健康监测在深水围堰施工项目中的应用

凌奇昌，王国良，邢 屾，王宝峰

(1.北京安信卓越信息科技有限公司,北京 100088； 2.山东宏昌路桥集团有限公司，山东 潍坊 261031)

1 概述

我国的基础设施建设正处于高速发展的阶段，桥梁、隧道、公路等基础设施的建设技术愈发完善。但在这一阶段建设的诸多结构物却处于一种“只建不养”“无人值守”的状态[1-2]，导致出现如桥梁主体结构崩塌，楼房倒塌等重大安全事故，造成重大社会影响。因此，加强对基础设施的结构健康监测，及时准确发现结构损伤并最大程度保证结构安全成为了亟待深入的课题。随着5G通讯、物联网技术的飞速发展，健康监测手段被越来越多地应用到基础设施行业，国内一些学者对结构健康监测进行了深入研究。姜锐[3]以铁路客站结构为研究对象，具体介绍了结构健康监测与评估系统的内容及系统构成；王今朝[4]根据斜拉桥的结构特点及发展需要,建立了桥梁结构健康监测与评估管理系统,对大跨度斜拉桥健康监测系统涉及到的若干方法及问题进行了卓有成效的研究。总体来说，目前国内研究多着眼于大型结构的监测[5]，如港珠澳大桥健康监测系统、沪通大桥健康监测系统、武汉地铁隧道监测系统等。但在中小项目中，健康监测手段应用有限，多数项目还是依赖传统的人工检测方式进行检测。但是如果项目受环境以及作业空间等因素的影响较大，人工检测实施起来就比较困难。本文将就该类结构的健康监测可行性进行一些研究，旨在为以后的复杂环境项目检测提供借鉴。

2 健康监测概述

健康监测是通过在结构物上布设传感设备，远程实时获取结构物的状态及响应，从而分析结构物施工或运营过程的安全状态，健康监测可以诊断结构是否发生损伤，判断损伤的位置，估计损伤的程度，判断损伤对结构可能造成的后果等。重要的是，当结构物在施工或运营过程中安全状况发生异常时，会第一时间触发预警，从而起到保障结构及人员安全的作用[6-8]。另外，健康监测可以通过对结构状态的不间断监测，对监测过程得到的海量数据进行分析评估，得到结构物的一些典型特征变化趋势，可为其养护、维修与管理决策提供依据和指导。

因为其典型的去人力特点，健康监测可以在极端气候或者复杂环境下实施[9-10]，比如偏远地区项目、地下及深水施工、施工空间局限及阻断交通困难、人员不方便24 h值守等情况。

3 项目概述及健康监测的实施

某特大桥承台施工项目，位于珠海市南部滨海地区，开挖承台位于水道中央，桥位处主河道宽度620 m，河床标高-1.5 m～-6.6 m，根据水位监测情况水道施工常水位标高1.5 m，考虑浪高0.5 m，设计洪水位标高采用+2.786 m。

因为施工期处于降雨量集中的汛期，本地水文主要特征是潮汐作用显著，水位变化较大，最大设计水深达9.4 m。另外本项目开挖深度达21.0 m，水位以下接近19.0 m，施工过程人员和结构的安全非常重要。承台围堰结构如图1所示。

在该项目监测过程中，主要考虑了水位变化、围堰本身的刚度和强度三个监测因素，具体监测项目及监测仪器见表1。

表1 监测因素及监测仪器表

本项目共用到应变计32支，围堰四面分别取上中下三层布置，内支撑在端部和中心位置布置，应力计32支，布设位置同应变计，倾角传感器8支，每个面上下各布置2支，水位计2支，布设于围堰上下游5 m处。

4 健康监测数据分析

采用大型结构有限元计算分析软件Midas Civil进行整体结构受力分析，计算模型采用梁单元及板单元进行模拟，结构共有节点14 212个，单元14 200个，建立模型如图2所示。

考虑如下施工工序，荷载按照最不利计算取值。

安装牛腿及第一道围檩作为导向架，进行钢板桩围堰打设，打设完毕后安装第一道内支撑；水下挖泥至-5.9 m标高位置；浇筑0.9 m厚封底混凝土，封底标高至-4.8 m；围堰内抽水至标高-0.7 m，安装第二道围檩；拆除临时支护结构。

