水下隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)完工調試關鍵技術研究

仇安群，陳喜坤，王安飛，陳 飛，黃 杰

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019；3.南京交通運營管理集團有限公司，江蘇 南京 211899）

0 引言

近年來，越來越多水下隧道實施了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)開展隧道結構損傷識別并分析評估結構安全狀態(tài)已經成為新的趨勢。然而，系統(tǒng)施工完成后，往往由于接線、端頭、儀器等問題，導致系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)異常，需進行調試以保障系統(tǒng)功能完善并進入使用階段。

部分學者開展了健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常分析，范時梟等[1]結合機器學習方法，對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進行初步的自動化分析，以達到降低進一步分析的計算量、提高分析子系統(tǒng)精度的目的。超馬[2]從監(jiān)測數(shù)據(jù)中有效地發(fā)現(xiàn)異常情況，捕捉所有病理變化可能造成的后果，分析橋梁異常數(shù)據(jù)的可靠性，初步判斷異常值的產生原因，并根據(jù)原因對其進行處理。孫汝蛟[3]對FBG（光纖布拉格光柵）應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、可重復性等性能測試，并與傳統(tǒng)的電阻應變片作對比，驗證了其可靠性。張立濤[4]將灰色系統(tǒng)理論中的灰色關聯(lián)度分析方法引入大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器異常診斷中，在對灰色關聯(lián)度分析方法的步驟、基本原理進行研究的基礎上，得到了判斷測試數(shù)據(jù)關聯(lián)性優(yōu)劣的灰色關聯(lián)度閾值。

針對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)完工調試的報道較少。系統(tǒng)調試對于發(fā)揮其功能具有重要意義，有必要開展研究為類似工程提供借鑒。

1 依托工程概況

南京應天大街長江隧道采用盾構法修建，全長約3 km，隧道結構外徑14.5 m，環(huán)寬2 m，壁厚0.6 m。隧道按雙向6 車道快速通道設置，設計時速80 km/h[5]。

南京應天大街長江隧道橫斷面及平面圖、縱斷面圖見圖1、圖2。

圖1 南京應天大街長江隧道橫斷面及平面圖

圖2 南京應天大街長江隧道縱斷面圖

1.1 結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計與實施概述

1.1.1 監(jiān)測區(qū)段布置

南京應天大街長江隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)共設置監(jiān)測區(qū)段12處，左右對稱，其中50 m 區(qū)段4處，100 m 區(qū)段6處，150 m 區(qū)段2 處。區(qū)段內每50 m 設置1 處多測點監(jiān)測斷面，斷面間每隔5～8 m 設置1處環(huán)縫測點，每25 m 考慮1 處差異沉降測點，如表1、圖3 所示。

圖3 監(jiān)測區(qū)段平面分布圖

表1 監(jiān)測區(qū)段一覽表

1.1.2 測點分布情況

合計考慮8 項監(jiān)測項目，各監(jiān)測項目測點布置如表2、圖4 所示。合計采用測縫計290支，應變計138支，傾斜儀24支，靜力水準儀60支，三向加速度計1支。

圖4 測點分布橫斷面

表2 監(jiān)測項目測點布置

1.1.3 系統(tǒng)架構

12 處監(jiān)測區(qū)段分別設置現(xiàn)場采集站，屏蔽電纜將傳感器信號傳輸至采集站，采用光端機進行信號轉換后通過主光纜傳輸至監(jiān)控中心。

系統(tǒng)架構見圖5。

圖5 系統(tǒng)架構

1.1.4 系統(tǒng)實施

健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器主要分布在行車層、電纜通道、逃生通道。傳感器分布情況見表3，隧道內部艙室見圖6，各種儀器安裝圖見圖7。

圖6 隧道內部艙室

圖7 各種儀器安裝圖

表3 傳感器分布情況（支）

1.2 系統(tǒng)問題梳理

系統(tǒng)安裝完畢后，進行通電、通訊調試。在此過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，主要問題包括：

（1）數(shù)據(jù)在量程內小幅波動。傳感器讀數(shù)在量程范圍內，但數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，測縫計2 次讀數(shù)差值小于0.5 mm，應變計2 次讀數(shù)差值小于100 μm/m。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖8 所示形態(tài)。

圖8 數(shù)據(jù)在量程內小幅波動曲線

（2）數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動。數(shù)據(jù)均在量程范圍內，但數(shù)據(jù)波動幅度較大，測縫計2 次讀數(shù)差值大于等于0.5 mm，應變計2 次讀數(shù)差值大于等于100 μm/m。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖9 所示形態(tài)。

圖9 數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動典型曲線

（3）數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點。傳感器大部分數(shù)據(jù)穩(wěn)定且在量程單位內，但偶爾出現(xiàn)超出量程異常點且不持續(xù)，數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖10 所示形態(tài)。

圖10 數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點典型曲線

（4）數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點。傳感器部分時間數(shù)據(jù)穩(wěn)定且在量程單位內，但頻繁出現(xiàn)超出量程異常點且不持續(xù)，有時異常點的讀數(shù)較為統(tǒng)一。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖11 所示形態(tài)。

圖11 數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點典型曲線

（5）數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍。傳感器穩(wěn)定讀數(shù)一段時間后跳躍至另一位置繼續(xù)讀數(shù)，隨后再次返回原位置讀數(shù)，呈現(xiàn)出反復跳躍的曲線形態(tài)。數(shù)據(jù)變化曲線如圖12 所示。

