隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢

1、隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢1、 健康監(jiān)測的目的意義和必要性隧道安全關系著人類生命安全和社會經(jīng)濟活動，由于隧道地質(zhì)條件惡化、火災、結(jié)構(gòu)損傷、退化和失穩(wěn)等造成事故，嚴重威脅著隧道的正常運營，隧道施工的安全問題引起了人們的密切關注，主要表現(xiàn)在以下方面：1） 、隧洞開挖的進口段：由于隧洞都是淺埋隧洞，且都在邊坡，導致該段圍巖兩面臨空，加上爆破的影響導致圍巖自穩(wěn)能力下降，支護結(jié)構(gòu)受力存在一定的不確定性。2） 、構(gòu)造帶：由于圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，無規(guī)律性，圍巖的自穩(wěn)性能極差，圍巖多呈松散結(jié)構(gòu)，斷層帶的影響寬度不確定，加之水的影響，使得該段產(chǎn)生冒頂及垮塌的可能性加大。3） 、淺埋段：淺埋段隧道圍巖，

2、在碳酸巖地層受水體溶蝕的影響較大，加之圍巖頂板較薄，出現(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象可能性加大，加大了開挖及支護過程中的難度。4） 、巖溶發(fā)育段：由于巖溶發(fā)育地段很難查清巖溶的發(fā)育規(guī)模及范圍，在開挖及支護過程中增加了不確定因素。5） 、地層走向不利地段：由于巖層的走向及傾角對圍巖的自穩(wěn)性能影響較大（如水平巖層）。6） 、含軟弱夾層圍巖：由于夾軟弱夾層的圍巖，多會出現(xiàn)冒頂及垮塌現(xiàn)象。7） 、水影響段：由于水體的存在，多會對層間結(jié)構(gòu)面的力學指標有較大的不利影響，加之施工過程中對水體通道的改變產(chǎn)生的淘蝕作用，使得圍巖的自穩(wěn)定性能惡化。8） 、軟巖層（圍巖級別）：巖體自穩(wěn)定能力差，圍巖卡瓦暴露后崩解，遇水容軟化。9）

3、、含水層和相對隔水層交界處，而產(chǎn)生的突涌泥現(xiàn)象。由于有以上不良地質(zhì)情況的存在，增加了隧洞在施工期間及運營期間安全隱患。為了確保隧道工程安全，及時預報險情，除了對隧道進行加固、維護之外，對隧道工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)的監(jiān)測和評估也十分重要，家里監(jiān)測系統(tǒng)對隧道工程進行監(jiān)測，評估和預測以趨利避害，已經(jīng)成為了現(xiàn)代隧道工程發(fā)展的迫切要求。此外，隨著人們對工程施工過程和現(xiàn)役工程長期監(jiān)測的重要性認識的不斷深入，一級國家相關工程安全法規(guī)的實施，隧道工程監(jiān)測得到了迅速發(fā)展，成為隧道工程的一個重要研究課題。2、 隧道現(xiàn)階段監(jiān)測手段的利弊隧道工程監(jiān)測一直是世界巖土工程界的難題，也是研究的熱點，應用的理論和技術也多種多樣

4、，理想的隧道工程監(jiān)測系統(tǒng)應具有以下特征：能及時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測信息，隨時掌握隧道的穩(wěn)定狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的險情及時進行預警；為隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的正確分析評價、預測預報及治理維護提供可靠的基礎性數(shù)據(jù)，為決策部門制定相應的防災減災對策提供科學依據(jù)；檢測結(jié)果也是檢驗隧道設計參數(shù)、工程質(zhì)量及治理工程效果的有效尺度，同事為進行有關的反分析和數(shù)值計算提供參數(shù)等。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目標應是在保證人力成本最低的前提下，對新建和已建的結(jié)構(gòu)物進行測量，探傷和評估（Wu Z S2003）,隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關鍵內(nèi)容之一就是數(shù)據(jù)采集，當前所需要的是一個能夠從運營結(jié)構(gòu)中采集數(shù)據(jù)的有效方法，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析，做

