一种单点地下结构健康监测系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程安全技术领域，具体涉及一种单点地下结构健康监测系统及方法。

背景技术

近年来地铁建设发展速度迅猛，正在建设和已建成的地下车站不胜其数。现阶段，主要针对地下车站施工期采取施工监测或第三方监测的形式，反馈建设期的结构安全状态，保障建设过程的结构及周边建构筑物的安全。但是，针对已建成的地下车站尚无成熟的健康监测预警系统，无法对建成后运营期尤其是在偶然状态(如地震、偶然超载等)作用下的地下结构安全状态进行合理准确的反馈，无法给运营期的地铁车站结构维保工作提供一手支撑资料，从而难以从根本上解决部分运营期暴露的问题。

地铁车站结构体系复杂，结构安全控制要求高，所处地质条件、周边环境复杂，尤其是车站周边工程活动(堆载、打桩、隧道穿越)难以预测，容易诱发结构病害；长期运营的列车荷载容易导致车站主体结构承受不同程度的加卸载循环效应，结构疲劳损伤特征明显，对其变形和长期稳定性极为不利；此外，可能发生地震等偶然作用，对结构的安全状态也需要进行合理的评判。

现阶段，结构监测主要针对地下车站施工期采取施工监测或第三方监测的形式，反馈建设过程的结构及周边建构筑物的安全。但是，针对已建成的地下车站尚无成熟的健康监测系统，无法对建成后运营期尤其是在偶然状态(如地震、偶然超载、打桩、隧道穿越、岩溶等)作用下或列车运行加卸载循环疲劳损伤诱发的结构病害等地下结构安全状态进行合理准确的反馈，无法给运营期的地铁车站结构维保工作提供一手支撑资料，从而难以从根本上解决部分运营期暴露的问题。

此外，现有少量结构监测系统也有以下不足：单方面依赖结构监测数据进行分析，无法结合结构数值分析计算的设计结果进行比对。

发明内容

本发明提供了一种单点地下结构健康监测系统及方法，解决了以上所述的地下车站开展结构健康监测及预警不完善的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种单点地下结构健康监测系统，包括：站点结构、安装在所述站点结构上的传感器群、数据采集及传输系统、数据分析及趋势预测系统、状态评估及报警系统；

所述传感器群安设于所述地下结构上，以用于获取对地下结构的监测数据；

所述数据采集及传输系统用于将传感器群的监测数据通过光纤传输至数据分析及趋势预测系统；

所述数据分析及趋势预测系统用于接收传感器群的信号数据进行分析及趋势预测处理以获取处理结果；

所述状态评估及报警系统用于接收数据分析及趋势预测系统的处理结果，以进行状态评估，并根据状态评估结果判断是否发出预警；以及，根据预警的等级对地下结构进行内部调控。

可选的，所述预警的等级包括Ⅰ级预警情况、Ⅱ级预警情况及Ⅲ级预警情况；

当实际监测值不大于各监测项报警指标的50％时，则输出为Ⅰ级预警情况，正常运营；

当实际监测值介于各监测项报警指标的50％～70％时，则输出Ⅱ级预警情况；

当实际监测值大于各监测项报警指标的70％时，则输出Ⅲ级预警情况，判定为危急报警区域。

可选的，所述状态评估及报警系统用于根据预设规则通知不需要人工维保的地下结构的区域对应的工作人员，至需要人工维保的区域进行协同维保。

可选的，所述传感器群安装在站点结构的各监测断面处；

所述传感器群包括光纤光栅温度计、用于监测结构外部土压力的光纤光栅土压力盒、用于监测结构外部水压力的光纤光栅渗压计、用于监测结构混凝土应力的光纤光栅埋入式应变计、用于监测结构振动的光纤光栅加速度计以及用于监测结构沉降的光纤光栅表面拉杆式测缝计。

可选的，所述监测断面包括结构体系复杂区域、结构强度薄弱区域及周边环境复杂区段。

可选的，所述结构体系复杂区域包括刚度突变区域、结构不连续区域，所述结构强度薄弱区域包括受力峰值区域、承载力最小区域，所述周边环境复杂区段包括不良地质区域、地质状况发生变化区域。