围堰理论计算部分结果如图3，图4所示。

本次健康监测采用知物云监测系统，采集到的部分结果(2016年4月20日)如图5～图9所示。

由理论计算可知，结构X向最大位移为5.44 mm，Y向最大位移为6.61 mm。结构钢板桩最大应力45.7 MPa，内支撑最大应力131.9 MPa。取施工期间一段实测数据曲线，由实测结果可知，结构X向最大位移为5.17 mm，Y向最大位移为5.75 mm。结构钢板桩最大应力45.2 MPa，内支撑最大应力130.4 MPa。水位最高6.9 m，最低6.1 m。

由对比结果可知:

1)由于理论计算按最不利取值，同时考虑了一定的安全系数，所以实测结果和理论计算结果略有偏差。

2)实测结果大小及趋势与理论计算结果吻合度极高。

3)因为外部环境及施工进程的变化，监测数据有微小变化。

4)监测采集数据连续，贯穿整个施工过程。

5)三个月施工期间，项目有较高的安全储备度。

5 健康监测优势分析

人工检测可比喻为人的体检，而自动化监测则可比喻为住院观察。病人往往在出现典型症状之前有些指标已经发生异常，靠不定期的体检只能发现指标突变，但住院观察则会在指标变化伊始就开始对症治疗。相对于人工检测，自动化监测的优点如下：

1)符合去人力化的社会发展趋势，传统检测需要技术人员定期去项目现场采集数据，自动化监测只需要第一次安装测试到现场，此后很长一段时间都是设备通过无线信号传输。

2)不受复杂气象环境和项目现场偏僻及交通限制的影响，人工检测受现场能见度以及雨雾天气的影响较大，同时受偏远地区交通条件制约，此外地铁、隧道等因空间有限，很多时候人工检测需要阻断交通，自动化监测则不受上述条件制约。

3)有效降低了人为干预因素影响，人工检测很多时候靠肉眼去采集数据，数据误差取决于技术人员的经验，即便现场仪器测量数据，也受人为记录或者测量误差的影响，自动化监测采集的数据所采即所现，完全不受人为因素影响。

4)人工检测的数据是由一些点组成的，靠点去模拟线，从而推断病害发展趋势，不能掌握点与点之间的结构物状态，但自动化监测的数据则有实时性、全生命周期的特点，每个时间节点的数据都会采集到，所采集的数据是一条线，不会漏掉每个时间点的数据，发生异常时第一时间发出预警，时间周期可以贯穿结构物整个建养过程，从而可以为建设单位和管养单位提供安全数据，为设计和养护单位提供理论支撑。

5)便于整个区域的一体化管理，诸多结构物的数据可以同时在一个数据平台展现，方便业主对整条道路的结构物或者某个区域的结构物进行统一管理。

6)节省费用，人工检测需要多次去现场，交通费用及设备费用虽然单次少于自动化监测，但当时间段拉长后，自动化监测的费用要低于人工检测的费用。

7)针对本深水围堰项目，相对人工检测，健康监测的优势见表2。

表2 本深水围堰项目人工检测及健康监测优劣对比表

6 结语

常规检测在一些复杂环境下实施有较大困难，例如本项目，地处河道中央，水位较深，同时作业空间有限，健康监测在此类项目的检测中优势会更加明显。

本文旨在对位于特殊施工环境的项目实施健康监测的案例说明，以及通过实测数据和理论数据的对比，验证在特殊或者复杂施工环境下结构健康监测的可行性和监测数据的准确性，以便对其他类似受空间或者时间等制约的负责项目提供一种检测方法的借鉴。

健康监测尽管在一些特殊环境下有一定优势，但其受电子设备自身的稳定性影响较大，周期较长的情况下会受制于硬件产品的质量；此外健康监测数据量庞大，实际情况对数据的真正利用率偏低，如何基于大数据方法得出一些结构内在破坏规律及健康状态，以及破坏发展趋势是接下来研究的一个重点方向。