隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢

1、O 9 C "、Ja 4 y °，：T J 1。4 N . A" 一， : 3b% 丁 一，二歲 0a6& -一、一 BB隧道結(jié)構(gòu)健康次測嗡發(fā)展Prepared on 24 November 2020隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市的快速發(fā)展，城市人口增長對城市 交通的壓力急劇增大，世界各國都在通過修建各種城市地下隧道來緩解這 一矛盾，各類城市隧道工程在規(guī)模和數(shù)量上都得到了迅猛發(fā)展。隧道結(jié)構(gòu) 的安全性變得日益突出，而隧道工程的理論分析同實(shí)際情況存在作較大的 差異，使得隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測變得日益突出。1 .健康監(jiān)測的目的意義和必要性隧道

2、安全關(guān)系著人類生命安全和社會經(jīng)濟(jì)活動，由于隧道地質(zhì)條件惡 化、火災(zāi)、結(jié)構(gòu)損傷、退化和失穩(wěn)等造成的事故，嚴(yán)重威脅著隧道的正常 運(yùn)營。隧道施工的安全問題引起了人們的密切關(guān)注，主要表現(xiàn)在以下方 面：1）隧洞開挖的進(jìn)口段：由于隧洞都是淺埋隧洞，且都存在邊坡，導(dǎo)致 該段圍巖兩面臨空，加上爆破的影響導(dǎo)致圍巖的自穩(wěn)能力下降，支護(hù)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：潛埋段隧道圍巖，在碳酸巖地層受水體溶蝕的影響較大， 加之圍巖頂板較薄，

3、出現(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象可能性加大，加大了開挖及支護(hù)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(hù)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(xué)指標(biāo)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)性能惡化。8）軟巖段（圍巖級別）：巖體自穩(wěn)能力差，圍巖開挖暴露后崩解，遇 水容軟化。9）含水層與相對隔水層交界處，而產(chǎn)生突涌泥現(xiàn)象。由于有以上不良地質(zhì)情況

4、的存在增加了隧洞在施工期間及運(yùn)營期間安全 隱患。為了確保隧道工程安全、及時預(yù)報險情，除了對隧道進(jìn)行加固、維護(hù)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。建立監(jiān)測系 統(tǒng)對隧道工程進(jìn)行監(jiān)測、評估和預(yù)測以趨利避害，己經(jīng)成為現(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(rèn)識的不斷深入，以及國家相關(guān)工程安全法規(guī)的實(shí)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)測手段的弊端隧道工程監(jiān)測一直是世界巖土工程界的難題，也是研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用的 理論和技術(shù)也多種多樣。理想的隧道工程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征：能及 時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)

5、，分析監(jiān)測信息，隨時掌握隧道的穩(wěn)定狀況，對可能出現(xiàn) 的險情及時進(jìn)行預(yù)警；為隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的正確分析評價、預(yù)測預(yù)報及 治理維護(hù)提供可靠的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為決策部門制定相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)對策提 供科學(xué)依據(jù)；監(jiān)測結(jié)果也是檢驗(yàn)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、工程質(zhì)量及治理工程效果 的有效尺度，同時為進(jìn)行有關(guān)的反分析和數(shù)值計(jì)算提供參數(shù)等。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目標(biāo)應(yīng)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(jìn)行測量、探傷和評估（Wu Z S, 2003） o隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān) 測的關(guān)鍵內(nèi)容之一就是數(shù)據(jù)采集。當(dāng)前所需要的是一個能夠從運(yùn)營結(jié)構(gòu)中 采集數(shù)據(jù)的有效方法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，做出穩(wěn)定性、可靠性等 方面的評價（Zon

6、g Z H等，2002）。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在大型基礎(chǔ)工程中 的廣闊應(yīng)用前景，各國都已經(jīng)在積極開展該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究。在世界各 國政府的支持和研究機(jī)構(gòu)的努力下，結(jié)構(gòu)健康檢測正逐漸成熟起來，并在 航空航天、橋梁和建筑物等各領(lǐng)域取得了階段性的成功，部分成果己經(jīng)應(yīng) 用在了工程實(shí)踐當(dāng)中（Whelan M P等，2002）。相比而言，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在隧道領(lǐng)域的發(fā)展，則明顯滯后于橋梁等領(lǐng) 域，這主要是隧道結(jié)構(gòu)和巖土工程條件的復(fù)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(dá)幾公里到數(shù)十公里， 往往穿越許多不同的環(huán)境空域和時域，工程條件常常比較復(fù)雜，有時環(huán)境 十分惡劣，因此要準(zhǔn)確、快速

