运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系.doc

1 绪 论1.1 研究背景随着我国城市化进程越来越快，城市建设的快速发展，城市规模持续扩大以及城市人口的聚集增长，许多大城市存在着人口集聚、建筑空间狭小、交通拥挤、城市绿化减少、环境污染加重等诸多问题，其中交通阻塞问题在我国很多城市尤为突出。一方面为了适应经济与社会的发展，必须加强城市集约化程度和提高效率才能；另一方面由于城市建设长足发展，使得城市中心可供利用的地面面积越来越少。要解决城市建设与土地资源短缺的矛盾，从而促进城市的可持续发展和环境保护，合理地开发利用城市地下空间资源，大力发展城市地下交通工程是一条非常有效的解决这些问题的途径。城市地下交通工程不同于高架道路，它不影响城市景观，噪音、震动等环境污染较小。目前地下运行的地铁、交通隧道、各种市政地下隧道等为城市地下交通工程的重要组成部分，对缓解交通拥堵、提高城市效率、提升城市现代化水平发挥着巨大的作用。其中地铁项目的建设在我国日趋广泛，数量和规模都在成倍扩大。目前我国有28个城市有城市轨道交通在建或运营，其中12个城市已有城市轨道交通运营线路，预计到2014年底拥有运营线路达1600公里，比去年增加200多公里。在建城市轨道交通线路约1400公里，预计十二五末，我国城市轨道交通运营里程将拥有3000多公里运营线路，全国城市规划交通总投资将达万亿元。到2020年，我国将有40个城市建设地铁，总规划里程达7000公里，是目前总里程的4.3倍。自第一条地铁建成并投入运营以来，世界的地铁建设历史己经近150年。纵观这一百多年来，世界各地城市的发展经验，大力采用快速轨道交通系统，是完城巿客运这项艰巨任务的有效手段。但同样地，地铁也成为一个危及范围最广以及事故伤害率较高建设项目之一，表1-1列举了近十年来我国主要的运营地铁隧道结构安全事故1,2。表1-1 2001年至2012年我国运营隧道结构安全事故统计表地点 事故类型事故后果时间台北地铁淡水线士林站轨道结构裂缝降速，停摆2001-05-22台湾高雄捷运线大勇路隧道渗水50栋建筑物塌方2004-05-29台湾高雄捷运线 临海路结构渗水、渗沙4栋居民楼塌陷2004-08-09广州地铁4号线新造站隧道坠物2人死亡,1人重伤2005-11-03北京苏州街地铁10号线结构裂缝，塌方6人死亡2007-03-02广州地铁5号线结构涌水无2007-01-17深圳龙岗区地铁3号线隧道模板坍塌3人死亡,2人受伤2008-04-01杭州地铁1号线 湘湖站基坑坍塌21人死亡,24人受伤2008-11-15深圳地铁3号线隧道内管道破裂100多户居民撤离2009-03-05西安地铁1号线洒金桥站坍塌2人死亡2009-08-02天津地铁3号线 解放站北路结构透水地面楼体裂缝2009-09-23深圳地铁5号线 上水径 站山体滑坡/塌方1人失踪2009-10-1大连地铁201标段坍塌1人死亡2011-03-10大连地铁211标段坍塌无2011-08-29上海地铁12号线坍塌5人死亡,18人受伤2012-12-31这些突发的事故不但引起重大的人员伤亡和财产损失，更对社会化造成了极坏的极坏影响，并且造成了不同程度的恐慌，因此得到了各国政府及科研机构的高度重视。其中，运营地铁隧道结构安全，尤其是人们关注的焦点。理论上讲，经过合适的设计、施工和维护管理，地铁工程应具有良好的承载性、耐久性以及与耐久性相匹配的使用寿命。然而，由于地铁隧道内自身结构复杂而特殊，在长期运营过程中将受到各种因素的影响，诸如地质、地形条件，水文条件，气候条件等及设计、施工、运营过程等，最终导致在使用过程中出现各种各样的病害。地铁隧道的病害不仅会对隧道结构的稳定性产生破坏，降低了其使用过程中可靠性与安全性，这会极大地影响了隧道作为快捷、安全交通运输通道的功能，与此同时，由于未达隧道结构设计的基准期就需要大修，也会额外耗费国家大量的资金，这些并不符合建设隧道的初衷3。