隧道在施工和使用过程中，因地质条件变化、结构失稳及退化等问题必然会带来安全隐患。如何保障隧道的安全施工和运营？安全物联网的应用给隧道的运营和管理带来了新方向。
01隧道安全背景
据我国交通运输行业发展统计公报提供的数据显示，截至2016年底，我国大陆运营公路隧道15181座、14039.7km。研究人员对其中6000多座进行检测分析，约有1/3的隧道存在衬砌结构裂缝和渗漏水等病害，对隧道整体结构的稳定性造成不同程度的破坏。因此，建立隧道结构安全自动化监测系统，对隧道工程进行监测，评估和预测以趋利避害，成为了现代隧道工程发展的迫切需要。02隧道工程常见病害
隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀。各种病害并不是单独作用，常常是几种情况共同作用。
渗漏水、积水等会造成隧道衬砌开裂或使原有裂缝发展变大。衬砌裂损病害主要表现为衬砌的变形、开裂和错台，而衬砌一旦开裂，将会给地下水打开一条外渗的通道，引发隧道严重水害。在寒冷地区，水是影响隧道围岩冻胀的重要因素，衬砌水害严重，必然导致冻害严重。
寒冷地区的铁路隧道如果围岩含地下水，就会产生隧道冻害。冻害的循环发生，使衬砌混凝土再产生开裂、变形，导致衬砌承载力降低，同时在春、夏季，冻害部位开始解冻，此时被冻结的冰融化成水，水就会“寻找”通路，致使衬砌产生渗漏水。
地下水的侵蚀将致使衬砌的有效厚度减薄，承载力降低，安全可靠性减小，随着病害的持续发展，最终导致衬砌结构失稳破坏。
03隧道安全检测监测技术
目前常用的隧道检测监测技术主要以人工为主，即依靠人眼检测以及人工仪器检测，这两种方法的优点是技术成熟可靠，但对检测人员要求较高，检测时间长，且检测人员的安全作业难以保证。同时人工检测具有较大的主观性，即使经验丰富的检测人员也难以保证检测结果的完整性与准确性。随着检测工作量的不断增大，人工加仪器的方式越来越难以满足检测的需求。
目前隧道检测新技术可以分为 4 类: 传感器检测监测技术、数字照相检测监测技术、激光扫描检测技术、手持式病害记录技术。
1、传感器技术
在隧道中主要应用有4种：电阻式传感技术、振弦式传感技术、MEMS传感技术、光纤传感技术。
（1）电阻式传感技术：把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器；
（2）振弦式传感技术：以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小，通过相应的测量电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号。
（3）MEMS传感技术：利用传统的半导体工艺和材料，用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术。
（4）光纤传感技术：利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感技术。
2、数字照相技术
利用数字相机或摄像机采集隧道表面图像，利用图像处理技术可以检测隧道渗漏水和裂缝。相对于传统方式，可以采集图片信息，信息量更丰富，利用图像识别技术更是可以获取精确的病害信息，如渗漏水边缘信息甚至是裂缝宽度。
3、激光扫描技术
利用激光扫描仪得到隧道内表面点云数据，利用点云数据，判断隧道结构变形状态，如结构收敛变形等，目前利用地面三维激光扫描技术对地铁隧道进行收敛变形监测，从地铁隧道数据采集、三维模型建立、数据处理、成果输出等几个方面来看，三维激光扫描技术是一种高效的地铁隧道收敛变形监测手段; 也可以利用扫描点反射率数据得到隧道内表面图像，从而获取隧道渗漏水、衬砌掉块与剥落、裂缝等病害信息。
4、手持式病害记录技术
人工巡检的辅助技术，巡检人员可以利用记录仪记录巡检的病害信息，记录仪保存有隧道内表面展开图，检测人员可以将发现的病害记录在内表面展开图上，并且可以利用记录仪上的图像采集工具获得病害图像，记录仪采用专用符号记录病害数据，这样便于后期的数据处理和参考。
04基于安全物联网的隧道结构安全监测云平台
目前的隧道结构稳定性监测缺少系统性的平台支撑，无法实现对隧道结构安全的全面感知、实时在线监控和及时的在线预测预警。而安全物联网技术，是从系统化思维出发，通过建设安全物联网监测云平台，实现隧道结构体的决策“大脑”的建设，全面掌控隧道健康安全。
安全物联网隧道监测系统，一般分为四层结构：感知层、传输层、数据分析层和应用层。其中感知层和传输层，又可以统称为物理层，实现数据采集和数据传输到云平台。数据分析层也可以称为信息层，实现对采集到的数据进行存储和分析，为应用层做数据支撑。应用层一方面完成数据的管理和数据的处理，另一方面实现数据与隧道安全结构相关的行业应用相结合。主要实现信息展示、人机交互、系统管理和配置管理等功能，达到人员对隧道结构安全的管理和信息识别。
安全物联网的优势
使用无线通信技术取代传统有线连接方式，减少部署的线缆，并采用终端控制整个系统的信息通信、数据传输和结果展示，便于整体监测任务的执行和隧道结构安全稳定性的预测预警，整个监测过程无需人工干预。
系统还能采用自调度的监测模式，实时调节系统的采集状态，有效减少冗余监测，降低系统能耗，延长生命周期。同时，该系统的研究以及使用在病害处治方面应做到精准发力、高效便捷和持久耐用，对于提高隧道的设计构造、监测预警和维护管理都具有一定的借鉴意义。