7、、長距離、實(shí)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)測系統(tǒng)的先進(jìn)性和功能，有賴于先進(jìn) 理論和方法的指導(dǎo)。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(yīng)力、應(yīng)變和溫度等物理指標(biāo)監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)的，其中尤以巖土體和結(jié)構(gòu) 的變形監(jiān)測最為重要，因?yàn)樽冃问墙Y(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)外作用后的外在綜合反映， 是分析結(jié)構(gòu)體狀態(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(yīng)變和沉降三個方面，常規(guī) 的檢測和監(jiān)測技術(shù)和方法存在以下局限性：（1）均為點(diǎn)式的：點(diǎn)式的檢測 方法布點(diǎn)常帶有隨意性，最危險的地方?？赡鼙宦z，存在監(jiān)測盲區(qū)；

8、增 加監(jiān)測點(diǎn)數(shù)，雖然提高了結(jié)果的可靠性，但工作量和設(shè)備成本大為增加， 考慮到經(jīng)濟(jì)和效率等因素，實(shí)際工程或研究項(xiàng)目中也不可能無限布設(shè)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(shù)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(fù)雜，傳感器對溫 度、濕度、電磁場和其它環(huán)境因素敏感，常因傳感器和儀器設(shè)備受潮、生 銹而失效，其運(yùn)作和維修成本高。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(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)；（3）實(shí)時、并行和自動化監(jiān) 測程度不高：目前常用的檢測和監(jiān)測技術(shù)實(shí)際上多為檢測技術(shù)而不是監(jiān)測 技術(shù)，多為靜態(tài)單點(diǎn)檢測，有些檢測技術(shù)具有多通道的檢測功能，但通道 數(shù)

9、是十分有限的，無法滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時、并行和自動監(jiān)測的要 求。而隧道工程往往需要實(shí)時動態(tài)和自動監(jiān)測，如地鐵運(yùn)營期間的隧道變 形監(jiān)測等；（4）缺少長距離和大面積的監(jiān)測技術(shù)：隧道工程長達(dá)數(shù)公里到 數(shù)十公里，對這鐘長距離和大面積的監(jiān)測對象，傳統(tǒng)點(diǎn)式的檢測和監(jiān)測技 術(shù)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(shù)自成體系、彼此獨(dú)立，現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和分析評價系統(tǒng)等環(huán)節(jié) 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(yīng)用于隧道工程監(jiān)測技術(shù)和方法正在向自動化、高精度及遠(yuǎn)程監(jiān) 測的方向發(fā)展。常規(guī)監(jiān)測方法技術(shù)趨于成熟，設(shè)備精度、設(shè)備性能都具有 較高水平，但主要采用人工

10、采集數(shù)據(jù)的方法，其監(jiān)測工作量大、效率低和 監(jiān)測周期長，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，尤其是在運(yùn)營期間，監(jiān)測時間短、工作 量巨大，常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的弊端更加明顯。結(jié)構(gòu)變形的常規(guī)檢測和監(jiān)測技術(shù) 的上述不足，嚴(yán)重地阻礙了人們對結(jié)構(gòu)變形機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識，影響了人 們在工程災(zāi)害防治和工程管理中的正確判斷和相關(guān)措施的實(shí)施。因此，十 分需要改變目前結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的現(xiàn)狀，應(yīng)用新的理論和方法，實(shí)現(xiàn)巖土體 變形的分布式監(jiān)測，以彌補(bǔ)上述的不足。分布式監(jiān)測是指利用相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)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)測就是在結(jié)構(gòu)體中布設(shè)線形傳感元件， 形成一個傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，利用相關(guān)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，連續(xù)監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)

11、沿 線結(jié)構(gòu)體的變形信息，這些傳感網(wǎng)絡(luò)就像在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部植入了能感知的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)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 況，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(diǎn)就是改變 了傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測方式，彌補(bǔ)了點(diǎn)式監(jiān)測的不足，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、長距離和 分布式的監(jiān)測目標(biāo)。隧道結(jié)構(gòu)在其壽命期內(nèi)的健康狀況與其沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有著密切的關(guān)系，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是隧道運(yùn)營管理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一個重要 組成部份。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(diǎn)，顯然，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)和方法己不 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(shù)和方法與之適應(yīng)。 隨著現(xiàn)代電子、通訊和計(jì)算機(jī)

12、技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的自動遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) 相繼問世，為隧道工程的全天候、自動化遠(yuǎn)程監(jiān)測創(chuàng)造了條件。光纖傳感技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的尖端監(jiān)測技術(shù)，最初用于通訊工 業(yè)，近年來在傳感領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)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(diǎn)，傳感器體積小、重量輕，便于鋪設(shè)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(xué)參 數(shù)等影響較?。║dd E, 1995； Ansari F, 2003） o光纖傳感技術(shù)具有（準(zhǔn)）分布式、長距離和實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，因而己引起隧道結(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(shù)的研究重點(diǎn)。從點(diǎn)式的SOFO,到準(zhǔn)分 布式的FBG,再到全