隧道，特别是长大隧道的建设需要巨大投资。越来越多的隧道管理养护单位开始重视如何科学有效地养护这些隧道，并在使用过程中维持合理的服务水平。为了确保隧道使用安全，保障人民生命、国家财产安全，对运营隧道结构健康安全问题开展系统深入的研究，具有重要的学术价值和现实意义。1.2 研究目的我国各类地铁隧道正在如火如荼的进行。隧道跨度越来越大，长度越来越长，埋深也越来越深，隧道结构也变得越来越多样化，而伴随着地铁隧道的长期运营，在长期的使用条件与所处自然环境的双重作用下，隧道内由于结构的原因而发生的安全性事故越来越多，这不仅要求精确严密的计算理论和先进的施工技术，同时也对隧道建成后的安全维护提出更高的要求。本文通过借鉴近年来兴起的地铁隧道结构健康监测，主要达到以下两个目的：一是针对运营隧道结构形式、施工方法和所处环境等工程特点，构筑长期监控及隧道健康安全评价体系，对长期监控中实时采集的数据进行分析与研究，及时了解隧道工程在运营期间主体结构的受力状况、荷载等。第二点是通过对运营隧道健康安全状态影响因素的全面系统的分析，建立运营隧道结构健康安全状态的指标体系以及判定标准，同时结合城市轨道交通运营健康安全的评价方法，对运营隧道健康安全状态进行定量和定性的综合评价，从而了解运营隧道结构物的健康安全状况以及评估使用寿命，在结构病害产生的早期及时的发现并做出相应的预警机制，并研究是否采取相应的措施和对策，为运营隧道的管理和养护提供有效的决策支撑，以保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能4。同时，本文以工程实例为依托，采用蒙特卡洛模型对实际情况下运营隧道结构安全进行长期监测，对该区间运营隧道的安全状态进行预测和评价，并采用全局敏感性分析方法找出运营隧道结构健康安全的主要影响因素，以便在有针对性的采取相应的措施和对策避免结构损坏带来危害，保障运营地铁隧道工程的安全运营。1.3 研究意义 目前我国各地城市的地铁隧道陆续建成并运营，但是我国隧道养护技术起步较晚，养护的经验较为欠缺，综合评价运营隧道健康安全状况仍处于定性评价这一阶段，较少有系统的诊断以及定量和定性相结合评价方法。笔者通过查阅大量的文献，对隧道工程安全监测系统、隧道安全交通安全评价技术方法和预测、预警模型等方面进行了解，发现目前对隧道结构健康安全评价的研究仍存在着不足之处，主要体现在以下几个方面：1、现今我国隧道结构健康安全评价的相关研究主要集中在隧道的建设阶段，主要集中在隧道结构物自身的安全设计，和对隧道的施工安全、施工方法等方面做出安全评价，仅有很少的研究涉及到对运营隧道的结构进行健康安全评价；2、目前运营隧道健康安全评价的研究内容大多是隧道的消防、通风以及照明等单个方面，因此对隧道自身结构在运营时期的状况进行综合评判非常有必要，从而对隧道结构的整体健康安全评价体系作进一步的研究；3、与国外相比，国内在隧道结构健康安全监控方面缺乏比较成熟的监控标准和规范。4、目前许多隧道健康安全评价的相关研究，主要集中在公路与铁路隧道，地铁隧道健康安全研究的较少，虽然地铁隧道与公路、铁路隧道有相似之处，但是由于地铁隧道的工程地形、水文地质以及周边环境等客观条件的制约，研究内容与评价方法跟公路、铁路隧道并不完全一致，因而对地铁隧道的结构进行健康安全评估体系是非常必要。综上所述，研究适合我国国情的地铁隧道结构安全检测与监测技术，建立运营隧道结构健康安全状态评价体系，综合运用评价方法，对结构进行健康监测与评估，从而科学合理的管理运营隧道，并进行及时的养护维修，对保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能4，具有重要的学术价值和现实意义，也是本课题未来要深入研究的方向。