地下工程檢測與測試技術發展趨勢及本科課程改革研究

周 彪

（同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室 上海 200092；同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系 上海 200092）

隨著我國城市化進程、能源開發進程逐步加快，以及“一帶一路”等倡議不斷推進，亟須建設大量軌道交通、地下廠房、能源及輸水管網，地下空間開發及地下工程建設正朝網絡化及深層化方向發展，對支撐國家社會經濟發展起到日益重要的作用。然而，由于地下工程隱蔽性、復雜性的特點，工程建設及運營風險日益增高，傳統監測和測試技術已逐漸不能滿足地下工程建設和運維發展需求。

為推動本科教學適應地下工程測試與監測技術學科發展趨勢及技術變革需求，綜合學生創新能力及工程實踐能力培養需求，打造適應未來土木工程所需的復合型人才，亟須在本科課程教學中向學生傳授監測與測試技術的新方法新原理，引入新技術及新裝備，闡述新應用，驅使學生了解技術發展動態，為將來引領未來技術變革和產業進步奠定基礎。

為此，本文擬在分析地下工程監測與測試技術特點及發展趨勢的基礎上，結合思政教育及知識體系培養需求出發，以測試原理與方法、技術與裝備、典型工程應用為主線，體系性地講述地震波、探地雷達、激光掃描及光纖測試等原理、介紹相關技術與裝備在樁基工程、基坑工程、盾構工程等領域的應用，構建形成了地下工程監測與測試技術課程體系。

1 地下工程特點及監測與測試技術發展趨勢

1.1 地下工程的特點

地下工程建造于巖土體介質中，巖土體屬于固—液—氣三相介質，在受外部荷載及地下水賦存等環境變化作用下，巖土體物理力學性質具有復雜多變性，導致巖土介質與結構復雜的相互作用也呈現不可預測性，衍生出建造和運營階段大量風險。

其中，在地下工程建設階段，安全隱患的孕育和發展具有隱蔽性，導致安全事故的發生具有突發性。以日本福岡一主干道下方地鐵建設隧道坍塌事故為例，雖然在地鐵開挖施工過程中對地面道路進行了變形跟蹤監測，以反饋地層擾動及周邊環境影響水平。但由于道路路面及路基層剛度過大，導致路面沉降未能及時有效地反映下部地層損失及土層變形，當變形超過閾值后產生了突發性的地鐵坍塌事故，產生了惡劣的社會影響和巨大的經濟損失，對監測廣度和深度都提出了新的要求。

在運營期，以山嶺隧道為例，隨著運營年限的增長，隨著隧道壁后巖土體性質、地下水賦存環境等發生變化，易導致巖土體產生滑移、大變形，壁后空洞等施工期缺陷也會逐步惡化，間接引起襯砌開裂、脫落等事故。近期在四川發生的隧道襯砌塌落事故就沒有得到有效的預警，導致1 人死亡，類似事故隨著運營年限增長逐步增多，運維壓力逐步顯現，對于快速化全域化測試技術需求日益迫切。

為此，隨著地下空間朝網絡化及深層化發展，地下工程建造體量逐步增大，工程壽命及運營時間逐漸增長，地下工程風險也與日俱增，相關監測與測試技術也亟須更新迭代，以滿足地下工程安全建造與運維需求。

1.2 監測與測試技術發展趨勢

鑒于地下空間及工程自身及環境因素的復雜性，鄰近工程影響的日益增多，地下工程監測與測試技術發展也發生深刻的變化。呈現測試參量由少變多、測試范圍由小變大、測試周期由短周期向全壽命周期轉變。同時，隨著風險防控由被動朝主動方向轉變，監測和測試也由早期僅滿足被動監測與測試要求，朝測控同步發現轉變。

具體而言，監測與測試參量逐步增多，從原有聚焦變形與應力、應變等單一及有限量的物理量外，到當前監測與測試過程中還需綜合考量環境因素、強度等與地下工程性能演化過程相關的參量，特別是在考慮測控同步應用的場景中，還需對控制參數進行測試與反饋；測試區域由小變大，由原先重點關注結構及表觀參量之外，逐步過渡到綜合考慮結構壁后巖土體隱患及結構內部缺陷的精細化測試，形成了諸如移動檢測車等快速化廣域檢測技術與裝備體系。同時地下空間全壽命周期的測試的應用也日益增多，對重難點區域與對象開展實時化監測，發展了全壽命期數字化監測與智能感知等系統。

為適應上述測試需求的轉變和技術發展的需求，監測與測試技術本身正朝高精度、小型化、自動化、集成化、智能化及遠程化方向發展。開發了大量高精度傳感元件并實現了小型化，并在測試系統和實施過程中，通過加強自動化、集成化水平，推進地下空間風險管控“一屏縱覽”等系統的開發與應用，可實現遠程訪問與反饋控制。同時，隨著智能化技術的發展，在既有系統開發基礎上，數據分析及反饋控制方面智能化技術應用也日益廣泛。