5、出穩(wěn)定性、可靠性等方面的評價（Zong Z H等，2002）。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在大興基礎工程中廣泛應用前景，各國都在積極開展該項技術的應用研究。在世界各國政府的支持和研究機構(gòu)的努力下，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測正逐漸成熟起來，并在航空航天、橋梁和建筑物等各領域取得了階段性的成功，部分成果已經(jīng)應用在工程實踐當中（Whelan M P等2002）。相比而言，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在隧道領域的發(fā)張，則明顯滯后于橋梁等領域，這主要是隧道結(jié)構(gòu)和巖土工程條件的復雜性和監(jiān)測上的難度等因素造成的。隧道工程一般規(guī)模較大，屬于線狀工程，長達幾公里到數(shù)十公里，往往穿越虛度不同的環(huán)境空域和時域。工程條件常常比較復雜，有時環(huán)境十分惡劣，因此要

6、準確、快速、長距離、實時和大范圍獲得結(jié)構(gòu)體的變形數(shù)據(jù)和變化規(guī)律并非易事，有賴于監(jiān)控系統(tǒng)的先進性和功能，有賴于先進理論和方法的知道，目前對于工程質(zhì)量和安全監(jiān)測主要是通過對巖土和結(jié)構(gòu)的應力。、應變和溫度等物理指標監(jiān)測來實現(xiàn)的，其中尤以巖土體和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測最為重要，因為變形是結(jié)構(gòu)體在內(nèi)外動力作用和人類工程活動作用下的一種基本表現(xiàn)形式，是結(jié)構(gòu)體在受內(nèi)外作用后的在綜合反映，是分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全的基本物理量。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要集中在結(jié)構(gòu)的位移、應變和沉降三個方面，常規(guī)的檢測、監(jiān)測技術與方法存在以下局限性：（1）均為點式的：點式的檢測方法布點常帶有隨意性，最危險的地方?？赡鼙宦z，存在監(jiān)測盲區(qū)；增加監(jiān)測點數(shù)

7、，雖然提高了結(jié)果的可靠性，但工作量和設備成本大為增加，考慮到經(jīng)濟和效率等因素，實際工程或研究項目中也不可能無限布設各種檢測探頭或傳感器；（2）工程環(huán)境差異性大：傳統(tǒng)技術監(jiān)測速度慢、效率低，需要專門的操作人員，而隧道工程條件常常比較復雜，傳感器對溫度、濕度、電磁場和其他環(huán)境因素敏感，常因傳感器和儀器設備受潮、生銹而失效，其運作和維護成本高。因此，十分需要一種對環(huán)境因素影響小、耐久性和長期穩(wěn)定性好的遠程監(jiān)測技術；（3）實時、并行和自動化監(jiān)測程度不高：目前常用的檢測和檢測技術實際上多為檢測技術而不是監(jiān)測技術，多為靜態(tài)單點檢測，有些檢測技術具有多通道的檢測功能，但通道數(shù)是十分有限的，無法滿足實際結(jié)構(gòu)變

8、形的實時、并行和自動監(jiān)測的要求，而隧道工程往往需要實時動態(tài)和自動監(jiān)測，如地鐵運營期間的隧道變形監(jiān)測等；（4）缺少長距離和大面積的檢測技術：隧道工程長達數(shù)公里到數(shù)十公里，對這種長距離和大面積的監(jiān)測對象，傳統(tǒng)點式的檢測和監(jiān)測技術和方法一般無能為力；（5）監(jiān)測系統(tǒng)的集成化程度不高：各種檢測和監(jiān)測技術自成體系，彼此獨立，現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和分析評價系統(tǒng)等環(huán)境間集成化程度不高，從而影響到監(jiān)測的效率和數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)階段應用于隧道工程監(jiān)測技術和方法正在向自動化、高精度及遠程監(jiān)測的方向發(fā)展，常規(guī)監(jiān)測方法技術趨于成熟，設備精度、設備性能都具有較高水平，但主要采用人工采集數(shù)據(jù)的方法，其監(jiān)測工作量大、效率低和監(jiān)測周期

9、長，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，尤其是在運營期間，監(jiān)測時間短、工作量巨大，常規(guī)監(jiān)測技術的弊病更加明顯。結(jié)構(gòu)變形的常規(guī)監(jiān)測和監(jiān)測技術的上述不足，嚴重的阻礙了人們對結(jié)構(gòu)變形機理和規(guī)律的認識，影響了人們在工程災害和工程管理中的正確判斷和相關措施的實時。因此，十分需要改變目前結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的現(xiàn)狀，應用新的理論和方法，實現(xiàn)巖土體變形的分布式監(jiān)測，以彌補上述的不足。分布式監(jiān)測量指利用相關的監(jiān)測技術獲得被測量在空間和時間上的連續(xù)分布信息，而結(jié)構(gòu)變形的分布式監(jiān)控就是在結(jié)構(gòu)體中布設線形傳感器元件，形成一個傳感監(jiān)測網(wǎng)絡，利用相關的調(diào)制解調(diào)技術，連續(xù)監(jiān)測傳感網(wǎng)絡沿線結(jié)構(gòu)體的變形信息，這些傳感網(wǎng)絡就像在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部植入了能感知的神

