐蝕計等各類傳感器900余套，光纖光柵解調(diào)設備、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。傳感器設備將巨龍結(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

7、參數(shù)實時轉(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和規(guī)則。在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，我們結(jié)合計算機技術、數(shù)據(jù)處理技術、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)：儀器控制與預警報警系統(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。三維有限元分析系統(tǒng)為隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估

8、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的依據(jù)之一。GIS技術在數(shù)字化管養(yǎng)決策系統(tǒng)中的應用使得系統(tǒng)功能更加直觀，可實現(xiàn)地理圖層的顯示、切換、縮放、漫游、導航，對檢查位置，病害位置進行的圖形化顯示，通過空間查詢獲取相關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，以知識處理為核心，將巨龍體內(nèi)芯片（前端傳感器設備）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。然而在具體的實施過程中，我們

9、覺得有難度的不是系統(tǒng)軟件開發(fā)，而是傳感器設備的預埋、敷設工作。因為本工程是國內(nèi)外第一個在隧道盾構(gòu)管片內(nèi)預埋光纖光柵傳感器的項目，毫無相關施工經(jīng)驗可借鑒。我們在巨龍體內(nèi)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/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監(jiān)測，預埋監(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

10、害實時在線監(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，管片材料劣化定期巡查及檢測隧道凈空收斂，隧道襯砌環(huán)沉降， 隧道管片三維變形等隧道斷面收斂變形，盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降、水平位移表1： 監(jiān)測內(nèi)容各監(jiān)測內(nèi)容所用監(jiān)測材料設備如以下表2、表3： 定期檢測監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測項目監(jiān)測材料設備斷面變形檢測隧道凈空收斂收斂計、激光斷面儀結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測隧道襯砌縱向沉降連通管線形監(jiān)測系統(tǒng)地層圍巖檢測注漿后空洞地質(zhì)雷達表2：定期巡查及檢測 實時在線監(jiān)測監(jiān)測項目監(jiān)測材料設備左線（東）右線（西）LK3+759LK5+199LK6+332

11、RK4+425RK6+082RK6+610監(jiān)測斷面距盾構(gòu)隧道起點里程（m）1601600273382624833011管片結(jié)構(gòu) 受力監(jiān)測光柵光纖柔性土壓力盒101010101010光柵光纖鋼筋 應變傳感器242424242424光柵光纖混凝土 應變傳感器242424242424光柵光纖溫度 傳感器101010101010弦式滲壓計101010101010螺栓受力 監(jiān)測環(huán)向螺栓（中間螺栓）101010101010縱向螺栓F/B1/B3/B5/B7555555接縫位移 監(jiān)測光柵光纖表面式位移計202020202020混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕監(jiān)測腐蝕傳感器22表3：實時在線監(jiān)測數(shù)量如此眾多的傳感器，必須在管片

12、鋼筋骨架制作環(huán)節(jié)預埋進管片，還要經(jīng)歷管片澆筑環(huán)節(jié)、蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)、水養(yǎng)護環(huán)節(jié)，承受高溫和高濕度，這就對傳感器設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，項目部成立了攻堅小組，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，分批實地考察學習了十余次。然后與各相關單位從管片質(zhì)量、施工安全等角度商討預埋方案。在東西線第一監(jiān)測斷面的預埋施工過程中，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， 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)測斷面的預制管片已隨著盾構(gòu)機