用于地铁隧道裂缝与泄漏自主监测的现场验证无线垂直石墨烯传感器

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Field-validated wireless vertical graphene sensors for autonomous crack and leakage monitoring in metro tunnels

　　

摘要：在实际运营隧道中对裂缝演化与水渗漏进行同步、自主监测仍然是一个挑战，尤其是在非侵入式安装约束条件下。本研究提出了一种物理引导的垂直石墨烯（VG）传感框架，用于对这两种劣化过程进行连续、定量的监测。研究开发了一种VG应变传感器，并使用基于岛—桥导电网络内微裂纹演化的、具有物理可解释性的三阶段电阻—应变本构模型对其进行表征。同一VG基传感原理被拓展应用于渗漏监测，通过引入一种高吸水性聚合物（SAP）层，将水分渗入转化为形变引起的电阻变化。实验室测试表明，在单调加载、循环加载和持续加载条件下，传感器具有稳定的传感响应，迟滞量有限且基线漂移较小。传感组件与低功耗Sub-GHz无线平台集成，可在狭小隧道环境中实现连续、无电缆的数据采集。在一条运营地铁隧道中的三个月现场部署验证了该框架的现场适用性，成功捕捉到准静态裂缝演化，包括约0.53 mm的裂缝张开，并定量测量了约1 mL/天的低速率渗漏。通过将电阻测量值转化为具有物理可解释性的工程量（包括裂缝张开位移和渗水量），该框架为定量隧道评估提供了连续的状态信息，并为未来基于状态的维护规划提供支持。这些结果证明了非侵入式无线VG传感技术在运营隧道监测中的可行性，但仍需更长期、多地点的验证以评估其耐久性和更广泛的适用性。

引言

裂缝扩展和水渗漏是影响地下隧道基础设施的最关键的劣化过程之一，特别是对于那些经历长期服役条件的运营地铁系统而言（Ye等，2021；Huang等，2022；Zhu等，2019）。服役中的隧道在复杂的环境和加载条件下运行，具有高湿度、循环列车荷载以及有限的可达性等特征，所有这些特征都使检查和维修活动变得更加复杂（Yuan等，2012；Domaneschi等，2020；Bianchi等，2025）。传统检查实践主要依赖周期性人工调查，因此是不连续的、劳动密集型的，且无法提供结构状态的实时信息（Wang，2008；Hassani和Dackermann，2023），从而限制了运营隧道中初始损坏的及时检测。因此，劣化的早期发现和隧道状态的可靠评估仍然是一个挑战。

为解决这些局限性，结构健康监测（SHM）系统已被越来越多地应用于地下基础设施（Bhalla等，2005；Aktan等，1998；Li等，2016a；Li等，2016b）。现有的传感技术，包括电阻应变计和光纤传感器，已证明其在捕捉结构响应方面的有效性（Guo等，2019；Merzbacher等，1996）。然而，由于安装、维护和耐久性的限制，这些技术在运营隧道中的部署仍然具有挑战性（Bhalla等，2005）。有线监测系统通常需要大量布线，这在狭小的地下空间中，尤其是长距离情况下，安装和维护都比较困难（Cacciuttolo等，2024；Zhang等，2023）。此外，其持续性能也可能受到水分渗入、腐蚀和循环加载条件的影响，从而限制了传感系统在运营隧道环境中的耐久性和可扩展性（Zhang等，2020；Zhu等，2019）。此外，许多现有传感系统被设计为仅监测单一劣化过程，如裂缝演化或水渗漏，而非在运营条件下同时监测这两种过程。这些局限性凸显了对非侵入式、无线且连续运行的监测系统的迫切需求，该系统能够在实际服役条件下提供可靠的定量信息。

基于纳米材料的传感技术近期取得了新进展，为开发高灵敏度和柔性传感器用于基础设施监测创造了新的机遇（Yao等，2020；Godja和Munteanu，2024；Darwish等，2024）。在这些技术中，基于石墨烯的应变传感器因其出色的电导率、机械柔韧性和高应变因子而备受关注，使其能够检测与裂缝萌生和扩展相关的细微形变（Kong等，2024；Neilson等，2023；Yuan等，2025）。已有多种具有不同敏感度和工作应变范围的石墨烯基传感器被报道（Liu等，2022）。然而，大多数现有研究侧重于材料表征或实验室规模的验证，而相对较少关注系统级集成、无线封装和运营隧道中的现场部署。此外，尽管裂缝监测已被广泛研究，但对水渗漏——一个同样重要的劣化过程，可能加速钢筋腐蚀和衬砌劣化——的连续监测则受到相对较少的关注。只有少数近期研究在隧道环境中探讨了定量渗漏监测（Yang等，2024）。计算机视觉（CV）和深度学习近期的进展也使隧道衬砌缺陷的自动化检查成为可能，通过基于图像的分析实现可见裂缝的高效大规模检测和定位（Xu等，2024；Hsieh和Tsai，2020；Duan等，2025）。然而，这些方法主要表征表面形貌，且通常依赖周期性光学检查，使其不太适合连续监测结构形变和渗漏演化。因此，基于视觉的检查与基于传感的监测应被视为隧道状态评估的互补组成部分，将大范围空间覆盖与连续、定量的物理测量相结合。为进一步明确代表性隧道缺陷监测技术在工程中的作用和互补能力，表1提供了对比总结。

