城市综合管廊结构安全监测与预警技术研究

引言：城市综合管廊将电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。然而，由于管廊长期处于复杂的地下环境中，受到地质条件变化、周边施工扰动、自身结构老化等多种因素的影响，其结构安全面临诸多挑战。一旦管廊结构发生破坏，不仅会导致管线故障，影响城市的正常运转，还可能引发严重的安全事故，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，开展城市综合管廊结构安全监测与预警技术研究具有重要的现实意义。

一、城市综合管廊结构安全监测技术

1.1 监测内容

城市综合管廊结构安全监测主要包括变形监测、应力应变监测、裂缝监测、环境监测等方面。变形监测用于掌握管廊结构的位移、沉降和倾斜等变化情况；应力应变监测可了解结构内部的受力状态；裂缝监测能够及时发现结构的损伤情况；环境监测则涵盖温度、湿度、渗水等参数，这些环境因素会对管廊结构产生长期影响。

1.2 监测技术类型

1.2.1 传统监测技术

传统的监测技术如水准测量、全站仪测量等，具有精度高、可靠性强的优点，常用于管廊结构的变形监测。水准测量通过测量两点之间的高差来确定管廊的沉降情况；全站仪则可同时测量水平角、垂直角和距离，实现对管廊位移和倾斜的精确监测。但传统监测技术存在作业效率低、数据实时性差等缺点，难以满足大规模、长期监测的需求。

1.2.2 自动化监测技术

随着传感器技术、通信技术和计算机技术的发展，自动化监测技术逐渐应用于城市综合管廊结构安全监测中。常见的自动化监测传感器包括光纤光栅传感器、静力水准仪、倾斜仪、应变计等。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、可分布式测量等优点，可实现对管廊结构应变和温度的实时监测；静力水准仪用于监测管廊的沉降变化，具有高精度和长期稳定性；倾斜仪能够精确测量管廊的倾斜角度；应变计则可直接测量结构表面的应变。这些传感器通过数据采集系统将监测数据实时传输至监控中心，实现了对管廊结构的实时、动态监测。

1.2.3 遥感与地理信息系统（GIS）技术

遥感技术可通过卫星或航空影像获取管廊周边区域的地表变化信息，辅助判断管廊是否受到外部施工等因素的影响。GIS 技术则可将管廊的地理位置信息、监测数据、结构信息等进行集成管理，实现数据的可视化展示和分析，为管廊的安全管理提供决策支持。

二、城市综合管廊结构安全预警技术

2.1 预警指标体系

建立科学合理的预警指标体系是进行结构安全预警的基础。预警指标应涵盖管廊结构的变形、应力应变、裂缝发展以及环境参数等多个方面，并根据管廊的设计要求、使用年限、地质条件等因素确定各指标的阈值。例如，对于管廊的沉降变形，可根据设计规范和实际工程经验确定允许的最大沉降量和沉降速率阈值；对于结构应力，当监测值超过材料的屈服强度或设计允许应力时，应发出预警。

2.2 预警模型构建

2.2.1 阈值预警模型

阈值预警模型是最简单直观的预警方法，通过将监测数据与预先设定的阈值进行比较，当监测数据超过阈值时，触发相应级别的预警。该方法操作简单，但阈值的确定需要充分考虑各种因素，且无法反映结构性能的退化趋势。

2.2.2 统计模型预警

统计模型预警基于大量的监测数据，运用统计学方法建立监测指标与结构安全状态之间的关系模型。常用的统计方法包括回归分析、时间序列分析等。通过对历史监测数据的分析，确定监测指标的正常变化范围和趋势，当监测数据出现异常偏离时，发出预警信号。

2.2.3 人工智能预警模型

随着人工智能技术的发展，神经网络、支持向量机等算法逐渐应用于管廊结构安全预警中。这些算法能够自动学习监测数据中的复杂非线性关系，对结构的安全状态进行准确预测。例如，利用神经网络建立监测指标与结构损伤程度之间的映射关系，通过输入实时监测数据，输出结构的损伤评估结果和预警信息。

三、监测与预警技术应用案例

以某城市新建的综合管廊工程为例，该管廊全长 5 公里，采用自动化监测技术对管廊结构进行实时监测。在管廊关键部位布置了光纤光栅传感器、静力水准仪、倾斜仪等多种传感器，实时采集结构的应变、沉降、倾斜等数据，并通过无线通信网络将数据传输至监控中心。

在预警方面，建立了基于阈值预警和神经网络预警相结合的复合预警模型。首先根据设计规范和工程经验确定了各监测指标的阈值，当监测数据超过阈值时，触发初级预警；同时，利用神经网络算法对历史监测数据进行训练，建立结构安全评估模型，对管廊结构的安全状态进行实时预测。当神经网络模型预

测结果出现异常时，触发高级预警。

在管廊运行过程中，监测系统成功捕捉到一处管廊段的沉降异常变化。当沉降数据超过设定的阈值时，系统立即发出初级预警，同时神经网络模型也预测该段管廊结构存在潜在的安全风险，发出高级预警。管理人员根据预警信息及时组织专业人员对该段管廊进行现场检查，发现是由于周边施工导致管廊基础局部沉降。通过采取加固处理措施，避免了管廊结构的进一步损坏，保障了管廊的安全运行。

结论

城市综合管廊结构安全监测与预警技术是保障管廊安全运行的重要手段。通过综合运用多种监测技术，能够实时获取管廊结构的各项安全参数；构建科学合理的预警模型，可提前发现结构的安全隐患，为采取有效的维护措施提供依据。未来，随着物联网、大数据、云计算等技术的不断发展，城市综合管廊结构安全监测与预警技术将朝着智能化、集成化、网络化的方向发展。监测设备将更加小型化、智能化，数据传输将更加高效稳定，预警模型将更加精准可靠。同时，通过建立城市级的综合管廊安全监测与预警平台，实现对多个管廊项目的集中管理和协同预警，进一步提高城市基础设施的安全保障水平。

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