1.4 国内外相关研究对于运营隧道，病害是不可避免的。隧道的病害分为两部分，其一是先天性造成的，另外是由于在运营使用的过程，其逐渐老化产生的。对于运营隧道工程的结构监测，国内外学者作了大量的研究，取得了一定的研究成果5-6。针对运营隧道结构健康安全评价已有研究大致可分为两类，其一在运营隧道结构监测；其二是运营隧道健康安全的研究现状。1.4.1运营隧道结构监测研究现状上个世纪70年代起，日本颁布了铁路隧道维修技术标准，在隧道检查和诊断的工作方法及流程、隧道内病害的科学技术检测、隧道病害等级划分、针对各种隧道病害的养护技术、病害隧道诊断专家系统、以及网络无缝对接技术的隧道健康安全监测等方面进行了大量系统的研究工作7-11。美国高速公路和铁路交通隧道检测手册是美国在公路和铁路隧道管理中评估隧道技术状态的重要依据。该手册对运营隧道的检测周期、检测方法、隧道病害等级划分以及病害等级评定依据作了细致的规定。美国开发的一种非接触式的空气耦合天线的雷达探测系统，可用于隧道结构体系深部病害信息探测，为运营隧道衬砌检测速度的提高提供了基本的条件12。德国公路署发布的无损伤检测隧道内壳的规范，给出了检测隧道内壳的合适测量法，即如何进行对隧道进行测量、描述和评价结果等等，然而，此规范只对评判检测结果的方法进行了说明，并未给出如何通过检测结果，进行定量的评判隧道的安全性13。目我国目前针对运营隧道结构监测的研究主要包括如下几个方面14： 1、隧道的检查为对运营期的公路隧道进行检查和调查，以便尽早发现隧道劣化、损伤、缺陷等病害，从而真实地掌握结构物的性能状况。参照我国2003年制定与实施的公路隧道养护技术规范，对隧道等土建结构的检查工作分为四类：日常检查、定期检查、特别检查和专项检查，各类检查的检查频率、内容和判定标准不一15-16。2、隧道的检测隧道的健康检测主要包含衬砌裂缝的调查与分析，衬砌混凝土强度、衬砌厚度及背后回填状况检测以及隧道断面检测等方面。2004 年，我国在铁路隧道衬砌质量无损检验规程中详细说明了铁路隧道衬砌质量无损检验的技术要求，同时，介绍了如地质雷达法、声波法等检测衬砌混凝土强度、厚度及背后回填状况的方法。此规程也为公路隧道的衬砌质量检验提供了借鉴17。任晓菲等18介绍了衬砌断面的检测方法，以及隧道激光断面仪在隧道断面净空检测中的应用。柴聚奎等19分析了衬砌裂缝的产生原因，介绍了裂缝的主要检测内容及裂缝检测仪器的原理和检测方法。1. 病害原因分析运营隧道变异的产生是在各种因素的综合作用下的结果。关宝树等20认为，产生隧道病害的原因主要分为两类，其一是外因，即环境条件以及外力等外部因素，其中是内因，即设计、施工以及材料等构造上的方面的影响，具体见图1-1。图 1-1 隧道病害产生的原因樊永杰等21研究了襄渝县的大巴山隧道，对导致隧道病害的地下水的化学成分、补给特点以及滞留时间等因素进行了重点分析与研究。2. 病害等级评估在公路隧道养护技术规范当中，隧道按其检查结果分为三个方面，首先是外荷载作用、其次是材料劣化，最后是渗漏水，并对这三种主要情况进行判定与分类。运营隧道的安全评估是对隧道健康状态进行的综合评价，依据隧道病害的检测结果，结合隧道健康状态综合评价方法，利用评价指标和评价模型来完成。1.4.2 运营隧道健康安全研究现状国外的运营地铁隧道健康安全评价起源很早，综合评价的方法也较为领先。在欧美等国家，由于其城市轨道交通运营史较长，在运营的同时通常会建有为定量评价提供足够数据支持的数据库，能够为定量评价提供足够充足的数据，同时可以准确地运用者数值或图形将计算出来事故危险性进行清晰的表达。与此同时，在评估中也提出了最优化的风险预防方案22-23。伦敦城市轨道交通风险评价 24是通过对工作人员和乘客可能产生的伤害的各种危险因素进行预测与分析，它的基本思路是建立人主要危险因素员跟人员伤亡之间的定量关系，从而划定风险因素的伤害等级，目的是全面了解产生危险有害因素的起源，并有针对性进行改进。