如表1所述，代表性隧道缺陷监测技术为隧道状态评估提供了互补能力，而非直接竞争的功能。这些技术可大致分为三类：基于视觉的检查、传统有线传感和无线传感。基于视觉的检查提供了对可见缺陷的高效大面积定位和形貌表征。例如，DSYOLO模型在隧道裂缝分割任务中达到了81.3%的精确率和80.1%的召回率（Duan等，2025）。传统有线传感，以光纤布拉格光栅（FBG）和分布式光纤传感（DFOS）为代表，能够实现结构变形的精确点测量或分布式监测。FBG传感的现场应用表明其具备在较长监测期内量化接头变形的能力（Hong等，2016；），而DFOS则能在长距离上提供连续的应变轮廓（Hong等，2017；Soga和Luo，2018）。基于VG基应变传感（Hong等，2023）和隧道渗漏传感（Yang等，2024）的最新进展，本研究提出的框架将这些传感原理整合到统一的无线系统中，用于对裂缝演化和水渗漏进行连续、定量的监测。现场部署在三个月监测期内捕捉到最大裂缝张开约0.53 mm、最大裂缝闭合约0.18 mm以及约1 mL/天的低速率渗漏。因此，这些监测方法应被视为集成隧道状态评估策略的互补组成部分，而非竞争替代方案。尽管取得了这些进展，在统一的可现场部署传感框架中实现对裂缝演化与水渗漏的连续、同步、定量监测仍然具有挑战性。本研究要解决的关键科学问题因此是：在非侵入式安装约束条件下，如何在运营地铁隧道中连续、定量地监测这两种劣化过程。为解决这一问题，本研究开发了一种无线垂直石墨烯（VG）传感框架，通过共同的电阻基传感原理整合裂缝与渗漏监测。本研究的主要贡献如下：

(1) 建立了一个由微裂纹演化控制的、具有物理可解释性的三阶段电阻—应变本构模型，用于描述VG传感网络的压阻响应，为定量裂缝监测提供物理引导的基础。

(2) 开发了一种结合高吸水性聚合物（SAP）层的VG基渗漏传感机制，将水分渗入转化为形变引起的电阻变化，从而在相同的传感框架内实现定量渗漏监测。

(3) 通过三个月的运营地铁隧道现场部署评估了集成传感框架的现场适用性，实现在实际服役条件下对裂缝演化与水渗漏的连续无线监测。

在本研究中，自主监测是指在低功耗运行支持下，在实际服役条件下进行连续数据采集、基本信号处理和无线传输，而无需常规人工干预。该框架为隧道评估提供了连续和定量的状态信息，并与适当的工程阈值和决策标准结合后，可支持未来基于状态的维护规划。

段落摘要

通过RF-PECVD和基底转移的传感器制备

垂直石墨烯（VG）采用射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）技术合成在单晶硅基底上，以甲烷（CH?）作为碳源前驱体，氩气（Ar）作为载气，氢气（H?）作为等离子体活化剂（Li等，2016a；Li等，2016b；Yeh等，2019）。为获得柔性传感元件，将生长后的VG层转移至聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上。PDMS预聚体与固化剂混合……

应变传感子系统：机电表征

使用配备同步电阻采集装置的万能试验机对VG应变传感器进行静态和动态机电表征，如图3所示。传感器条安装在加载夹具之间，在受控拉伸加载过程中连续记录电阻信号。

实验装置

为评估VG应变传感器在混凝土中定量裂缝监测的性能，对开缺口混凝土梁进行了三点弯曲试验。试件尺寸为150 mm × 150 mm × 550 mm，跨中处设有预制缺口以促进在预定区域内裂缝的萌生和扩展。该构型提供了可控的裂缝定位，并使VG传感器与参考测量系统之间的直接对比成为可能。一种高精度……

部署配置与非侵入式安装策略

为评估集成传感框架在实际运营条件下的性能，系统被部署在里程K40至K43之间的地铁隧道段。监测段穿越非均质地层，包含盾构区间和矿山法区间，代表了城市地下基础设施中常见的结构和地质复杂性。监测位置通过目视检查选定，针对已有的……

VG传感框架的物理解释与适用性

所提出的框架通过共同的应变介导压阻机制整合裂缝和渗漏监测。对于裂缝监测，结构形变直接传递到VG/PDMS传感层，其中应变引起的层间接触变化、导电桥连续性和隧穿距离变化产生可测量的电阻变化。对于渗漏监测，水分渗入首先通过SAP膨胀和薄膜弯曲转化为机械形变……

结论

本研究开发并在现场验证了一种用于运营地铁隧道中裂缝演化与水渗漏连续同步监测的无线垂直石墨烯传感框架。该框架在一个统一的监测架构中整合了具有物理可解释性的VG压阻机制、三阶段电阻—应变本构模型、VG–SAP渗漏传感模块以及低功耗Sub-GHz无线通信。实验室研究表明……

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3807502）的资助；广东省人民政府通过广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515012410）的资助；以及深圳大学2035卓越研究计划（项目编号：2022B007）的资助。

CRediT作者贡献声明

舒源：撰写—初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化，撰写—审阅与编辑。程宇宏：监督，资源支持，项目管理，资金获取。

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作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告工作的结果。

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