G98海南环岛高速公路青岭隧道使用交通云长期监测裂缝.docx
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G98海南环岛高速公路青岭隧道使用交通云长期监测裂缝
G98海南环岛高速公路青岭隧道使用“法赫交通云”长期监测裂缝
近日，上海法赫开发了一款新型监测系统“交通云”。
当隧道结构出现开裂或修补后需对裂缝进行长期监测时，传统的人工观测费时费力，而现有的远程自动化监测系统搭建复杂且成本高昂。
“法赫交通云”运用移动物联技术，为裂缝监测提供了一套精简的解决方案。
一、“法赫交通云”之海南青岭隧道项目概述：
G98海南环岛高速公路青岭隧道经定期检查，隧道出现的主要病害是衬砌裂缝。
衬砌混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。
隧道衬砌混凝土裂缝类型主要有：
干缩裂缝、温度裂缝、变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。
衬砌裂缝产生的原因可能有施工原因、地质原因两方面。
（“法赫交通云”之监测裂缝变化及趋势）
施工原因为：
1）施工时隧道衬砌浇筑施工后，隧道局部湿度差异的影响以及施工时混凝土振捣的不充分，使衬砌混凝土的收缩不均匀，产生混凝土的干缩裂缝；2）衬砌背后存在的不密实或空洞域，也可能引起衬砌受力不均，产生应力集中现象，从而导致衬砌开裂。
地质原因为：
1）周边围岩强度差异，小范围内地质情况变化快引起的不均匀沉降，导致衬砌出现变形裂缝；2）经过长时间的地质变化，由于岩石的相互挤压，使隧道衬砌局部剪切应力集中，造成隧道衬砌开裂，多集中在隧道衬砌施工接缝处及拱顶部位。
二、结构裂缝监测目的
隧道在运营期不可避免地遭到地质恶化、环境荷载、腐蚀、疲劳等因素的影响，如果隧道内出现严重漏水、衬砌开裂或设施故障等情况，就会防碍交通，进而使整个交通线完全处于中断状态，给城市道路交通造成恶劣影响。
因此需要建立云监测之隧道运营期的裂缝监测系统，及时对隧道结构裂缝进行检查分析，系统掌握结构技术状况，判定结构物功能状态及时发现结构早期病害并加以处理，以保障隧道结构的正常运营、延长隧道结构使用寿命。
该系统是集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程，是一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足隧道养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康监测系统。
建立云监测之隧道运营期裂缝监测系统，能够大大提高检测效率，实时掌握隧道内结构裂缝状态变化，评价隧道的总体技术状况和使用功能状态，以及隧道的安全可靠性。
同时可为隧道的运营、维护、管理提供决策依据，使得既有隧的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济。
三、云监测系统设计方案
1、设计原则
隧道结构运营期的裂缝监测系统的设计和构建是一个集各种先进传感技术、计算机技术、信息技术以及结构力学分析计算、结构状态评估理论于一体的综合系统工程。
系统充分考虑功能要求和经济要求两个方面，需要依照“合理、有效、经济”的原则进行系统设计。
所谓“合理”，即结合隧道实际情况，明确系统设计目标，科学选取能反映结构局部或整体变形，以及结构形式变化的部位设置检测点。
所谓“有效”，即应当针对隧道具体情况进行系统设计，严格把握监测数据信息的测量精度；
所谓“经济”，即在满足系统使用功能实现的基础上，对可以使用的各种监测技术进行成本（效益）分析，从经济上实现监测系统的优化选择，如当隧道结构突然发生较大量变形和差异变形时，可以增加监测频率，采取提前预防措施，防止隧道变形损坏。
2、隧道裂缝监测内容
监测内容是针对隧道内已发现的多处裂缝实现24小时在线监测，并通过手机端APP实时查看裂缝状况与报警状况。
（隧道裂缝计布置示意图）
3、传感器模块
传感器的选型原则：
传感器及其相关设备应有良好的线性稳定性、温度稳定性、测量精确度、放大精确度、过滤精确度等；选购和研制的传感器要符合所有规定的性能和功能要求；为了保障传感器的可维护性，在保证精度和稳定性的前提下尽量选用国产设备或在国内应用较普遍的进口设备。
振弦式测缝计主要技术参数：
振弦式表面测缝计包括一个振弦式感应元件，该元件与一个经过热处理并消除应力的弹簧相连，弹簧两端分别于钢弦、传力杆相连。
当传力杆从仪器主体拉出，弹簧被拉长导致张力增大并有振弦感应元件测量。
钢弦上的张力直接与拉伸成正比例，因此裂缝的开合度通过振弦频率的变化而精确地计算。
测缝计采用灌浆锚杆方法安装于衬砌裂缝位置，在裂缝两端确定位置钻两个深约75mm，直径12.5mm的钻孔，用已固定的锚杆安装测缝计。
