仇安群,陳喜坤,王安飛,陳 飛,黃 杰
(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 廣州 510290;2.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210019;3.南京交通運營管理集團有限公司,江蘇 南京 211899)
近年來,越來越多水下隧道實施了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)開展隧道結構損傷識別并分析評估結構安全狀態(tài)已經成為新的趨勢。然而,系統(tǒng)施工完成后,往往由于接線、端頭、儀器等問題,導致系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)異常,需進行調試以保障系統(tǒng)功能完善并進入使用階段。
部分學者開展了健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常分析,范時梟等[1]結合機器學習方法,對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進行初步的自動化分析,以達到降低進一步分析的計算量、提高分析子系統(tǒng)精度的目的。超馬[2]從監(jiān)測數(shù)據(jù)中有效地發(fā)現(xiàn)異常情況,捕捉所有病理變化可能造成的后果,分析橋梁異常數(shù)據(jù)的可靠性,初步判斷異常值的產生原因,并根據(jù)原因對其進行處理。孫汝蛟[3]對FBG(光纖布拉格光柵)應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、可重復性等性能測試,并與傳統(tǒng)的電阻應變片作對比,驗證了其可靠性。張立濤[4]將灰色系統(tǒng)理論中的灰色關聯(lián)度分析方法引入大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器異常診斷中,在對灰色關聯(lián)度分析方法的步驟、基本原理進行研究的基礎上,得到了判斷測試數(shù)據(jù)關聯(lián)性優(yōu)劣的灰色關聯(lián)度閾值。
針對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)完工調試的報道較少。系統(tǒng)調試對于發(fā)揮其功能具有重要意義,有必要開展研究為類似工程提供借鑒。
南京應天大街長江隧道采用盾構法修建,全長約3 km,隧道結構外徑14.5 m,環(huán)寬2 m,壁厚0.6 m。隧道按雙向6 車道快速通道設置,設計時速80 km/h[5]。
南京應天大街長江隧道橫斷面及平面圖、縱斷面圖見圖1、圖2。
圖1 南京應天大街長江隧道橫斷面及平面圖
圖2 南京應天大街長江隧道縱斷面圖
1.1.1 監(jiān)測區(qū)段布置
南京應天大街長江隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)共設置監(jiān)測區(qū)段12處,左右對稱,其中50 m 區(qū)段4處,100 m 區(qū)段6處,150 m 區(qū)段2 處。區(qū)段內每50 m 設置1 處多測點監(jiān)測斷面,斷面間每隔5~8 m 設置1處環(huán)縫測點,每25 m 考慮1 處差異沉降測點,如表1、圖3 所示。
圖3 監(jiān)測區(qū)段平面分布圖
表1 監(jiān)測區(qū)段一覽表
1.1.2 測點分布情況
合計考慮8 項監(jiān)測項目,各監(jiān)測項目測點布置如表2、圖4 所示。合計采用測縫計290支,應變計138支,傾斜儀24支,靜力水準儀60支,三向加速度計1支。
圖4 測點分布橫斷面
表2 監(jiān)測項目測點布置
1.1.3 系統(tǒng)架構
12 處監(jiān)測區(qū)段分別設置現(xiàn)場采集站,屏蔽電纜將傳感器信號傳輸至采集站,采用光端機進行信號轉換后通過主光纜傳輸至監(jiān)控中心。
系統(tǒng)架構見圖5。
圖5 系統(tǒng)架構
1.1.4 系統(tǒng)實施
健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器主要分布在行車層、電纜通道、逃生通道。傳感器分布情況見表3,隧道內部艙室見圖6,各種儀器安裝圖見圖7。
圖6 隧道內部艙室
圖7 各種儀器安裝圖
表3 傳感器分布情況(支)
系統(tǒng)安裝完畢后,進行通電、通訊調試。在此過程中,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)異?,F(xiàn)象,主要問題包括:
(1)數(shù)據(jù)在量程內小幅波動。傳感器讀數(shù)在量程范圍內,但數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,測縫計2 次讀數(shù)差值小于0.5 mm,應變計2 次讀數(shù)差值小于100 μm/m。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖8 所示形態(tài)。
圖8 數(shù)據(jù)在量程內小幅波動曲線
(2)數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動。數(shù)據(jù)均在量程范圍內,但數(shù)據(jù)波動幅度較大,測縫計2 次讀數(shù)差值大于等于0.5 mm,應變計2 次讀數(shù)差值大于等于100 μm/m。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖9 所示形態(tài)。
圖9 數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動典型曲線
(3)數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點。傳感器大部分數(shù)據(jù)穩(wěn)定且在量程單位內,但偶爾出現(xiàn)超出量程異常點且不持續(xù),數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖10 所示形態(tài)。
圖10 數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點典型曲線
(4)數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點。傳感器部分時間數(shù)據(jù)穩(wěn)定且在量程單位內,但頻繁出現(xiàn)超出量程異常點且不持續(xù),有時異常點的讀數(shù)較為統(tǒng)一。數(shù)據(jù)變化曲線呈現(xiàn)出如圖11 所示形態(tài)。