纽约地铁25由美国运管部和交通部进行综合安全评定，评定的程序是首先找出地铁中所有影响人员安全的因素，然后明确上述因素的影响范围，并对这些因素逐一进行安全认证，在验证完成之后，提交一份报告，最终生成 SSC（Safely and Security Certification）报告，接下来就是制定安全标准，并不断地优化。各个标准都要结合前一步的影响因素，以便站在结合实际情况的角度进行判断。我国的健康安全评价虽然发展的的时间较短，但其在公路、航空以及电子等领域缺相对成熟。鉴于我国城市轨道交通的起步较晚，运营地铁隧道的健康安全评价获得到的重视程度并不高。近些年来，国内的一些学者和科研单位也对地铁的风险评估进行了研究，收获了一定的成果，为我国地铁风险评价理论的发展打下了许多基础，也对地铁隧道的安全运营管理和科学养护具有比较好的指导意义。北京交通大学的任星辰27分析了我国近年来发生的轨道交通运营事故，总结出设施设备的原因占事故总数的 70%以上。此文全面研究与分析了地铁隧道设施设备的安全风险，并确立了个指标因素的权重，最后并对设施设备安全评级的进行指标集的划分，最后在工程实例中运用综合模糊评价法，验证改方法的可行性。香港的张伟28分析对比了内地、香港以及台湾地铁隧道安全评价的模式其各自的优缺点，通过对深圳地铁3号线的进行分析研究，总结了进行其中评价的经验，为我国城市轨道交通风险评价拓宽了思路。然而，在隧道健康安全状况的评价过程中，常会出现各类指标因素之间互相矛盾，并且监测指标值具有随机性和概率分布的特征，以及定量信息、定性信息串联在一起等很多问题，上述已有方法并不能妥善处理这些复杂的情况。而本文基于蒙特卡洛方法的运营隧道结构健康安全评价与传统的确定性数值方法不同，其用以解决概率统计或者随机性中非确定性问题，解决指标之间互相矛盾以及定量、定性共存问题。1.5 研究思路和框架对超高层建筑物、大型桥梁、地下工程、隧道等土木结构的结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）体现了一个国家土木工程建设和管理的水平。国内外这些领域的学者专家自上世纪90 年代起便孜孜不倦地研究针对上述大型工程结构的监测系统技术，在工程实践中，相关的成果正逐渐得以应用30- 35。运营隧道结构健康监测(Operational Tunnel Structural Health Monitoring Survey，OTSHMS)涉及土木工程、监测技术、分析技术及信息科学等多个学科领域，是SHM在运营隧道领域所应用的一个综合性系统工程。监测技术和结构健康安全评价是OTSHMS的关键的核心技术。监测技术要求达到实时监测和定期监测相结合，可长期准确地采集到隧道结构体和它所处环境的关键参数( 如水、土压力和结构受力、应变等)，进而依据实测的参数特征变化，通过运营隧道结构健康安全评价体系，来判断隧道结构的安全与健康状况；结构健康安全评估分析技术探索隧道运营过程中的长期安全性评价，并对此提出相应的评估分析方法和体系。要建立一个OTSHMS，关键要获取与隧道结构相关的各类动静态的数据，而要提供这些数据的及时性与准确性，就必须强化运营隧道的监测方法与技术。本文针对目前我国隧道工程结构健康安全评价在隧道运营时期的不足，基于运营隧道结构健康监测系统(OTSHM)的相关理论与优势，运用实时定期与长期相结合的检测手段，对运营隧道结构进行长期监控并及时提供反馈，对这一系统中存在的健康安全性事故进行充分辨识与定性、定量分析，得到综合且客观的评价指标，建立了科学的运营隧道结构健康安全评估指标体系。同时，结合城市轨道交通运营健康安全的评价理论，采用有针对性的、适用的安全评价方法，对正确评价地铁隧道结构系统运营安全现状、修正可能出现的偏差、确定合适的养护措施、提高隧道结构系统安全水平具有重要的理论意义与实用价值35。