对重大工程结构的结构性能进行实时的监测和诊断，及时发现结构损伤，评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率、保障人民生命财产安全有极其重大的意义。这已经成为现代工程越来越迫切的要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域。结构健康监测系统可以实时采集反结构服役状况的相关数据，采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度，及时有效地评估结构的安全性，预测结构的性能变化并对突发事件进行预警，因而可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律。结构健康监测系统是保障大型工程结构安全的有效手段之一。

结构健康监测应用了无损结构监测技术、有限元建模技术、计算机信息技术、智能传感器系统等先进技术，实现了结构损伤监测，对结构出现的损伤进行定性、定位、定量分析，并提出维修建议，实现结构完工后的安全验证测试，对结构突发事件之后进行寿命评估，监测所得的大量数据，可供设计人员参考，为今后设计建造提供依据。因此，结构健康监测具有重大的经济价值和深远的社会效益。

（1）隧道结构健康监测的设计原则

设计隧道结构监测系统时，需要综合考虑系统的功能要求，并结合项目本身的特点，满足结构安全和可靠的原则来进行系统设计。图6-5显示隧道结构健康监测、诊断和评价的流程。

图6-5　隧道结构健康监测流程图

隧道结构健康监测系统设计，如何确定监测断面的数量和位置是很复杂的问题，需要根据很多的综合因素来判断。其中一个重要的制约因素就是监测断面和监测点数量的争夺会明显增加传感器数量，导致系统硬件成本大幅增加。另外，部分传感器需要考虑施工阶段和运行阶段共用情况，选取的断面和测点数量亦能满足结构寿命周期内掌握更多的数据变化趋势及规律。

①满足安全性评价，在风险概率大、风险后果严重、监测等级较高的区段，其监测断面数量和间距，以项目实际情况确定，在条件允许的情况下，设置具备相互印证数据的连续断面，具备冗余设计。

②为反馈设计，评价支护参数合理性，了解支护结构的受力状态，应选择具有代表新的区段设置监测断面。

③选择特殊地层、特殊结构形式或易发生结构变异的断面进行监测布置，例如断层破碎带、风化槽等，应在断层上，下盘，风化槽内、外分别设置监测断面。

④选择结构构造及受力复杂、理论分析难以准确确定其真实应力状态的区域断面。

⑤根据目前隧道中出现的问题，需要开展专项研究的区段断面。

⑥隧道结构承受的荷载随着时间变化较明显的区段，例如围岩蠕变效应，应设置监测断面。

⑦隧道结构断面变化处、隧道开挖工法变化较大处、地层条件变化较大的区段设置监测断面。

⑧应力较大的隧道最大埋深处及进、出水口水流条件变化处应设置监测断面。(www.daowen.com)

⑨监测项目尽量布置在断面中的同一位置，便于监测结果相互对照和验证。

⑩施工期监测断面和运营监测断面应尽量共享，减少监控成本。

（2）隧道结构健康监测系统

隧道结构健康监测系统主要包括传感器系统、数据采集系统、数据管理系统、安全性评价与对策系统四部分，如图6-6所示。

图6-6　隧道结构健康监测系统图

健康监测系统数据资料类型主要包括：①工程基础资料，包括工程概况、设计资料、工程地质水文地质资料、施工资料、监测报告等。②隧道施工阶段调查资料，包括塌方调查、支护结构裂缝调查、渗漏水调查、保护层厚度调查等。③隧道施工期监测资料，包括位移、应力应变及温度、接触压力和水压力、钢筋腐蚀等监测，将每个断面和测点的监测情况存储在数据库中。④隧道运营期监测资料，包括位移、应力应变及温度、接触压力和水压力、钢筋腐蚀、加速度等监测，将每个断面和测点的监测情况存储在数据库中。

（3）健康评价与对策系统

健康评价与对策系统是结构健康监测系统的重点与难点所在。其目的是如何根据实际监测数据和信息客观地评估隧道结构的健康状态，为设计、施工、维护提供依据，实现工程信息化和数字化。流程如图6-7所示。

图6-7　隧道结构健康评价流程图

（4）隧道健康评估判定

此部分包括两种功能：隧道结构健康程度评估和判定、判定基准设置。

①隧道结构健康程度评估和判定。通过每日监测数据计算，对照控制基准值，得出位移、应力、水压、钢筋腐蚀等结构变化参数，结合健康评定计算模式，评估结构健康级别，判断结构健康状态。

②判定基准设置。当采用程序中原设计的控制基准和管理等级无法精确判定本工程稳定性时，可对原设计的控制基准值进行修订，从而使软件合适本隧道的结构安全和健康状态判定。