城市地下綜合管廊結構智能化監測與評估

0 引言

隨著我國城鎮化進程的加快，城市管道施工項目與日俱增，多個項目時空上的交叉施工，電力、通訊及燃氣等管道的鋪設反復開挖地面，對道路、交通及環境都造成了極大的影響，既造成資源浪費，也對周邊居民及單位的生活、生產造成嚴重的干擾，在此背景下，城市地下綜合管廊應運而生。地下綜合管廊是一種大型的地下隧道空間，將電力、通訊、給排水、燃氣及供熱等市政管線集成在同一管道內，有效避免了城市道路的反復開挖，極大地方便了市政管線的日常維護，同時還提升了市政管線抵抗災害的能力。近年來，國內很多城市的主干道均建成了綜合管廊，有些城市已初具規模并呈網格狀，其穩定運營關系到城市生命線。對城市地下綜合管廊結構進行智能化監測是確保管廊安全運行的重要手段，也是地下基礎設施運維養護領域的熱點問題。

1 綜合管廊結構建設現狀

為保障綜合管廊在運營中的穩定性，現階段的管廊工程中均設計并建設了監控與報警系統，全天候監控管廊內的設備、安全入侵、通信、火災、氣體液體泄漏等狀況。通過在管廊內部布設溫濕度傳感器、煙霧報警器、閉路視頻監控設備，可以實時地獲取管廊內部的日常運營情況，從而在發生突發狀況時快速響應，實現管廊的數字化運維。結合新時代智慧城市建設運維的要求，近年來，越來越多的城市開始在市政管廊建設中實施并建成智慧管廊系統。智慧管廊將城市的空間信息與管廊監測信息集成，利用新一代地理信息技術、建筑信息模型技術與人工智能計算科學技術，實現管廊與設備、系統的智能互聯互通，在提高管廊的運維管理的效率的同時促進管廊與城市數字孿生系統深度融合。表1為近年來國內已建成的典型智慧管廊工程及其特色功能。

表1 幾個典型城市智慧管廊工程及特色功能

上述智能化管廊監測系統中主要監測了管廊的消防系統、供水系統與燃氣泄漏系統、防盜系統，但針對管廊結構安全的監測與報警鮮有考慮。地下管廊結構線路長、覆蓋面廣、所處地層環境復雜和易受外部因素影響等。這些結構特性導致管廊在實際運營的過程中容易出現結構病害。同時地下管廊結構的設計使用年限較長又屬于特別重要建筑類型，這些結構病害會嚴重影響管廊結構的長期安全性和使用功能。

2 綜合管廊結構安全監測

位于地下的綜合管廊結構的地震性能與運營中的耐久性是影響其服役期段內安全狀態的重要因素，應針對其易發病害與災變規律進行長期監測與定期檢查檢測。

2.1 管廊結構的地震安全性能

與位于地面以上的多高層建筑與橋梁不同，四周由土體包圍的地下管隧結構在地震作用下的慣性力較小，但是其周圍土體在地震作用下的位移易對結構產生較大的剪切作用。日本阪神地震調查發現，在地震橫波作用下，管廊的管體易產生縱向彎曲變形；在地震縱波作用下，管體易產生拉壓變形；在剪切波作用下，管廊的橫截面易發生平面內整體擠壓。對于位于地震斷裂帶的城市，管廊管線會多次穿越地震斷裂帶及其分支部分，且各管線段的周圍土體地質環境復雜，各部分的地震響應分布不同，使長線分布的管廊在地震作用下的易發生位移不均勻、不協調，最終導致管體的破壞。常見的地下結構地震性能分析方法包括原位檢測法、模型試驗法與數值模擬法。其中，原位檢測法通過現場檢測或傳感器監測的手段，可以獲取結構在地震時的第一手資料，對結構在震害后的安全狀態評估具有重要意義。

2.2 混凝土管廊結構的耐久性

對于預計使用年限在50~100年的混凝土管廊結構，其管體內部與周圍的土體環境較地上混凝土結構更為復雜。在各類氣體、地下水、離子的侵蝕下，管廊會更容易較早地發生開裂、鋼筋銹蝕與滲漏水現象，不僅影響了整體結構安全，更影響了內部水電氣管線的正常運輸功能。當發生地震等自然災害時，上述耐久性問題更會引發管廊坍塌、爆炸、變形等二次傷害，使城市災后生命線保障處于危險狀態。薛軍鵬等綜合分析了影響管廊結構耐久性的原因主要有：①地下結構的滲漏水問題引發混凝土碳化開裂；②地下微生物與有害化學物質侵蝕混凝土與鋼筋；③車輛荷載、河流汛期與自然災害導致的土體應力往復變化與不均勻沉降；④不當的施工方法導致混凝土過早開裂變形。因此需通過定期巡查與結構監測等方式以便及時發現結構的耐久性問題。