1、第1章绪论主要内容主要介绍研究背景、目的及研究意义，并结合当前国内外对运营隧道结构监测系统和运营隧道健康安全的研究现状，提出当前研究存在的不足，以此构建本文的研究内容、方法和技术路线。2、第2章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系的主要内容主要介绍光纤传感技术的三种分类，以及光纤传感技术在运营隧道健康监测中的运用。运营隧道结构监测技术以及在运营隧道中的应用。根据相关的规范和参考资料选取影响运营隧道结构健康安全的主要指标因素，构建运营隧道结构健康安全（OTSHM）评价模型，确定完整指标体系， 3、第3章蒙特卡洛模拟方法通过融合权重法确定各指标权重，并对其权重进行验证，以期构建更为完善的评价方法。建立基于蒙特卡洛模拟方法进行运营隧道安全评价的步骤，以及各指标敏感性分析的方法。4、第4章运用蒙特卡洛模拟对工程案例进行分析和健康安全评价根据3中建立的运营隧道结构健康安全状况评价体系，对武汉四大工程实例的安全状态进行评估，并进行敏感性分析，在实际的项目中验证该评价体系的正确性和实用性。5、第5章结论与展望主要内容主要得出论文的结论，总结成果，并指出本论文研究尚存的不足之处，指导未来进一步的研究方向。2 运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系简单说来，隧道是由围岩与支护结构组成的综合体，周围的地质介质和支护结构中隐含着许多影响隧道健康结构安全的因素。它们之间的相互关系十分复杂，导致监测和获得这些数据困难重重。无法获得准确及时的监测数据直接影响了运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的建立和应用。因此，提高运营隧道结构的监测技术是运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的首要课题。2.1 光纤传感技术当前，光传导纤维和光通信发展迅速，形成了新型的尖端检测技术，它的载体是光、媒介则为光纤、能够感知并传输各种信号，它就是光纤传感技术。光纤既可以作为传输介质，也可以作为传感介质。自20世纪90年代以来，欧美等国家在高层建筑物、桥梁、大坝以及电站等大型民用基础设施的安全检测中纷纷运用光纤监测技术，取得了令人振奋的进展，展示了光纤监测应用的光明前景36-38。在我国，部分科研机构和重点高校在土木工程结构健康监测与诊断系统方面进行了光纤监测技术应用研究 39-44。由于光纤传感技术测量敏感性高、性能稳定、在传输过程中不易受电磁干扰、信号损失量较小等突出优点，引起了各方面的广泛重视。本文将重点介绍三种主流的光纤传感监测技术。2.1.1 SOFO点式光纤传感器SOFO取自法语“surveillance dOuvrages par Fibres Optiques”，翻译为“光纤结构监测”，是一种点式光纤传感器，由瑞士联邦工学院应力实验室开发。SOFO点式光纤传感器基本思路是低相干干涉：LED发出的激光光束通过耦合器分为两束初相位、偏振方向和频率相同的光线，其中一条进到参考光纤，另一条则进到测量光纤。后者跟待测结构进行物理接触，会随结构变形，从而改变自身的光程长度；前者放在旁边，目的是补偿温度变化而导致的硅光纤折射率的改变。由于两束光线经过的路线不同，存在一定的光程差，通过它们相遇时发生干涉所形成的干涉图像，能计算出在受测量光纤结构变形的影响，光发生改变量值，求得结构变形量。M t. Terri隧道是瑞士一条在建的隧道，为了监测修建此隧道时土石等的受压力情况，在不远处另外一条已经建成，且通向M t. Terri隧道的小孔洞中，安装了9个彼此间距不等的SOFO伸长计。