然后用灌浆或环氧填注钻孔并将锚杆推进至于表面齐平，再用速凝水泥或环氧树脂灌浆，最后螺母固定顶丝。
（用灌浆锚杆在混凝土表面安装裂缝计）
4、数据采集与传输模块
本系统主要采用无线GPRS传输方式。
该方式通过成熟的GPRS/GSM网络，通过灵活的控制设备的采集指令，进行远程控制，并具有如下优点：
支持GSM双频网络和GPRS数据通信网络等2.5代无线网络、易于安装维护、可实现点对点、点对多点多种方式的实时数据传输。
无线传输模块选用未来桥的智能云盒，云盒内置工业级GSM无线模块，采用通用标准串口对模块进行设置和调试，提供标准的RS232/485接口。
智能云盒主要技术参数：
5、防雷模块
防雷电世界标准确认，雷电不需直接击中建筑物，而通过产生感应电压，就能对设备、仪器施加超过10kV的电压，即使一个“擦边”也能向电流回路中发射出5kA的脉冲电流，即“感应雷”，它对电器设备、电子仪器、数字设备和通信设备、通讯网络、工业过程控制网络、自动化仪表均可造成毁灭性破坏。
特别是在沿海、高原、山区和空旷、露天、凸出地带因雷电造成的损失就更严重。
根据《电力设备过电压保护设计技术规程》中的规定，多、强雷区的企业单位应予以重点的防护。
感应雷的防护——目前，计算机等电子设备受到雷电感应高压损坏主要途径有二种，一是辐射性的感应雷击是强雷电磁场通过辐射或感应造成设备损坏。
二是由供电线路、信号线路和控制线路等由各种线路传导进来的感应雷电高压脉冲损坏电子设备的。
因此采取的相应措施为：
（1）采取电磁屏蔽措施；（铁管屏蔽线路）
（2）安装浪涌过电压保护器，包括供电系统和信号系统；（安装SPD浪涌保护器）
（3）等电位处理；
（4）良好接地系统。
6、系统软件
软件系统设计为B/S模式和C/S模式相结合的系统。
数据的采集、传输、处理与存储软件均采用C/S模式，充分利用网内服务器高级处理能力，处理复杂的数据分析等工作；对用户开放的界面采用B/S模式，实现Internet网内的远程实时监控，并开发手机端APP，能通过手机端实时查看隧道裂缝状况。
软件系统的开发设计参照标准软件工程开发流程，对软件全生命周期进行细化和管理，并最终实现SAAS（软件即服务），最大程度体现软件价值，降低建设成本、降低维护成本、实现低应用门槛和低风险投入。
系统软件全生命周期的设计开发流程如下图所示：
监测系统的软件开发设计主要集中在自动化传感测试、数据存储与管理、综合预警以及APP界面展示。
1）自动化传感测试
自动化传感测试中的数据采集与传输主要完成环境参数与隧道静态响应数据的采集与传输；可以实现初步的在线数据分析和阈值报警，实现系统自诊断，给隧道管理人员及时提供监测系统及其所监测到的隧道现状。
2）数据存储与管理子系统
数据存储与管理子系统软件包括解决海量数据存储的数据库管理系统、统计分析软件以及报告报表软件。
采用分布式异构数据库集成模型，完成对整个监测系统中的多种数据融合；通过服务器中数据库的分组技术，对海量数据存储进行优化；针对数据分析与处理的需求，构建数据仓库模型，为用户提供方便的决策分析。
采用数理统计方法，为用户提供多种数据特征值的显示图形，从各种信息中提取有效的知识，揭示隐藏在历史数据中的事物发展趋势。
3）综合预警分析平台
阈值报警的合理设置能实现系统一定程度上的系统自诊断，为隧道维护的管理者和决策者提供专家意见及时处理监测系统中发现的各种错误。
从数据安全的角度出发，系统的复杂性决定了数据出错的原因的复杂性，有的可能是结构损伤引起的，有的可能是监测系统本身引起的。
通过设置多级阈值，报警产生时触发自诊断系统，并保存到报警数据库以备查询。
综合预警分析平台采用B/S模式，可以远程设置预警触发信息、预警信息发送对象和相关配置；平台实现的主要功能包括主动发送短信和邮件通知预警信息和系统自诊断信息，接受索引代码，返回指定数据的查询结果。
4）APP界面展示
用户界面展示内容包括实时数据的表格展示、历史数据查询、传感器参数的设置以及能查看数据的统计分析、裂缝的趋势分析等功能。
并能在裂缝超过预警值时通过短信报警、邮件报警，并可对预警值和需要通知的管理人员进行设置。
四、“云监测”现场实施情况
系统架构
“法赫交通云”是土木结构远程自动化监测解决方案家族的新锐，是采用移动物联及云计算技术对于传统监测系统的创新升级。
云监测将传统监测系统中的通讯、采集、供电以及防雷等进行有机集成形成一个整体，前端接入各类监测传感器，后端传送各类数据至云平台，云监测的主要特征为：
移动物联、广泛兼容、即插即用。
云监测的特点和优势有：
1）广泛兼容，可接入数字、模拟、振弦、光纤四大类监测传感器
2）即插即用，搭建监测系统只需“扫一扫”
3）模块化配置，四大类采集模块轻松切换
4）自有云平台，通过移动端和大屏端掌控结构和云箱状态
5）高性价比，特别适用于中小型结构监测解决方案
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