可选的，所述土压力盒为刚性土压力盒，所述刚性土压力盒的刚度与地下结构混凝土刚度相匹配。

本发明还提供了一种单点地下结构健康监测方法，包括：

将传感器群分别安设于地下结构上，以用于获取地下结构的监测数据；

通过数据分析及趋势预测系统接收传感器群的信号数据进行分析及趋势预测处理以获取处理结果；

通过状态评估及报警系统接收数据分析及趋势预测系统的处理结果，以进行状态评估，并根据状态评估结果判断是否发出预警；以及，根据预警的等级对地下结构进行内部调控。

可选的，采用波分复用技术，实现一根光纤上串联多个光纤光栅传感器，并结合围护结构和主体结构施工工艺及工序，按照考虑施工可行性不影响主体结构承载性能的原则进行光缆走线、设备集成设计。

可选的，所述光缆走线采用不锈钢线槽保护，通过膨胀螺栓固定于结构侧壁，穿越主体结构时，在相应部位预埋PVC穿线管供光缆走线。

有益效果：

本发明提供一种单点地下结构健康监测系统及方法，采用先进的光纤光栅传感器群搜集监测信息，通过相关数据采集传输、分析预测，对结构健康信息评估预警，便于及时采取维保处理措施，可以实现：(1)动态监控地下结构工作状态，合理评价地下结构健康状态；(2)辅助运维管养决策，延长地下结构服役寿命；(3)积累地下结构的结构设计、施工及养护经验。

该方案适用于城市轨道交通地下结构、装配式地下结构等工程，有一定创造性和实用性，具有较好的推广应用前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的架构示意图；

图2为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的监测标准断面及测点布设示意图；

图3为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的监测光缆走线平面示意图；

图4为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的用于结构外部土压力、水压力的监测光缆走线断面示意图；

图5为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的用于结构混凝土应力的监测光缆走线断面示意图；

图6为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的用于结构振动的监测光缆走线断面示意图；

图7为本发明单点地下结构健康监测系统及方法的用于结构沉降监测光缆走线断面示意图。

附图标记说明：钻孔1，监测断面2，结构墙3，结构梁4，结构柱5，临时采集箱6，状态评估及报警系统7，主传输光缆8，隧道9，光纤光栅土压力盒10，光纤光栅渗压计11，光纤光栅埋入式应变计12，光纤光栅加速度计13，光纤光栅表面拉杆式测缝计14。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图7所示，本发明提供了一种单点地下结构健康监测系统，包括：站点结构、安装在所述站点结构上的传感器群、数据采集及传输系统、数据分析及趋势预测系统、状态评估及报警系统；

所述传感器群安设于所述地下结构上，以用于获取对地下结构的监测数据；

所述数据采集及传输系统用于将传感器群的监测数据通过光纤传输至数据分析及趋势预测系统；

所述数据分析及趋势预测系统用于接收传感器群的信号数据进行分析及趋势预测处理以获取处理结果；

所述状态评估及报警系统用于接收数据分析及趋势预测系统的处理结果，以进行状态评估，并根据状态评估结果判断是否发出预警；以及，根据预警的等级对地下结构进行内部调控。

单点地下结构健康监测体系具体方案如下：

(1)监测项目确定

监测项目应能直接或间接反映结构实际的受力变形状态，服务于结构安全评价及预警，监测项目包括变形、应力应变、渗漏、地下水位、温度、疲劳等。

(2)监测断面及测点布设

监测断面应重点选择土层软弱、差异分布及岩溶等不良地质作用明显、结构体系复杂、周边环境复杂区段等。断面测点布设应结合结构受力变形性能，选择结构内力、变形较大或具有代表性的部位进行监测。基于数值分析计算得到内力、位移控制值和控制点，再在对应点位布置传感器器群。具体为传感器群1至传感器群n，应以可更换元器件为主，预埋式、不可更换元器件为辅。仪器选型应根据监测目的确定量程、精度及长期稳定性要求，同时兼顾安装、维修方便。

(3)监测手段及仪器要求

结构健康监测应选择自动化监测，降低人工干扰对精度的影响及人力成本，施工期可辅以人工监测。

(4)数据采集及传输

运营期采用自动化实时采集数据，所有光纤光栅传感器采用多芯主传输光缆引入到监测站内，实现所有光路信号在监测站内采集数据，实现系统集中监测。通过架设网络系统实现监测数据的远程实时传输，实现监测数据动态管理。