测量结果显示，距离拟建新隧道钻孔机所在位置比较近的光纤伸长计，会产生较大的应变，但随着与拟建新隧道垂直距离的越大，伸长计的变形量会呈指数下降的趋势。采用明挖法施工的瑞士N5隧道，其墙面与墙脚的厚度并不均匀，两者的差异收缩可能会降低隧道的张力与挠度。在钢筋上安装SOFO点式光纤传感器，将其随同混凝土一并浇筑在隧道结构内，目的是监测各截面的膨胀收缩。数月之后，观察隧道截面，根据监测结果表明，不同区域的混凝土收缩形式各不相同，湿度与温度等环境条件的变化也会影响混凝土变形。 2.1.2 FBG准分布式光纤传感器 FBG准分布式光纤，又称为布拉格光纤光栅，其英文名称是Fiber Bragg Grating，它是特种传感光纤，可以永久性、周期性调制光纤芯区的折射率，用紫外光照射单模掺锗光纤之后，运用光纤成栅技术，让其满足以下方程：= 2n式中为Bragg波长；n为光纤模式的有效折射率；为光栅栅距周期。根据光栅理论，满足Bragg条件的入射光会在光纤内部产生全反射效应，在Bragg波长处，其反射光谱会在出现峰值。另外，因为有效折射率n和写入光纤的光栅栅距周期均非常数，当应力、应变或者温度等外界因素作用在光栅时，n和也会随之发生改变，以此会使得反射光谱中出现峰值的波长发生改变。在同一个光纤上串联许多个不同波长的FBG准分布式光纤传感器时，FBG彼此间相不干涉，因其只反射各自特定波长的光波。那么为了完成光纤光栅传感器的多传感器复用，实现应力、应变以及温度等物理量的准分布测量46，只需使用一个波长检测系统，同时对所有FBG反射的布拉格波长的变化进行检测即可。当前，在桩基、管道、桥梁、高速公路、建筑物以及海底油田开采等方面，FBG准分布式光纤传感器因为其优异性能和准分布式的特点得到了广泛应用。而在隧道监测方面，近些年来的应用比较少，但也有一定的应用进展。英国University of Birmingham的科研员将布拉格光纤光栅在隧道衬砌和其接缝的变形监测中加以应用，从而在很大程度上提高了监测的准确性，并且利用布拉格光纤光栅应用于高频响应之中的优点，进行了行车的动静态荷载作用对运营隧道结构影响的监测。与此同时，该研究将布拉格光纤光栅与锚杆技术进行结合，能够清楚地测量到运营隧道的支护结构内锚杆的应力和应变，如果将光信号通过光缆引到控制室里面，能进一步实现对运营隧道结构内部状况的远程监测。图2-2表示FBG光纤传感器在隧道、桥梁、大坝等当中的应用。2.1.3 BOTDR分布式光纤传感技术BOTDR的英文名称是“Brillouin Op-ticalTime-Domain Reflectometry”，其传感技术是一种基于单一脉冲的布里渊散射获取外界环境因素信息的分布式光纤应变测量技术，其中文名称译为“布里渊散光时域反射仪”。布里渊散射光不仅会受到应力、应变的影响，而且也与温度的变化有关，如果隧道的轴向位置发生应力、应变或者分布在隧道沿线的光纤传感器的温度变化的时候，光纤中的背向Brillouin scattering light的频率将会发生漂移，其频率的漂移量与光纤的应力、应变以及温度的改变有关。另外，由于BOTDR分布式光纤传感技术采用了单端入射，其结构简单，能够相当便利的在实际工程中进行应用，因此国内外有很多关于此方案技术的研究。南京长江公路隧道在其运营期内，于公路隧道中安装了BOTOR布里渊散光时域反射仪这种分布式光纤传感器，并且构建了基于BOTDR分布式光纤传感技术的隧道应力与应变监测评价系统（见图2-3），目的是监测隧道衬砌结构面上的应力、应变等多项隧道安全指标因素47。图2-1南京市长江公路隧道的光纤布设示意图根据对南京长江公路隧道的监测结果，表明了BOTDR分布式光纤传感技术在隧道的应力与应变的监测当中是非常行之有效的。另外在监测期间，业主还组织了深入研究如何更好的铺设光纤、怎样对光纤进行更好地保护、周边环境的温度及温度对光纤监测的影响以及变形的计算等等课题，这些研究为光纤传感监测技术在运营隧道结构健康安全评价中的应用铺平了道路。