10、經(jīng)網(wǎng)絡，當結(jié)構(gòu)發(fā)生任何變形時，監(jiān)測系統(tǒng)就能感知它們的大小和分布狀態(tài)，從而獲得結(jié)構(gòu)的變形和發(fā)展規(guī)律。這種監(jiān)測方法的突出優(yōu)點就是改變了傳統(tǒng)的點式監(jiān)測方式，彌補了點式監(jiān)測的不足，實現(xiàn)了實時、長距離和分布式的監(jiān)測目標。隧道結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)的監(jiān)控狀態(tài)與其沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有著密切的關系，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是隧道運營管理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一個重要組成部分。3、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對以上介紹的隧道工程監(jiān)測特點，顯然，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術和方法已不能完全滿足其監(jiān)測要求，需要不斷研發(fā)出新的監(jiān)測技術和方法與之適應。隨著現(xiàn)代電子、通訊和計算機技術的發(fā)展，各種先進的自動遠程監(jiān)測系統(tǒng)相繼問世，為隧道工程的全天候、自動化遠程監(jiān)

11、測創(chuàng)造了條件。光纖傳感器技術是近年來才發(fā)展起來的尖端監(jiān)測技術，最初用于通訊工業(yè)，近年來在傳感器領域逐漸得到廣泛應用。光纖傳感器具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕、耐久性長等特點，傳感器體積小、重量輕、便于鋪設安裝，將其植入監(jiān)測對象中不存在匹配的問題，對監(jiān)測對象的性能和力學參數(shù)等影響較?。║dd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感器技術具有（準）分布式、長距離和實時性等優(yōu)點，因而已引起隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測界的廣泛重視，成為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術的研究重點，從點式的SOFO，到準分布式的FBG，再到全分布式BOTOR的多種光纖傳感技術為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了新一代的監(jiān)測技術。準分布式的布拉格光纖

12、光柵（FBG）是最早出現(xiàn)的一種光柵，也是應用最為普遍的光柵，目前，以FBG為傳感元件的光纖光柵傳感器是研發(fā)的主流，而且已經(jīng)在土木工程領域具有廣泛的應用，它的主要優(yōu)點有：（1） 、靈敏度高，F(xiàn)BG的波長隨著波長、溫度呈現(xiàn)良好的線性關系，在1550nm處其波長變化的典型值為0.1nm/、0.3nm/100MPa、10nm/1%應變；（2） 尺寸小、易掩埋，單模光纖的典型直徑為125，已有直徑40的光纖見諸報道，而FBG的應用長度通常小于20nm，可以很容易埋入結(jié)構(gòu)中而對結(jié)構(gòu)沒有影響；（3） 對電絕緣且抗電磁干擾；（4） 壽命長，初步加速老化試驗證明，F(xiàn)BG在適當?shù)谋┞董h(huán)境和退火條件下工作周期大于2

13、5年也性能沒有明顯的退化；（5） 復用性好，目前，利用布拉格光纖光柵為傳感元件的光纖光柵傳感器被用于測量工程結(jié)構(gòu)的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數(shù)，并有很多工程應用實例，例如，瑞士聯(lián)邦材料測試和研究實驗室（2000）將FBG光纖光柵傳感器安裝于Sargans隧道中，用于監(jiān)測隧道的長期溫度和應變變化；美國海軍研究實驗室光纖只能結(jié)構(gòu)中心（2000）研制了一種基于FBG的光纖光柵壓力傳感器，并應用于公路的動態(tài)監(jiān)測中；但是FBG仍然有很多問題需要解決與完善，比如說光纖光柵傳感器封裝技術，溫度/應變效應分離、動態(tài)高速測量、光纖光柵傳感器的優(yōu)化布置等。分布式光纖傳感器主要利用的瑞利散射、拉曼散射和布