(5)数据分析及预测

根据监测数据，智能分析站点结构健康状况，预测可能的结构健康状态变化趋势。

(6)状态评估及报警

根据监测系统数据分析预测的情况，进行结构健康状态评估，及时预警。站点健康监测系统提示预警后，反馈给站点维保人员处理，监测系统为应对处理措施决策提供数据支撑，根据预警的等级对地下结构进行内部调控，充分合理高效的调配该地下结构内部的所有维保人员，便于及时消除安全隐患。

可选的方案，所述预警的等级包括Ⅰ级预警情况、Ⅱ级预警情况及Ⅲ级预警情况；当实际监测值不大于各监测项报警指标的50％时，则输出为Ⅰ级预警情况，正常运营；当实际监测值介于各监测项报警指标的50％～70％时，则输出Ⅱ级预警情况；当实际监测值大于各监测项报警指标的70％时，则输出Ⅲ级预警情况，判定为危急报警区域。根据预警的具体情况，进行结构健康状态评估，及时预警。结合分级管理要求，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警情况，状态评估及报警系统提示预警后，逆反馈给站点维保人员处理。

可选的方案，根据预设规则通知不需要人工维保的地下结构的区域对应的工作人员，至需要人工维保的区域进行协同维保。预设规则包括地理位置就近原则及技术工种相近原则。当预警形成后，与发生预警的地下结构的区域最接近的附近维护人员可以协同该地下结构对应区域的维护人员一起维保，此为就近原则。不同传感器类型的预警，可以通知相似或相同传感器的维护人员进行协同人工维保，此为技术工种相近原则。

可选的方案，传感器群安装在地下结构的各监测断面2处的传感器群，所述状态评估及报警系统与所述传感器群通过光纤通信连接；

所述传感器群包括光纤光栅温度计、用于监测结构外部土压力的光纤光栅土压力盒10、用于监测结构外部水压力的光纤光栅渗压计11、用于监测结构混凝土压力的光纤光栅埋入式应变计12、用于监测结构振动的光纤光栅加速度计13以及用于监测结构沉降的光纤光栅表面拉杆式测缝计14等。传感器群不仅仅只包括上述已经列举的，根据实际工程监测需要进行选择。

可选的方案，所述数据分析及趋势预测系统用于对监测仪器的信号数据进行异常数据识别、数据平滑处理、可靠性分析及趋势预测的处理；所述状态评估及报警系统用于结合结构受力性能演化过程分析制定结构变形、裂损的控制标准及指标预警标准，提出监测分级预警管理等级，实行三级报警制度。

在本实施例中，车站结构如地铁车站，尤其是在岩溶不良地质处的车站结构，非常有必要建立健康监测功能确保安全。地铁车站内的各个传感器群采集的数据经过光纤传输至状态评估及报警系统，状态评估及报警系统对数据进行分析得到趋势预测，然后对各个监测断面2处的状态进行评估，若有异常，则进行相应的报警，并逆反馈调控或人工维保。

有益效果：

(1)动态监控地下结构工作状态，合理评价地下结构健康状态。

对地下结构进行全过程监测，动态、实时掌握地下结构工作环境、受力变形状态及发展演变趋势，揭示运营期结构受力变形与承载性能的演化过程，将监测数据与理论分析、数值计算间相互印证，对地下结构运营期间出现的各类异常状况及时做出诊断，综合评估地下结构健康状况，同时为关联数据分析提供可靠数据支撑。

(2)辅助运维管养决策，延长地下结构服役寿命。

为制定合理、主动、预防性的养护措施提供数据支持，从而有效降低地下结构全寿命期的运营维护成本，最大限度延长地下结构的使用年限。

(3)积累地下结构设计、施工及养护经验。

地下结构工程所穿越地质、水文及周边环境复杂，对地下结构长期服役性能提出巨大挑战。通过对地下结构和外部环境进行长期监测，可以积累工程经验，为地下结构运营维护安全提供保障。

可选的方案，传感器群所监测的项目应能直接或间接反映结构实际的内力状态、变形(位移)状态，服务于结构安全评价及预警，监测项目包括结构外部荷载、内力及变形。监测断面2与测点布置应本着力争实现“监测完整、性能稳定兼顾性价比最优”的主要原则执行。监测断面2应重点选择：