综上所述，光纤传感监测技术是一个整体系列科学技术，它包括很多种类，本文列举了其中的三种：SOFO点式光纤传感器、FBG准分布式光纤传感器以及BOTDR分布式光纤传感等，它们特性及其适用范围各有不同，具体见表2-1。由此可见，在建立运营隧道结构健康安全评价的时候可以在其中取长补、搭配结合使用。表2-1三种光纤传感监测技术各性能指标的对比监测技术传感器类型物理量线性响应分辨率监测范围/调制方法点式SOFO位移是2m10 000相位准分布式FBG应变是15000波长分布式BOTDR应变/温度否30/1C10 000强度根据上表可见，SOFO点式光纤传感器的分辨率相对比较高，但监测布点的数量被其使用成本与信号传输方式的所限制，因此在对隧道的重点部位裂缝监测当中使用较多；BOTDR分布式光纤传感的分辨率较低，但其能够进行长距离的监测，并且能够覆盖大量的面积，因此在对隧道整体结构的应力、应变(或者温度)进行大范围监测时相当适用，例如监测隧道衬砌的表面裂缝长度与宽度； FBG准分布式光纤传感器则介于SOFO与BOTDR之间，测量精度较高，而且可以在实际使用的时，可以将许多个FBG传感器进行串联，因此对一些关键部位的应变监测非常适用，例如钢筋应力差控制系数等。随着SOFO、FBG和BOTDR等光纤传感器的成功应用，光纤监测技术的发展必将为运营隧道结构健康安全评价奠定坚实的技术基础。2.2 光纤传感技术在运营隧道健康安全监测中的运用从上述光纤传感监测技术的基本思路以及其在工程领域的广泛应用表明，光纤传感技术的各种优势，是很多传统的隧道监测方法所不具备的，它比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作和进行长距离、大面积的远程监测，它正逐渐发展成为一个贯穿于隧道施工与运营两大阶段的长短期相结合的科学监测手段。2.2.1运营隧道健康监测安全系统需求分析根据运营地铁隧道的工程特点，可以利用光纤传感技术实现实时监测与定期检测相结合的监测手段，以及预警报警、隧道的结构健康安全状况评估以及远程管理等功能，并且以上的功能能够在运营隧道结构健康安全各项信息的收集、分析、处理以及应用等环节连续运用。同时参照运营地铁隧道在其施工期的特点，有针对性地解决运地铁隧道在施工过程中对光纤传感器的埋设、运营前后各项监测数据的采集以及数据的分析处理方法等关键技术48。2.2.2光纤监测重点部位的选择和监测内容需要合理地布置重点隧道内个监测部位，从而在有限的光纤传感监测点当中，顺利地获取到反映运营隧道结构健康安全状况的各项关键信息。合理地进行监测断面的选择要考虑以下几点：隧道沿线的地层变化状；隧道地基的承载力、基础的内砂石土的液化情况、水压、土压、隧道进出洞口段、纵坡变坡点以及变形缝设置等的分布；隧道的结构应力、应变、受力和结构变形的纵向、横向分布。根据以上几点综合考虑，从而确定监测断面位置。监测断面上的传感器布设以隧道结构的横断面计算为依据，考虑各监测断面荷载特点和横向分布，对管片衬砌主体结构与地层的相互作用关系，对管片尤其是连接螺栓附近的结构内力分布和断面变形等进行分析，共出23个监测参数和相应采用的监测仪器，见表2-2表2-2 运营隧道结构健康安全监测内容及仪器监测内容监测参数监测仪器拱顶土压力拱顶土压力增大系数光纤光栅土压力盒管片钢筋受力管片钢筋应力光纤光栅钢筋应力计钢筋应力差控制系数管片混凝土管片混凝土受力光纤光栅应变计管片（变形）接缝张开度环向接缝宽度连通管线形监测系统光纤光栅微小位移计纵向接缝宽度环向错台径向错台环缝错齿纵缝错齿结构温度分布监测结构温度光纤光栅温度传感器管片接缝管片接缝法向接触力接触压力传感器链接螺栓受力螺栓应力与强度之比光纤光栅应变传感器续表2-2隧道衬砌表面裂缝宽度连通管线监测形系统光纤光栅微小位移计裂缝密度剥落区域直径衬砌强度降低比沉降及不均匀沉降累积沉降值水准仪差异沉降值渗漏水每100m2 渗漏点光纤光栅渗压计水质监测仪水质分析仪单点浸湿面积渗漏水量PH值中性偏离量本文通过综合分析运营隧道自身机构特点和周边环境，来明确各监测对象、监测项目的具体内容、监测参数，参照层次分析法的基本原理，将运营隧道结构健康安全监测按照外荷载、隧道应力结构变形、材质劣化以及渗漏水划分为四个方面，一共19个监测参数。