2 本科教學及培養需求

2.1 思政教育

地下工程體量大，大量的工程均為國家重點工程，受眾廣、社會經濟價值大，是體現我國基建強國的重要載體。在本科教育階段，學生正處于職業榮譽感及使命感培養的重要階段，應加強思政教育，灌輸監測和測試過程中“人”的決策和使命對于確保工程安全、實現重大工程高品質建造的重要作用，體現監測與測試技術對推進技術進步及國家重大工程的重要地位，促使學生建立對推進國家建設、豐富和發展地下空間、推進地下歷史文化遺存保護等方面的情懷與使命擔當，增強學生學習的自信心以及對于未來從事行業的榮譽感和自豪感。

2.2 技術教學

傳統的監測與測試技術教學是以監測系統與方法為主體，以培養實踐能力為主要目標，內容主要包含傳感器及其標定、監測及測試組成、典型工程監測與測試項目等，相關內容主要來源于我國早期樁基工程、基坑及隧道工程中的實踐經驗的總結。在地下工程網絡化、深層化等新的應用場景驅使下，大量智能化、數字化及自動化技術得以廣泛大量應用的行業現狀下，亟須對課程內容進行更新，在工程實踐能力培養的基礎上，加強監測與測試技術與信息學等學科的交叉融合，激發學生的原始創新能力。

為此，針對地下工程特點、監測與測試技術發展趨勢，在本科生教育階段教育中應重點體現時空觀與系統論思想。時空觀即在監測及測試方案制定過程中，要考慮監測范圍及測試周期的合理性。系統論及強化監測系統輸入、監測與測試本體與響應間的關系，通過合理的測試方法及系統構建，實現通過對響應量對本體性質的反溯以及對輸入特征的分篩。

與此同時，應加強介紹行業最新技術，特別是物探、信息化及智能化等技術，突出探地雷達、機器視覺、智能化等新技術的引入，通過與具體測試和監測項目結合，形成包含測試場景、測試原理、測試技術與方法等相互融合的教學體系。

3 課程體系及教學內容

根據前序本科教學及培養需求，在課程體系及教學內容構建方面，擬以原理方法—測試技術與裝備—典型應用為主線。在測試原理和方法重點簡述彈性波、探地雷達、激光掃描、機器視覺及光纖傳感測試技術，并講述上述測試技術在樁基工程、基坑工程、盾構工程、山嶺隧道工程及模型試驗中的應用。具體內容分為概述、監測與測試技術、工程和科研應用三大板塊，具體內容如下：

①概論：結合課程思政需求和地下工程監測與測試技術發展趨勢與動態，講述課程特點及難點、行業需求、課程內容組成。

②監測與測試技術。以介紹測試原理、技術組成模式和典型應用為主，注重學生創新能力培養，內容包括：

波動測試原理與測試技術：主要講述波的表征方法，結合測試系統與激勵及響應的基本原理，系統闡述系統論觀點，并結合測試案例給出振動測試技術與分析方法的要點。

彈性波測試技術：主要講述土木工程典型彈性波類型及波動特性，表面波測試、超聲測試等典型彈性波測試技術，輔以應用實例等進行體系化講述。

探地雷達測試技術：主要講述電磁波測試原理，并結合案例系統介紹雷達天線設計原理、系統構成、典型探地雷達應用、數據分析方法等。

激光掃描測試技術：主要講述激光掃描測試技術原理，并結合案例闡述激光掃描軟硬件集成方法、測試及數據處理方法及典型應用等。

機器視覺檢測技術：主要簡述機器視覺檢測及圖像處理原理，并結合具體案例闡述機器視覺軟硬件集成模式、圖像智能處理方法和典型應用等。

光纖傳感測試技術：主要講述光纖傳導機理及測試原理，并結合案例闡述光纖傳感器類型，測試及信號處理方法、典型應用等。

③工程和科研應用。以實際工程應用為趨勢，強調工程實踐能力培養，主要研究內容包括：

樁基工程測試：主要講述樁基工程測試行業需求，靜力及承載力測試、樁身質量動力測試、基樁通長質量檢測等技術原理、測試方法及流程，相關標準要求等。

基坑工程測試技術：主要講述基坑工程測試技術行業需求，事故案例分析，基坑監測項目及方法、自動化監測技術最新進展。

盾構隧道監測與測試：主要講述盾構隧道監測與測試行業需求，事故案例分析，施工期監測項目、技術與流程，運營期檢測監測方法、技術與流程。

巖石隧道工程測試與監測：主要講述巖石隧道監測與測試行業需求，事故案例分析，施工期監測項目、技術與流程，運營期檢測監測方法、技術與流程。

模型試驗：主要講述模型試驗分類及要求，相似比確定方法，離心機試驗、極限模擬試驗等典型案例分享。4 結論

隨著地下空間與地下工程朝網絡化及深層化方向發展，工程建造安全的不可以預測性及風險也日益增高，同時地下工程監測與測試技術也發生了巨大的變革，系統化、智能化水平日益提高。在本科生教學中，亟須緊跟技術發展趨勢，向學生傳授新一代技術體系，為行業培養土木工程與新興信息工程的復合型人才，促進行業進步，服務國家重大工程。本文在系統闡述技術進步和發展趨勢基礎上，融合課程思政、學生創新及實踐能力培養等方面需求，通過概述、監測與測試技術、工程和科研應用三個板塊的內容設置，建立了新的地下工程監測與測試課程教學體系。