2.3 地下結構的安全檢測

2.3.1 地下結構的檢測方法

地下結構的檢測方法主要包括表面觀察、現場取樣檢測與無損檢測。其中，表面觀察主要依靠人工表面肉眼查看與工程經驗相結合，可以發現混凝土表面的滲漏水、銹蝕、開裂與大變形等問題，但是該方法主要依靠主觀判斷，且無法量化結構的病害發展指標。為進一步探究地下結構的材料、力學性能的變化，現場檢測中往往采用鉆芯取樣法測量混凝土結構的性能指標。然而對于密閉性要求高的管廊結構，現場取樣會損壞管體結構，削弱管廊的防水性，同時取樣時的機械振動會影響鋼筋與鋼制伸縮裝置的錨固性能，進一步惡化管廊的安全性。無損檢測可以克服上述缺陷，通過采用聲波雷達、光譜分析、紅外電磁檢測等方式，勘探地下結構與土體內部的缺陷、裂縫與空洞等缺損，并通過回彈儀檢測混凝土的強度。

2.3.2 地下結構的檢查項目與要求

地下結構的常見病害主要包括混凝土的耐久性開裂、滲漏水與缺陷、鋼筋銹蝕以及管隧結構的幾何移位等。針對這些問題的檢查監測項目以及要求如表2所示。

表2 地下結構檢測項目與要求

2.4 管廊結構健康監測

上述地下結構檢查檢測方法主要依靠定期的現場檢驗與試驗，可以獲取管廊的靜態性能參數，但無法對管廊在地震、路面超載、火災、泥石流等突發災害事件下或運營期間結構狀態嚴重不利時進行動態評估與預警。管廊結構健康監測可以彌補上述不足。結構健康監測利用現代傳感技術與先進技術相結合，不僅可以實時反映管廊結構的動態變化過程，還可以根據分布式的多種傳感器反演管廊結構的動態物理模型，通過對監測數據進行檢算分析得到結構的實時安全狀態，揭示結構內在的安全隱患與不利狀態，是全天候的“現場實驗室”。同時，不間斷的現場數字化監測可以為管廊的定期養護運維提供可量化的原始資料，節約日常人工巡查的人工成本并避免潛在的安全隱患。

監測設備由多種傳感器組網構成。如圖1所示為管廊結構健康監測系統的架構。監測項目主要包括：①管廊的外部激勵與環境，如車輛荷載、管廊內溫濕度、土體壓力等；②管廊主體結構的整體變化，如管廊的混凝土與鋼筋的應力應變、位移變形、不均勻沉降等；③管廊主體結構的動態響應，如管體、復雜十字交叉部位與出線井部位的加速度振動響應與結構的強地震動監測；④管廊內部的損傷探測，如管廊接縫處的位移、混凝土開裂等。所有用于監測的傳感器由PLC設備或不間斷電源UPS實現全天候實時數據采集與傳輸。

圖1 管廊結構健康監測架構

3 綜合管廊結構安全狀態評估

長線路管廊結構的監測項目、測點與指標多樣，需要針對監測系統設計可全面反映結構安全狀態的評估方法。

3.1 結構安全評估

結構安全評估中可采用的方法主要包括多級閾值預警評估法模糊綜合評判法、層次分析法。

3.1.1 多級閾值預警評估法

多級閾值預警評估法是評估結構安全狀態最直接的方法，其實施流程如圖2所示。通過分析監測系統采集得到的多種結構傳感數據，修正管廊結構的物理模型，對結構的動靜態響應進行智能分析與評估后進行多級閾值評估。根據管廊的安全性能設計要求，可分為4級：結構基本安全（1級）、輕度損傷（2級）、中度損傷（3級）與嚴重損傷（4級）。各級的評估指標由管廊結構的有限元計算模型進行多工況分析與專家評定法打分綜合確定。

圖2 多級閾值評估法實施流程

3.1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊系統的原理的評價方法，可以將不易定量描述、界定困難的因素定量化，并得到系統且清晰的評價指標。模糊定量評價的基本步驟為：①確定評價因素集合；②確定評價分級描述集合；③確定各評價因素的權重向量C，即模糊隸屬度；④建立模糊關系矩陣R；⑤計算得到結果向量。在管廊評價中，可以將管廊的缺損病害發展的各個階段作為模糊評價的分級描述，并根據影響各個階段結構缺損病害的主要成因，構造模糊關系矩陣，與模糊隸屬度矩陣相乘得到各個病害的歸一化評估向量。