1)结构体系复杂区域，如刚度突变区域、结构不连续区域等；

2)结构强度薄弱区域，如受力峰值区域、承载力最小区域等；

3)周边环境复杂区段，如不良地质区域、地质状况发生变化区域等。

可选的方案，所述数据采集及传输系统用于采集传感器群的数据并通过光纤传输至数据分析及趋势分析系统，具体包括：

1)应可按照需求实时采集、定期采集或不定期采集；

2)当不同类或同类数据需要做相关分析时，相关数据应同步采集；

3)采集数据时宜对信号进行预处理，对信号强度量级有较大差异的不同信号，应严格进行采集前的信号隔离。

传感器群的数据通过光纤传最终输至状态评估及报警系统上；在监测断面2对应的结构板、结构墙3、结构梁4及结构柱5上均布置有传感器，传感器将信号先传递至就近的临时采集箱6，然后再经过主传输光缆8传递至状态评估及报警系统7内进行分析。

可选的方案，结构体系复杂区域包括刚度突变区域、结构不连续区域，所述结构强度薄弱区域包括受力峰值区域、承载力最小区域，所述周边环境复杂区段包括不良地质区域、地质状况发生变化区域。

(1)标准断面选择：根据既往的工程经验、相关研究成果，浅埋标准断面地铁车站，其灾害薄弱部位为中柱的顶部、底部、中板与侧墙、中板与中柱交界处，在柱顶、柱底等结构安全薄弱部位监测结构应力。

(2)结构体系复杂断面选择：结合力学常识、以往工程经验，结构变截面位置一般存在较大的应力集中，依据仿真数值计算结果可知，地铁车站结构的主体混凝土受压应力、钢筋应力均在材料强度设计值范围内，而在车站变截面位置处混凝土拉应力较大接近材料抗拉强度，标准荷载组合下结构主导的控制因素为混凝土受拉开裂；故选变截面作为结构耐久性监测截面，测点选择在数值计算结果中拉应力较大的位置。

(3)结构强度薄弱区域：因车站与隧道线路段存在极大的结构形式差异，且地基处理方式存在较大不同，在后期日常运营期间，隧道-结构连接处易存在较大的差异沉降，连接处承受较大拉力，从而引起接头处混凝土开裂等病害，故选择车站与地铁线路结合处作为差异沉降观测断面，分别布置测缝计用以观测隧-结差异沉降。

(4)地质环境复杂断面选择：以车站基坑底部上方土体为判断范围，分别在围护结构、底板、侧墙外围布置水土压力传感器。

其中，结构外部土压力、水压力是导致主体结构变形损伤的直接因素，通过监测车站主体结构外部土压力、水压力可直接掌握结构受力状态，为结构承载力及变形分析提供基础数据，同时可直接了解临近工程施工对结构影响，提前预警。

因此监测断面2应重点选择土层软弱、差异分布及岩溶等不良地质作用明显、结构体系复杂、周边环境复杂区段等，断面测点布设应结合结构受力变形性能，选择结构内力、变形较大或具有代表性的部位进行监测。下面针对不同部位监测测点布置进行一一说明：

(1)结构外部水、土压力

结构外部水土压力直接决定了结构内力水平，测点主要布置在围护结构、顶板、底板外侧相应代表性部位。围护结构外侧设备采用钻孔1方式放置，钻孔1距围护结构L，一般可取1000mm，钻孔1尺寸可取

(2)结构混凝土应力

混凝土应力监测断面2应与结构外部压力监测尽量保持一致，以便相互关联验证。主要布置在关键的梁、柱、墙、板上，每部位布设1对测点(内、外侧各1个)。

(3)结构振动响应

长期运营的列车振动对主体结构(梁、柱、墙、板)的受力变形可能产生不同程度的影响，应在列车两侧结构物上安装加速度计对振动荷载进行监测。测点主要布置在列车振动荷载作用影响较大的关键柱、墙上，研究振动荷载从道床到墙、柱、板的传递规律。该元件也可用于监测地震振动。

(4)结构沉降

重点考虑上部结构形式转变、纵向土层分布不均、外界环境潜在工程活动引起车站局部荷载突变等，可能导致车站结构产生差异沉降。根据地质条件、沉降发生的原因等综合确定沉降观测点布置间距位置。

