无线传感器网络地铁隧道结构监测挑战

（一）工作环境

上海地区的地铁隧道主要采用盾构法施工，地铁隧道处于典型软土地层中，建成后，在自重以及上覆土重力作用下极易发生不均匀沉降，导致隧道内错台产生。上海地区地下水位高，隧道结构整体位于地下水位以下，管片接头位置和结构本身存在的初始缺陷位置以及施工过程造成的结构微损伤位置，都面临着严重的渗漏水威胁。地铁隧道结构受到内部列车往复通行影响，循环振动荷载会导致管片接头地张开和管片本体裂纹的产生，大大加快隧道结构的老化过程。以上因素的影响，并不是单独作用，而是耦合存在，不均匀沉降造成的错台，振动造成的接头张开和裂纹都会形成渗漏水的路径，加速渗漏水发生，同时，地下水的进入会导致混凝土结构和接头螺栓构件的腐蚀，性能退化，使其对振动荷载和不均匀沉降的抵抗能力下降，这又加速接头张开，裂纹以及错台的产生。矿山法适用于地质条件较好的区域，在北京、广州的地铁建设中均有采用，矿山法地铁隧道，同样受到列车运行振动和渗漏水的双重威胁。由于隧道结构是锚喷支护而成一个整体，在地铁长期运营过程中，隧道的薄弱环节难以预测，由于二衬的存在，隧道初支的损坏不易察觉，给运营期的监测方案选择和监测点布置带来困难。

（二）鲁棒性

地铁隧道内的恶劣环境会对仪器的正常运行造成严重影响，因此，要求无线传感器系统具有较好的鲁棒性，可以长期稳定运行。这就对仪器材料和设计的耐久性提出了高要求，仪器须具有良好的抗震性能，能抵抗列车通行造成的循环振动影响；同时要具有良好的密封防潮和耐腐蚀性能，能承受结露、渗漏，甚至浸泡的影响。

（三）信号传播

隧道内空间的几何特征和隧道内壁表面平整度会对无线信号的传播产生影响。地铁隧道为圆筒状结构，纵向为曲线形延伸，盾构隧道管片上存在大量预留孔洞，信号在隧道内部的传播、折射，衰减方式与外部空间不同；隧道内部空间中安装了大量设备构件，同时，每天大部分时间都有列车在隧道内频繁运行，会对信号的传播造成阻隔。因此，传感器节点和中继节点之间的通信以及中继节点和基站之间的通信，需大量研究测试，并依此改进网络组织形式和多跳的路径选择。

（四）节点位置和数量

盾构隧道结构由弧形的管片拼装而成，且管片上布设有螺栓孔、手孔和注浆孔，为完整把握整个结构的性能演化过程，在保证经济性同时，需针对隧道结构特征，对管片上传感器节点的布设位置以及满足测量要求所需的最小传感器数量，进行专门研究，以达到最优的布置形式。

（五）测量参数

当前在桥梁结构上应用的主要传感器类型是应变式传感器和加速度传感器，而在隧道中有渗漏水的存在，同时，隧道结构与周围土体存在相互作用，(www.xing528.com)

除了应变和加速度，还需要根据结构特征，选取合适测量参数，以全面感知结构状态，准确识别结构损伤。

（六）时间同步

长跨桥梁和大型建筑上无线传感器的数据采集，当前主要利用GPS信号进行时间同步，隧道作为埋藏在地下的封闭空间，长距离范围内布置的多个传感器节点，无法采用外部信号进行联系，而传感器节点之间的时间同步对于实时分析和判定至关重要，是必须考虑的问题。

（七）电量供应

地铁隧道是城市的交通命脉，安全级别高，同时，列车运行时间长，频率高，进入隧道的时间和人员限制严格。传感器布置后，电池难于更换，且无法像外部结构一样用太阳能供电，当电量消耗殆尽，节点就失去作用，因此，传感器节点硬件、软件、工作模式和通信协议的设计都要以节能为前提，最大限度延长节点寿命。

（八）损伤识别算法

地铁隧道建成后，由于地铁隧道结构埋于地下，结构与土体及地下水存在相互作用，根据测量信息对其进行损伤探测识别，更加复杂难辨。隧道为超长线状结构，结构纵向并无明显受力薄弱点和易损点，难以预测破坏发生位置。当前的学者提出的多种损伤识别算法，只在桁架或简单的梁结构中进行过成功验证，对于地铁隧道结构还鲜有应用。因此，针对地铁隧道结构及环境特征，对现有的损伤识别算法进行改进，是必须面对的挑战，也是极有意义的工作。

地铁隧道结构是整个城市的交通命脉，其重要性毋庸置疑，任一节点损坏，都会波及整个地铁网络，进而影响整个城市交通。无线传感器网络与传统有线监测方式相比，可以克服传统有线监测方式的诸多弊端，在仪器安装、数据测量、状态评估、成本控制等多方面都具有明显的优势，为健康监测工作提供了便利，是今后结构健康监测的发展方向。然而，由于地铁结构本身和运行环境的复杂性，专门针对无线传感器网络在城市地铁隧道结构性能智能监测方面的应用研究还非常少，在桥梁及地面建筑结构监测中已取得的一些研究成果，并不能直接地铁隧道结构监测中进行应用。因此，无线传感器网络在地铁隧道工程中的应用，进一步的研究应集中在以下几个方面：①针对地铁隧道环境进行传感器节点测量和封装模式研究，保证传感器节点在地铁隧道内长期稳定运行；②针对地铁隧道环境进行无线传感器网络系统架构和拓扑结构研究，保证无线传感器网络在地铁隧道内通信路径畅通；③针对地铁隧道结构进行病害特征和破坏机制研究，确定结构薄弱环节和易损位置，进而确定传感器节点部署位置和数量；④针对地铁隧道结构及环境特征进行损伤识别算法研究，根据测量数据，自动识别定位损伤；⑤针对地铁隧道整体健康状况进行健康评估体系研究，提出结构损伤量化指标和预警指标，实时评估地铁隧道健康状况。

综上分析，需要深刻认识无线传感器网络在地铁隧道结构监测中面临的挑战，进行专门的研究和测试，尽快实现应用，为地铁交通安全运行保驾护航。