14、里淵散射效應來實現(xiàn)的，目前主要產(chǎn)品有：光時域反射計（簡稱OTOR）；拉曼散射光時域反射測量儀（簡稱ROTOR）等。;布里淵散射光時域反射測量儀（簡稱BOTOR）和布里淵光時域分析測量儀（簡稱BOTDA）等。分布式光纖傳感器具有光纖傳感器所固有的抗電磁干擾、耐腐蝕、耐久性好、體積小和重量輕等優(yōu)點，尤其是BOTDR分布式光纖傳感器，屬于目前國際上最前沿的尖端技術，在隧道監(jiān)測方面與傳統(tǒng)監(jiān)測技術相比具有如下優(yōu)點：（1）光纖既有傳感介質(zhì)，又是傳感信號傳輸通道：光纖上任意一段既是敏感單元又是其它敏感單元的信息傳輸通道，可進行空間上的連續(xù)檢測，光纖像人的神經(jīng)一樣對被測對象京信感知和監(jiān)視；（2）分布式：自光纖

15、的一端就可以準確測出光纖沿線任一點上的應力、溫度、振動和損傷等信息，無需構(gòu)成回路，也不需要定制傳感器，秩序十分廉價的普通通訊光纖，如果將光纖縱橫交錯鋪設成網(wǎng)狀即可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測，客服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測成功率；（3）長距離：現(xiàn)代的大型隧道結(jié)構(gòu)工程通常長達數(shù)公里到數(shù)十公里，要通過傳統(tǒng)監(jiān)測技術實現(xiàn)全方位的監(jiān)測是相當困難的，而通過鋪設傳感光纖，光纖即作為傳感體又作為傳輸體就可以實現(xiàn)長距離（目前可達80公里）。全方位監(jiān)測和實時連續(xù)監(jiān)測;（4）耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用電監(jiān)測式監(jiān)測技術，傳感器易受潮濕失效，不能適應一些大型工程長期監(jiān)測的需要。光纖的主

16、要材料是石英玻璃，與金屬傳感器相比具有更大的耐久性；（5）抗干擾：光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等干擾，況且電磁干擾噪聲的頻率與光頻相比很低，對光波無干擾。此外光易于屏蔽，外界光的干擾也很難進入光纖；（6）輕細柔韌：光纖的這一特性，使它在埋入構(gòu)筑物的過程中，避免了匹配的問題，便于安裝埋設。因此，研究、開發(fā)和應用基于BOTDR的隧道工程分布式監(jiān)測技術具有很重要的意義。分布式光纖傳感器監(jiān)測技術的上述優(yōu)點，可以彌補目前在隧道工程中常用的檢測和監(jiān)測技術存在的不足，是新一代檢測和監(jiān)測技術的發(fā)展方向。由于分布式光纖傳感監(jiān)測技術的諸多優(yōu)點，因此它已成為國際上一些主要發(fā)達國家如日本、瑞士、加拿大、美

17、國、法國、英國等國的研發(fā)熱點和重大研究課題，研發(fā)工作的重點主要集中分布式光纖傳感器技術的性能改善和應用技術的研發(fā)。近年來，光纖傳感器技術在隧道工程的研究和應用逐漸增多：Ishii H等對分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)在隧道火災探測中應用的幾個相關問題進行分析和探究；Shiba k等應用BOTDR分布式光纖傳感器技術采用新奧法施工的鐵路隧道的噴射混凝土、支撐內(nèi)力進行監(jiān)測，傳感光纖的監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)傳感器相比，在精確度方面能夠滿足要求，在預測應力分布方面具有一定的優(yōu)越性，丁勇等介紹了光纖結(jié)構(gòu)監(jiān)測（SOFO）、布拉格光纖光柵（FBG）和分布式光纖傳感器（BOTDR）等3種光纖傳感器技術的基本原理、功能及其在隧道結(jié)

18、構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的作用，并應用BOTDR分布式應變量技術，對隧道拱圈截面變形進行了分布式應變監(jiān)測；日本NTT公司開發(fā)了基于BOTDR的共同溝隧道監(jiān)測系統(tǒng)；通過應變測量對日本名古屋的共同溝隧道進行損傷探測，10km范圍內(nèi)其變形測量誤差僅為0.1mm，并通過室內(nèi)試驗對共同溝隧道監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、抗震性和測量精度進行了驗證。4、 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的前景隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對結(jié)構(gòu)安全的重視，特別是大型隧道類大型公共建筑的安全性，引起了政府部門的高度重視，隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測將具有良好的市場前景。下面是從三個方面說明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用前景。1） 政府對隧道結(jié)構(gòu)安全性日益重視隧道垮塌事故的頻發(fā)，引起了政府部門的高度重視，國家逐漸加大了對隧道