巨龙身体里装芯片.doc

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1、巨龙身体里装芯片——记南京长江隧道结构健康监测系统施工2005年3月29日，一个历史性的时刻诞生了，因为在这一天，南京长江隧道工程正式开工。南京长江隧道是《南京市城市总体规划》确定的“五桥一隧”过江通道中的重要工程，是南京城建史上的最大手笔,预计2010年竣工通车。届时，一条隧道巨龙将潜卧江底，横贯东西，彻底改变长江南京段目前单一的桥梁过江交通方式，对于进一步加快南京都市圈的形成，缓解过江压力，提升中心城市辐射功能，以及推进沿江开发战略，都具有重要的意义。今年3月，经过激烈的角逐，我公司有幸承接了这一工程的重要子项—结构健康监测系统工程

2、，成立了南京长江隧道结构健康监测系统项目部。结构健康监测(StructuralHealthMonitoring，简称SHM)指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的。通俗地说，就是要给这条隧道巨龙动个小手术，在其体内安装智能芯片，通过监控和分析采集到的变形、应力和环境参数，实时掌握它的健康状况，为及时排除病症提供可靠依据。但是，“说起来容易，做起来难”，巨龙的身体结构及其生存环境是相当复杂的。面临的挑战作为世界级的超大隧道、国内外地下标志性工程，南京长江隧道具有工程建设规模大、技术难

3、度高、施工见险大等特点，是极具有挑战性的穿江工程，面临许多世界级技术难题的挑战，首当其冲得是其所处地质、水文条件的特殊性。一是水土压力高（达每平方厘米6.5公斤），居世界同等直径或更大直径盾构工程之最；二是地质条件复杂，地层透水性极强；三7是江底隧道埋深超浅，由于隧道线路纵断面受地形条件制约，江底有150米长的地段隧道上方覆土厚度不足1倍洞径（约11.49米，仅为洞径的0、77倍），且地质为粉细沙层，施工坍塌冒顶风险极大；四是盾构机始发段超浅埋，隧道洞口段上方覆土厚度仅5.5米（不足0、4倍洞径），在同类隧道中埋深最浅，其开挖面稳定和地

4、层沉降控制要求极高。既然南京长江隧道工程面临的现状如此复杂，那么，结构健康检测系统能起到重要作用吗？又是如何做到的呢？结构健康监测系统的意义和目的依据南京长江隧道的特点，隧道建成运营后，为了保证其结构具有良好的功能状态，十分有必要采用先进的监测手段。根据本隧道所处的地质、水文条件的特殊性，对其结构的关键部位进行长期监测，以便于及时掌握隧道结构状态的变化，从而判断隧道结构的可靠性，进而采取相应的控制措施，使隧道结构始终处在良好的和可控的状态。结构健康监测系统通过布设监测设备，检测南京长江隧道特殊地段隧道结构的受力变化，对隧道在运营期的结构

5、行为及影响进行监测和数据分析，对隧道的健康状况以及使用寿命进行评估，判断隧道结构在设计基准期内的安全性以指导运营，同时给出实时的安全报警，提前主动采取有效的工程措施，从而保证隧道结构在设计基准期内的安全；同时可以合同配置隧道养护资源，降低成本，及时高效保证隧道的运营状态健康和安全。光纤传感技术、知识处理的奇特应用本系统为国内外第一条实施实时结构健康监测的盾构隧道项目，工程投资费用为650万，它之所以能实现这些特殊的功能，离不开现代高科技的应用。１.采用光纤光栅传感监测系统7安装在巨龙体内的芯片其实就是传感器设备，可别小看了这些芯片，它们

6、能够将被测量的位移、应变、荷载和温度等参数转化为光、电信号，通过现场光缆、电缆等传输到数据采集处理系统。本系统工程中，我们应用了光纤光栅传感器的主导产品—FBG传感器，它基于光波长变化的数字测量原理。光纤光栅传感器的波长调制这一传感机制，克服了传统的光、电学传感器的许多弱点，具有很多优点：①测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；②测量点相位清晰，能对固定参考点进行长期绝对测量；③能方便地在一根光纤中串接多个FBG传感器，对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量；④使用寿命较长，理论寿命在30年

7、以上；⑤监测设备对环境耐受性好、成活率较高。因此，采用该技术为主的监测传感系统是盾构隧道长期健康监测和状况评估的较好选择。我们在巨龙体内共设置了光纤光栅、土压力计、渗压计、腐蚀计等各类传感器900余套，光纤光栅解调设备、数字式测读等在线式测读装置12套，分布在各个监测点。传感器设备将巨龙结构的土压力、水压力变化，管片结构内力变化，断面收敛变形等异常情况产生的参数实时转化成光、电信号，传输到数据采集系统，为结构分析和智能决策提供第一手宝贵资料。2、知识处理应用知识处理通常是指专家系统，与数据处理相比增加了由基本对象组织起来的事实和规则。在

8、系统软件开发中，我们结合计算机技术、数据处理技术、工业自动控制、结构分析等方面的知识，将专家系统（ExPertSystem）和地理信息系统(GIS)结合在一起，形成专家地理信息系统（EGIS）。7系统软件开