作者：孙振锋
来源： 苏交科岩土工程设计研究所
水下隧道设计基准期一般为 100 年，在长期运营过程中会遇到结构耐久性不足而导致的各种病害，危及隧道内行车安全，降低水下隧道使用寿命。随着工程全寿命周期的概念深入人心，以健康监测系统为基础进行水下隧道智能监测逐渐得到重视，成为隧道安全运营的重要课题。
目前我国已建成和在建的水下隧道有 40 余条，部分建设情况下表所示。
大规模的水下隧道建设给我们带来了生活的便利，但是水下隧道因隧道病害而导致重大事故的案例时有发生。如：
日本青函海底隧道自动工以来，有33名工人丧生，1300人伤残。隧道先后发生4次涌水，两度被海水淹没，导致工程的长期延误，相应的建设费用也比原计划翻番，仅建设费用就达到了 50 亿美元。
2011 年 8 月，南京地铁二号线因地下水渗入，将一段 20 多米长的混凝土结构路基拱起，导致道床上浮列车车厢错位，车厢内浓烟滚滚，造成极大恐慌。
2003 年 7 月，上海轨道交通 4 号线区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降，造成大量房屋倒塌。
上述工程事故发生前，都出现了开裂、杆件疲劳等现象，但由于监测措施的缺失没有提前发现问题而导致了事故的发生。未来投入运营的水下隧道越来越多，且水下隧道的建设具有不可逆性，如何保证百年工程的全寿命周期正常运营是未来水下隧道亟待解决的关键问题。
目前，水下隧道的健康监测系统是针对该问题的有效手段，其发展源头可以追溯到19世纪 60年代，由于大量的路桥隧进入老龄化，基础设施的健康监测/检测、状态评估、维护等成为了工程界的焦点。
日本、美国、欧洲是较早建立起这一概念的，各地、各级管理部门都在大量研究的基础上制定了相关的制度和章程。而我国从 20 世纪 80 年代才开始大规模建设交通基础设施，国内针对水下隧道的安全性长期全寿命健康监测起步较晚，随着近年来结构物全寿命周期的概念深入人心以及大量水下隧道的投入运营，水下隧道健康监测系统逐渐成为行业内重点关注的技术问题。
水下隧道健康监测系统的建立会遇到一系列的技术问题，如结构耐久性规律分析、监测仪器的最优化布设、监测指标预警报警值控制、隧道病害程度评估等。
截至目前，国内已经有了一些水下隧道健康监测系统的实施案例，也取得了一些研究成果，但工程实施大多是根据经验进行组织，偏于施工工艺流程，对健康监测系统的机理缺乏理论研究。同时，由于多数施工企业对健康监测系统核心技术采取技术保密措施，健康监测系统的核心技术和相关理论的发展较为缓慢，面临极大风险的水下隧道的病害预测技术尚没有形成系统、全面和规范化的技术方法。
因此，针对水下隧道健康监测系统实施实例收集整理、对理论问题进行分析、对技术问题的明确成为该领域技术发展的迫切任务。
水下隧道健康监测系统不同于地面结构物的健康监测，其主要特点可以归纳为以下几点：
1.水下隧道健康监测系统是一个系统工程
结构安全不仅仅是结构本体问题，而与结构周边的围岩、地层和高水压有直接关系，是一个相互影响的系统工程。围岩和地层是动态变化的，包括软土的蠕变、地下水的水压和腐蚀、地质构造运动等等一系列难点问题。
2.水下隧道健康监测系统具有专一性
水下隧道施工方法通常包括围堰明挖法、钻爆法、盾构法、沉管法等，不同工法衬砌形式不同、施工工艺差别较大。此外，水下隧道埋深、地质条件、使用功能各异，这就导致每条水下隧道健康监测系统都存在较大差异，应进行独立的设计和施工。
3.水下隧道健康监测系统具有阶段性
隧道的建设包含施工期和运营期，不同阶段隧道结构的监测重点也有较大差别。施工期关注的主要为地面隆沉、土水压力、渗漏等问题，而运营期重点关注内容为结构断面收敛、隧道纵向不均匀沉降、衬砌腐蚀裂损等问题。
4.水下隧道健康监测系统故障率较高
监测系统传感器种类多样，且数量繁多，一条隧道往往埋设近 200 个传感器。这些仪器在地下水的侵蚀和各种不确定因素的影响下容易发生损坏，这就要求传感器的布设要具有一定的冗余度，保证更换期间数据的正常收集。
水下隧道健康监测关键技术
1.传统监测仪器
传统机电类传感监测技术主要是指振弦式、差动电阻式、电感式、电阻应变片式等传统机械或电子传感技术。此类技术发展时间较长，也较为成熟，目前已经广泛应用于大坝和岩土工程监测中。相关的各种监测传感器元件已经基本覆盖了岩土工程监测的各个方面，具有很强的适用性，并且还具有使用灵活、埋设简便以及价格相对较低等优点。
但是这类监测仪器属于点式测量，仅能对其埋设位置附近的结构变异情况进行局部监测，要反映结构总体的变异情况就必须在整个结构中大量埋设传感器原件，这就对隧道结构产生较大影响，可实施性较差。
2.新型光纤传感监测技术
光纤传感技术最早应用于航空航天领域，随着这项技术的日趋成熟，开始逐渐在其他领域中应用，工程结构健康监测正式其主要发展方向之一。
3.水下隧道结构耐久性关键技术
据统计，我国运营铁路隧道的 60%以上存在不同程度的病害，部分已经危及行车安全。水下隧道所处环境更为复杂，隧道病害所造成的危害更为突出，且具有不可逆性。针对隧道耐久性不足这一问题，国内外学者开展了大量研究。
水下隧道结构健康监测的主要对象是周边介质、结构和周围环境，监测部位包括环境和结构，监测类型主要是水土压力和结构内力、外力、变形，结构背后空洞监测、结构渗漏水及混凝土碳化监测等。
4.监测数据评估关键技术
水下隧道结构物安全性评价的重要内容是监测数据的分析评估，即用严谨的分析方法和较为理想的数学模型，得出隧道结构确切的使用性能的安全状况，目前仍是一个难题。国内外学者在实践和研究中提出了多种隧道安全性评价方法。如：
20世纪70年代美国匹兹堡大学教授萨蒂提出层次分析法，该方法可以将复杂的大系统问题通过层次分析变为结构性强、条理清晰的结构图，在桥梁和隧道的安全评价中得到了较多应用，但当影响因素过多时（超过9个），标度工作量较大，可信程度不足。
模糊综合评判法以隶属度来描述模糊界限，评价结论具有较高的可信度。
1984年邓聚龙教授在国内首次提出灰色系统理论，主要研究系统模型不明确、行为信息不完善、运行机制不清楚的这类系统的预测和控制等问题，在桥梁领域的监测中应用较为广泛。
专家系统评价法是一种具有大量专门知识和经验的智能计算机系统，可以模拟领域专家的思维过程。
目前，模糊系统方法、神经网络法、专家系统法或混合性评价方法应用逐渐增多，水下隧道的健康监测数据评估已经由以隧道结构力学模型为基础逐渐向以数学方法与神经网络等理论结合的阶段发展，隧道智能评价专家系统的建立已经是一种发展趋势。
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