具备“自感应能力”的智能管片，实现从运输、拼装到运维的全生命周期监控！

小编语

为了能够保持对在建隧道整体情况的监控，施工团队通常会在管片衬砌表面安装监测设备。 随着感应器技术和自感应材料的发展，一些研发团队提出了直接将感应设备预制在管片内的设计思路，以实现从运输、拼装到运维的全生命周期监控。一起了解一下吧！

应用背景

在隧道施工中，为了能够保持对在建隧道整体情况的监控，施工团队通常会在管片衬砌表面安装监测设备；监测设备的安装一次可能需要持续数小时，增加了隧道项目的成本和复杂性。同时，在建期间的监测设备在完工后还需要拆除，进一步加大了监测设备所消耗的时间和成本。

正在安装衬砌监测设备的施工人员

（英国Crossrail隧道）

为解决这一问题，一些研发团队提出了建造智能管片的设想，通过让管片本身具备数据采集、数据处理、数据发送的能力，省去建设过程中的监测设备安装过程；同时，智能管片还能提供从运输阶段到建成后的运维阶段的全生命周期监控。

每块管片都是一个集成传感器

目前，智能管片的实现方法主要分为两种：一种是直接在管片内预埋设传感器和数据处理装置；另一种则是在管片上浇筑一层“自感应材料”，通过分析“自感应材料”的变化实现监控效果。

预埋式监测单元

预埋式监测单元或称嵌入式监测单元的设计概念是将传感器、数据处理装置全部集成在管片内，从而避免了施工期间的设备安装和施工完成后的设备拆卸。

西班牙检测设备供应商Worldsensing的嵌入式监测单元设计

Worldsensing的嵌入式监测单元采用了一系列设计来改进监测效果，例如使用加固聚合物外壳和绝缘树脂来保护电子元件；数据发送的天线纵向放置在外壳内，因此不会形成突起。

双重保护的电子元件

该设备可以在隧道的施工，机电安装和后期运维阶段持续提供数据。理论上，传感器可以在混凝土固化过程中就开始工作提供数据，所以施工团队甚至可以在管片投入项目之前就能评估其状态。

后期维护

整个系统的核心单元放置在非常靠近管段表面的位置。如果需要对设备进行后期干预，可以凿掉表面一层混凝土，露出记录器盖子，以便进行维护。

配合物联网使用

通过配合物联网技术，可以将每一片管片内的传感器数据集合起来进行统一分析，以此获取隧道整体情况；同时，每片管片都有各自的传感器也可以帮助施工和维护人员快速找到出现问题的区域。

自感应材料

英国COWI公司正在联合思克莱德大学研发一种铺设在隧道衬砌表面的自感应材料。这种自感应材料是一种胶结材料，在管片浇筑完成后，通过3D打印铺设在管片衬砌的表面，成为管片的“感应层”。

这种胶结材料在感受到管片混凝土发生变形、裂纹与性质变化时会发出相应的电信号，这种电信号会被无线传感器模块接收，告知养护人员衬砌的应力变化情况。

另一种设计思路是直接利用导电填料来构建自感应水泥基复合材料，并用这种材料来制造管片，但用自感应复合材料的生产构件通常是一个复杂的多步骤过程，需要专门的设备来保证导电填料的分布状态。

自感应水泥基复合材料构件测试

3D打印是生产自感应水泥基复合材料构件的有效方式，可以让导电填料在构件内的精确定位，控制其位置和排列方式，以提供更灵敏的监控效果。

本文内容整理自网络

供稿、编辑&排版：GDY

审校：Jacob