3.1.3 層次分析法

層次分析法是一種基于專家評判的多因素綜合評價方法。該方法的基本步驟為：問題分解、同級判斷、計算權重、全局排序。通過將管廊監測系統中不同測點、監測方向與傳感器類別進行多指標分層，由細部的指標層至總體的目標層，分別進行同層次重要性對比，最終構造標度矩陣、計算特征向量得到各指標的權重。該方法可以將專家評判與分級評判中的定性因素定量化，有效實現多元指標數據融合。當管廊中局部指標發生異常時，可以在層次分析中有效地反映到綜合評價結果中。為提高層次分析法的客觀評價性，文獻[15]提出的模糊綜合評價-層次分析模型與文獻[16]提出的可拓云-層次分析模型，均在一定程度上擴展了層次分析法在風險評估與安全評價的實用性。

3.2 動態在線監測數據安全評估智能算法

針對管廊監測系統中的動態實時在線監測數據，可以利用人工智能算法與數據科學理論，對時序數據進行處理與分析，實現安全評估智能化、實時化。

3.2.1 機器學習法

機器學習法是一種基于經驗數據學習數據內在特征的方法。該方法基于仿生學原理，模擬人腦的學習與知識凝聚過程，對數據進行分類、回歸與重生成，可以自適應地完成管廊監測數據的損傷識別與評估。機器學習分為監督學習與無監督學習，其中監督學習可以根據預設的損傷等級對號入座，可以較好地評估平穩隨機過程時序數據的安全性，常用算法包括人工神經網絡、邏輯回歸與支持向量機等；無監督學習無需對管廊安全狀態進行預先模擬，對實測場景的評估更具廣泛的適用性，常用算法包括自編碼器、聚類算法與主成分分析等。評估架構設計時可根據監測數據的動態特點與評估目標選取合適的機器學習算法，也可和上述層次分析法與模糊綜合評價法聯合應用。

3.2.2 貝葉斯評估法

貝葉斯評估方法是一種基于先驗條件概率的狀態預測與評價方法。與基于頻率的傳統概率方法不同，貝葉斯法強調將未知的待預測參數賦予概率分布規律，并以此作為先驗分布計算評估。由于先驗規律定義較為困難，起初該方法應用較少。隨著D-S證據理論的提出，貝葉斯方法得以運用至數據融合。D-S理論以管廊監測系統中各測點獲取的數據為先驗證據，再通過計算不同損傷指標的概率賦值和信任函數實現振動、應變、位移、沉降等實測數據的融合和主支線管廊養護的綜合決策。基于該理論，文獻[26]和文獻[27]分別探索了樸素貝葉斯法與稀疏貝葉斯法，進一步提高了數據融合決策的可信度。

4 綜合管廊結構智能監測與評估系統建設展望

大多數管廊工程均設計規劃了智慧管廊系統，但該智慧系統未考慮結構監測。因此在此基礎上進行健康監測系統設計與開發時應滿足智能化需求，即對已有智能化管廊監控平臺進行結構健康監測升級與二次開發，其建設的重點應包括以下內容：

①已有管廊監控項目的協同接入。建立數據傳輸交換通道，將已有智慧管廊監控系統中的環境溫濕度、視頻監控與有害氣體探測接入管廊結構的監測系統，以便綜合評估影響管廊結構性能的外界因素，并在管廊異常時全面排查安全狀態，自動控制水泵、通風機與照明系統的開關。

②利用智能化算法分析與評估管廊結構安全。利用現代數據科學理論與深度學習、數據智慧融合等方法，以傳感器采集的實時多源監測數據為研究對象，考慮實測數據信噪比、數據實時同步、非平穩隨機振動等問題，基于管廊“環境—狀態—響應”診斷體系，探索管廊結構自適應、分布式綜合評定方法。

③選用新型智能傳感傳輸設備。可選用傳輸速率高、抗噪性強的光纖光柵傳感器與各類復合纖維傳感器，并利用分布式光纖傳感技術，建立高效可靠的傳感信息采集與傳輸硬件系統。

④深度融入城市CIM平臺。綜合管廊在城市中覆蓋面廣、空間分布多樣，是城市韌性保障的應急保障動脈。新型智慧城市建設中，要求生命線工程的安全監測與城市應急管理平臺深度融合。因此需結合城市的建筑信息模型（BIM）與地理信息系統（GIS）建立多層次、多尺度的結構安全智能報警與災后應急保障維護信息島。

5 結語

綜合管廊穩定運營關系到城市生命線。本文從檢測方法、安全評估方法、智能化手段等方面探討了綜合管廊結構安全監測與評估方法。為保證城市綜合管廊的長期安全性與可靠性，應對管廊結構實施健康監測與定期檢查檢測，建立分布式多傳感器構建管廊健康監測系統，結合智能算法實現對管廊結構的綜合安全診斷評價。將監測評估融入智慧管廊平臺對城市綜合治理與城市數字化智能運維具有重要意義，應在今后的管廊工程建設與規劃中充分考慮。