13、分布式B0TDR的多種光纖傳感技術(shù)為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 提供了新一代的監(jiān)測技術(shù)。準(zhǔn)分布式的布拉格光纖光柵（FBG）是最早出現(xiàn)的一種光柵，也是應(yīng)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，且已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：（I）、靈敏度高。FBG的波長隨著波長、溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在1550nm處其波長變化的典型值為、100MPa> 10nm/l%應(yīng)變。（2）、尺寸小，易掩埋。單模光纖的典型直徑為125，己有直徑40的 光纖見諸報道，而FBG的應(yīng)用長度通常小于20mll1,可意很容易埋入結(jié)構(gòu)中 而對結(jié)構(gòu)沒有影響；（3）、對電絕緣且抗電磁干

14、擾；（4）壽命長。初步加速老化試驗(yàn)證明，F(xiàn)BG在適當(dāng)?shù)谋┞董h(huán)境和退火 條件下工作周期大于25年也性能沒有明顯的退化。（5）、復(fù)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(yīng)變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參 數(shù)，并有很多工程應(yīng)用實(shí)例，例如，瑞士聯(lián)邦材料測試和研究實(shí)驗(yàn)室（2000）將FBG光纖光柵傳感器安裝與Sargans隧道中，用于監(jiān)測隧道的 長期溫度和應(yīng)變變化；美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室光纖智能結(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(yīng)用于公路的動態(tài)監(jiān)測中； 但是，F(xiàn)BG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(shù)、溫度/

15、應(yīng)變效應(yīng)分離、動態(tài)高速測量、光纖光柵傳感器的優(yōu)化布置等。分布式光纖傳感主要利用光的瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射效應(yīng)來 實(shí)現(xiàn)的，目前主要產(chǎn)品有：光時域反射計(jì)（簡稱OTDR）；拉曼散射光時域 反射測量儀（簡稱R0TDR）；布里淵散射光時域反射測量儀（簡稱B0TDR）和 布里淵光時域分析測量儀（簡稱B0TDA）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(diǎn)， 尤其是BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)，屬于目前國際上最前沿的尖端技術(shù)， 在隧道監(jiān)測方面與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）光纖既是傳感介 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

16、其它敏感 單元的信息傳輸通道，可進(jìn)行空間上的連續(xù)檢測，光纖像人的神經(jīng)一樣對 被測對象進(jìn)行感知和監(jiān)視；（2）分布式：自光纖的一端就可以準(zhǔn)確測出光 纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)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，只需十分廉價的普通通訊光纖，如果將光纖縱橫交錯鋪 設(shè)成網(wǎng)狀即可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān) 測，克服傳統(tǒng)點(diǎn)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(dá)數(shù)公里到數(shù)十公里，要通過傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù) 實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測是相當(dāng)困難的，而通過鋪設(shè)傳感光纖，光纖既作為傳感 體又作為傳輸體就可以實(shí)現(xiàn)長距離（目前可達(dá)80公里）、全方位監(jiān)

17、測和實(shí) 時連續(xù)控測；（4）耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用電測式監(jiān)測技術(shù)，傳 感器易受潮濕失效，不能適應(yīng)一些大型工程長期監(jiān)測的需要。光纖的主要 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，光波易于屏蔽，外界光的干 擾也很難進(jìn)入光纖；（6）輕細(xì)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(shè)。因此，研究、開發(fā)和應(yīng)用 基于BOTDR的隧道工程分布式監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)目前在隧道工程中常用的檢測和監(jiān)

18、測技術(shù)存在的不足，是新一代檢測和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。由 于分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此它已成為國際上一些主要發(fā) 達(dá)國家如日本、瑞士、加拿大、美國、法國、英國等國的研發(fā)熱點(diǎn)和重大 研究課題，研發(fā)工作的重點(diǎn)主要集中分布式光纖傳感技術(shù)的性能改善和應(yīng) 用技術(shù)的研發(fā)。近年來，光纖傳感技術(shù)在隧道工程的研究和應(yīng)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(zāi)探測中應(yīng)用的幾個相關(guān)問題進(jìn)行分析和 探討；Shiba K等應(yīng)用BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)采用新奧法施工的鐵路隧 道的噴射混凝土、支撐內(nèi)力進(jìn)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(yù)測應(yīng)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種光纖傳感技術(shù)的基本原理、功能及其在隧道 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的