圖12 數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍典型曲線

（6）數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動。傳感器數(shù)據(jù)超出量程，且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動特征明顯。數(shù)據(jù)變化曲線如圖13 所示。

圖13 數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動典型曲線

不同類別異常傳感器數(shù)量統(tǒng)計見表4、圖14。合計異常傳感器47支，占全部傳感器的6.86%。其中出現(xiàn)頻率最高為數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動，共15支，占異常傳感器的32%；最少為數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍，共3支，占異常傳感器的6%。

表4 數(shù)據(jù)異常曲線類型統(tǒng)計

圖14 數(shù)據(jù)異常曲線類型及占比

2 調試原則與方法

2.1 調試原則

（1）應按照監(jiān)控中心、采集站、線纜、傳感器的順序開展調試。

（2）除明確的傳感器安裝問題外，不應觸碰已安裝傳感器。

（3）傳感器安裝問題調試過程中應避免影響相近傳感器。

（4）DT 調試過程中，應盡量保持其余傳感器數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。

（5）調試前做好傳感器數(shù)據(jù)備份。

（6）調試后應連續(xù)讀取多組數(shù)據(jù)以判斷調試手段是否有效。

2.2 調試方法

調試作業(yè)按照監(jiān)控中心、采集站、線纜、傳感器的順序開展。

監(jiān)控中心調試內容包括曲線形態(tài)分析、數(shù)據(jù)轉換算法復核。監(jiān)控中心調試邏輯圖見圖15。

圖15 監(jiān)控中心調試邏輯圖

采集站調試內容包括延時采集、DT 電源切換、電阻測試、DT 接口插拔、通道切換、DT 模塊更換等。采集站調試邏輯圖見圖16。其中延時采集指調整相鄰2 支傳感器采集間隔，增加5 s 緩沖以提高DT 采集波峰的準確性。

圖16 采集站調試邏輯圖

線路調試內容包括電阻測試、線纜完整度觀察等（見圖17）。

圖17 線路調試邏輯圖

傳感器安裝調試內容包括傳感器緊固、線圈除塵，見圖18。現(xiàn)場調試情況見圖19。

圖18 傳感器調試邏輯圖

圖19 現(xiàn)場調試

3 調試結果與啟示

3.1 調試結果

全部47 支異常傳感器中采用延時采集措施恢復傳感器9支，采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器14支，切換通道措施恢復傳感器4支，其余20 支考慮為電磁干擾影響，采取屏蔽措施。

（1）數(shù)據(jù)在量程內小幅波動。該類型7 支異常傳感器中，采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器5支，其余2 支考慮電磁干擾，采取屏蔽措施。

（2）數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動。該類型15 支異常傳感器中，采用延時采集措施恢復傳感器5支，采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器5支，切換通道措施恢復傳感器1支，其余4 支考慮電磁干擾，采取屏蔽措施。

（3）數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍。該類型3 支異常傳感器中，采用延時采集措施恢復傳感器3 支。

（4）數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點。該類型合計10支異常傳感器，全部考慮剔除異常數(shù)據(jù)，補充電磁屏蔽措施。

（5）數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點。該類型6 支異常傳感器中，采用延時采集措施恢復傳感器1支，采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器2支，剩余1 支考慮電磁干擾，采取屏蔽措施。

（6）數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動。該類型6 支異常傳感器中，采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器2支，切換通道措施恢復傳感器3支，剩余1支考慮電磁干擾，采取屏蔽措施。

經過調試后，數(shù)據(jù)曲線變化情況如圖20～22 所示。

圖20 切換通道數(shù)據(jù)恢復曲線

圖21 重新固定傳感器、線圈除塵數(shù)據(jù)恢復曲線

圖22 延時采集數(shù)據(jù)恢復曲線

3.2 主要啟示

（1）應注重提高傳感器固定方式的可靠性。本次調試過程中約12 支傳感器采用重新緊固措施后恢復正常，說明固定不牢對傳感器數(shù)據(jù)的影響較大。

（2）傳感器安裝位置如有高壓線等電磁干擾源，應采取有效的屏蔽措施。本次調試過程中，出現(xiàn)約20支數(shù)據(jù)異常傳感器采用常規(guī)手段難以恢復，采用電磁干擾屏蔽后數(shù)據(jù)明顯改善。

（3）DT 的讀數(shù)間隔可適當增大，從而提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。一般而言，傳感器數(shù)據(jù)采集間隔往往以毫秒計，振弦波峰難以捕捉的現(xiàn)象時有發(fā)生。本次調試過程中采用延時采集措施恢復了約4 支傳感器，因此，在條件允許時，應增加DT 的讀數(shù)間隔。

4 結語

（1）根據(jù)水下隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線特征將其異常形態(tài)劃分為6 種類別。

（2）針對不同曲線異常形態(tài)，明確儀器調試應按照監(jiān)控中心調試、采集站調試、線路調試及傳感器調試的步驟開展。

（3）傳感器數(shù)據(jù)異常的主要原因包括傳感器松動、線圈染塵、電磁干擾、DT 通道故障、DT 波峰捕捉異常等。

（4）在數(shù)據(jù)異常的修復中，緊固傳感器、線圈除塵、切換通道、延時采集等手段具有一定的效果。