有益效果：采用先进的光纤光栅传感器群搜集监测信息，通过相关数据采集传输、分析预测，对结构健康信息评估预警，便于及时采取维保处理措施。通过该智能监测预警系统建设，可以实现：(1)动态监控地铁车站工作状态，合理评价车站主体结构健康状态；(2)辅助运维管养决策，延长车站主体结构服役寿命；(3)积累车站主体结构结构设计、施工及养护经验。

通过比选(能否确定位置、灵敏度、测量难度等)提出健康监测的损伤评价推荐指标，结合结构受力性能演化过程分析制定结构变形、裂损的控制标准及指标预警标准，提出监测分级预警管理等级，实行三级报警制度。第一级为绿色区，第二级为橙色区，第三极为红色区，见下表所示。

监测数据分级管理表

注：Un——各监测项报警指标；U0——实际监测值。

以典型监测项目为例，采用各类光纤光栅传感器组成传感器群，利用光纤光栅的应变传感特性或作为测试载体，生成各类测试项目的数据信息。传感器统计如下表，设置过程中尽可能采用可更换器件。

传感器群统计表

下面针对不同的传感器群的安装方式进行一一解释说明：

(1)结构外部土压力：

光纤光栅土压力盒10安装顺序为：确定安装部位→预埋钢板底座安装→土压力盒安装→光缆敷设→光纤熔接、传感器串联→光缆引出、通路检查。

(2)结构外部水压力

光纤光栅渗压计11安装顺序为：确定安装部位→渗压计保护、固定→光缆敷设→光纤熔接、传感器串联→光缆引出、通路检查。

(3)结构混凝土应力

光纤光栅埋入式应变计12安装顺序为：确定安装部位→应变计安装→光缆敷设→光纤熔接、传感器串联→光缆引出、通路检查。

(4)结构振动

在楔形垫块上安装光纤光栅加速度计13，布置好缆线后把膨胀螺丝打入周边混凝土内固定缆线，最后把传感器缆线连接采集仪。

(5)结构沉降

采用光纤光栅表面拉杆式测缝计14监测差异沉降，该装置主要包括测缝计、连接用角钢，测缝计与待测接缝走向平行安装，角钢与待测接缝走向垂直安装，角钢一端与结构通过螺栓固定，另外一侧与测缝计通过螺栓固定，当接缝两侧结构产生差异沉降时，联结角钢带动测缝计发生伸缩，进而得到接缝两侧结构物的差异沉降。

可选的方案，采用波分复用技术，可实现一根光纤上串联多个光纤光栅传感器，为避免各传感器工作波长交叉重叠，串联仪器数量存在限值。鉴于光纤弯曲、熔接等造成光信号附加损耗，应设置一定的波长冗余量，同时考虑到施工方便，原则上单通道串联传感器数量不宜超过8个。具体光缆走线设计应结合围护结构和主体结构施工工艺及工序，按照考虑施工可行性并不影响主体结构承载性能等原则进行光缆走线、设备集成设计。

鉴于光缆核心结构为SiO

(1)混凝土内部光缆：结构浇筑时，光缆沿钢筋笼绑扎敷设，引线应井然有序，严禁小角度弯折，弯曲半径不得小于5cm；为避免形成渗水通道，光缆沿线设置多道遇水膨胀橡胶止水环，尤其是传感器与光缆连接处、光缆转角处、光缆与出线盒连接处等部位，光缆避免直角引出。

(2)光纤熔接：光纤熔接完成后，对于熔接段光缆，需在热缩管外面再加套一个金属管进行保护，两端用橡胶套固定。

(3)出线盒内光缆：预埋式传感器引线至出线盒，为方便施工期数据快速采集，光缆端部安装FC/APC接头，并进行防水保护，出线盒内冗余光缆盘绕在内，密封后内部采用膨胀泡沫填充密实，外部缠绕防水胶布。

(4)结构外光缆保护：结构外引线光缆宜需不锈钢线槽保护，通过膨胀螺栓固定于结构侧壁，穿越主体结构时，需在相应部位预埋PVC穿线管供光缆走线。

(5)主传输光缆8保护：主传输光缆8敷设在车站结构侧墙上绑扎固定。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。