圖11 數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點典型曲線
(5)數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍。傳感器穩(wěn)定讀數(shù)一段時間后跳躍至另一位置繼續(xù)讀數(shù),隨后再次返回原位置讀數(shù),呈現(xiàn)出反復跳躍的曲線形態(tài)。數(shù)據(jù)變化曲線如圖12 所示。
圖12 數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍典型曲線
(6)數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動。傳感器數(shù)據(jù)超出量程,且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,波動特征明顯。數(shù)據(jù)變化曲線如圖13 所示。
圖13 數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動典型曲線
不同類別異常傳感器數(shù)量統(tǒng)計見表4、圖14。合計異常傳感器47支,占全部傳感器的6.86%。其中出現(xiàn)頻率最高為數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動,共15支,占異常傳感器的32%;最少為數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍,共3支,占異常傳感器的6%。
表4 數(shù)據(jù)異常曲線類型統(tǒng)計
圖14 數(shù)據(jù)異常曲線類型及占比
(1)應按照監(jiān)控中心、采集站、線纜、傳感器的順序開展調試。
(2)除明確的傳感器安裝問題外,不應觸碰已安裝傳感器。
(3)傳感器安裝問題調試過程中應避免影響相近傳感器。
(4)DT 調試過程中,應盡量保持其余傳感器數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。
(5)調試前做好傳感器數(shù)據(jù)備份。
(6)調試后應連續(xù)讀取多組數(shù)據(jù)以判斷調試手段是否有效。
調試作業(yè)按照監(jiān)控中心、采集站、線纜、傳感器的順序開展。
監(jiān)控中心調試內容包括曲線形態(tài)分析、數(shù)據(jù)轉換算法復核。監(jiān)控中心調試邏輯圖見圖15。
圖15 監(jiān)控中心調試邏輯圖
采集站調試內容包括延時采集、DT 電源切換、電阻測試、DT 接口插拔、通道切換、DT 模塊更換等。采集站調試邏輯圖見圖16。其中延時采集指調整相鄰2 支傳感器采集間隔,增加5 s 緩沖以提高DT 采集波峰的準確性。
圖16 采集站調試邏輯圖
線路調試內容包括電阻測試、線纜完整度觀察等(見圖17)。
圖17 線路調試邏輯圖
傳感器安裝調試內容包括傳感器緊固、線圈除塵,見圖18?,F(xiàn)場調試情況見圖19。
圖18 傳感器調試邏輯圖
圖19 現(xiàn)場調試
全部47 支異常傳感器中采用延時采集措施恢復傳感器9支,采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器14支,切換通道措施恢復傳感器4支,其余20 支考慮為電磁干擾影響,采取屏蔽措施。
(1)數(shù)據(jù)在量程內小幅波動。該類型7 支異常傳感器中,采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器5支,其余2 支考慮電磁干擾,采取屏蔽措施。
(2)數(shù)據(jù)在量程內大幅跳動。該類型15 支異常傳感器中,采用延時采集措施恢復傳感器5支,采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器5支,切換通道措施恢復傳感器1支,其余4 支考慮電磁干擾,采取屏蔽措施。
(3)數(shù)據(jù)在量程內不同位置往復跳躍。該類型3 支異常傳感器中,采用延時采集措施恢復傳感器3 支。
(4)數(shù)據(jù)少量出現(xiàn)超量程異常點。該類型合計10支異常傳感器,全部考慮剔除異常數(shù)據(jù),補充電磁屏蔽措施。
(5)數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)超量程異常點。該類型6 支異常傳感器中,采用延時采集措施恢復傳感器1支,采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器2支,剩余1 支考慮電磁干擾,采取屏蔽措施。
(6)數(shù)據(jù)在量程外無規(guī)律波動。該類型6 支異常傳感器中,采用重新固定傳感器、線圈除塵措施恢復傳感器2支,切換通道措施恢復傳感器3支,剩余1支考慮電磁干擾,采取屏蔽措施。
經過調試后,數(shù)據(jù)曲線變化情況如圖20~22 所示。
圖20 切換通道數(shù)據(jù)恢復曲線
圖21 重新固定傳感器、線圈除塵數(shù)據(jù)恢復曲線
圖22 延時采集數(shù)據(jù)恢復曲線
(1)應注重提高傳感器固定方式的可靠性。本次調試過程中約12 支傳感器采用重新緊固措施后恢復正常,說明固定不牢對傳感器數(shù)據(jù)的影響較大。
(2)傳感器安裝位置如有高壓線等電磁干擾源,應采取有效的屏蔽措施。本次調試過程中,出現(xiàn)約20支數(shù)據(jù)異常傳感器采用常規(guī)手段難以恢復,采用電磁干擾屏蔽后數(shù)據(jù)明顯改善。
(3)DT 的讀數(shù)間隔可適當增大,從而提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。一般而言,傳感器數(shù)據(jù)采集間隔往往以毫秒計,振弦波峰難以捕捉的現(xiàn)象時有發(fā)生。本次調試過程中采用延時采集措施恢復了約4 支傳感器,因此,在條件允許時,應增加DT 的讀數(shù)間隔。
(1)根據(jù)水下隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線特征將其異常形態(tài)劃分為6 種類別。
(2)針對不同曲線異常形態(tài),明確儀器調試應按照監(jiān)控中心調試、采集站調試、線路調試及傳感器調試的步驟開展。
(3)傳感器數(shù)據(jù)異常的主要原因包括傳感器松動、線圈染塵、電磁干擾、DT 通道故障、DT 波峰捕捉異常等。
(4)在數(shù)據(jù)異常的修復中,緊固傳感器、線圈除塵、切換通道、延時采集等手段具有一定的效果。