如表2-3所示监测内容和监测参数。根据各监测为评价指标 ，建立运营隧道结构健康安全状况的第二级、和第三级评价指标体系。表2-3 运营隧道结构健康安全监测各级评价指标分布二级三级/监测内容监测参数外荷载作用沉降及不均匀沉降累积沉降值差异沉降值拱顶土压力拱顶土压力增大系数管片钢筋受力钢筋应力差控制系数隧道结构应力变形管片（变形）接缝张开度环向接缝宽度纵向接缝宽度环向错台径向错台环缝错齿纵缝错齿链接螺栓受力螺栓应力与强度之比续表2-3材质劣化隧道衬砌表面裂缝宽度裂缝密度剥落区域直径衬砌强度降低比渗漏水隧道结构每100m2 的渗漏点单点浸湿面积渗漏水量PH值中性偏离量在确定监测重点部位的基础上，根据对上述三层指标体系的分析评估，确定各监测参数及具体检测内容，充分考虑运营隧道的结构特点以及会造成其损伤的模式，重点监测与分析引起隧道结构变形或受力变化的特殊地段，例如：水文、地质等环境与条件，以此作为监测参数和内容的参考依据并进行对其进行科学合理地优化。2.3 运营隧道结构健康安全评价体系健康安全评价的是通过运用系统工程的基本思路与原理，对系统或者工程中存在的有害、风险因素以及可能导致的危害、危险后果及危害程度进行寻找、判断、解析预警，预测和综合评价系统或工程中存在的危险性，并根据其形成事故的风险等级大小，提出科学合理可行的安全对策措施，并指导建议对危险源进行监控，预防事故的发生，从而有效的降低事故率、减少损失以及获得最优的安全投资效益。体系中评价指标的选取是否恰当，将直接影响到评价体系的准确性以及综合评价的结论，而指标选取太多了，重复的指标就会对评价结果有干扰；如果选取的过少，所选的指标可能缺乏足够的代表性，将会带来片面性影响。由此看来，在运营隧道健康安全状况综合评价指标的选取时要遵循一定的原则，使得所选取的指标具有足够代表性和能更好地反映运营隧道的健康状态，原则如下：（1）系统性原则运营隧道结构健康安全评价系统是一个复杂的一人交互系统，预测、分析和解决运营隧道的安全问题需要以整个系统工程的集成思想来思考。（2）定量为主，定性为辅的原则构建综合评价体系时，要达到定量与定性相结合的原则，在已有的定性分析基础上，能够对各项指标进行进一步的量化处理，从而使指标具有较好的可量度性，更能代表评价对象某一方面的具体特征，以便更加科学、客观以及合理的评价。（3）指标之间的独立性原则评价体系中所选取的指标的内涵应该非常明确，不能多个指标的表达含义相互混杂或者内容的含义类似的，要确保同一个层次里，各项评价指标之间互相独立，这样才能够保证结构健康安全评价结果的全明性与真实性。（4）科学性与可靠性原则进行运营隧道结构健康安全评价目的，是为了提高运营隧道的安全管理水平，保证隧道运营的安全，那么评价指标的必须具备可靠性和科学性。1运营隧道健康安全评价体系指标的选取在充分考虑运营隧道健康安全的丰富内涵以及其显著特征的基础上，为了使得运营隧道健康安全这一多指标多层次的复杂问题能够得到科学合理有效地解决，本文根据层次分析的基本思路来确立健康安全指标评判基准与评价指标体系，具体实现步骤如下。首先将运营隧道常见总病害成因归纳为外荷载作用、隧道结构应力变形、材质劣化以及渗漏水4个二级子系统病害，然后对每个二级子系统构建了各自的三级病害指标，从工程应用的角度出发 ，从中选取了 19 个可定量化的指标因素作为评价指标。另外，由于各评价指标原始数据的度量方法、取值范围以及计量单位各不相同，为了便于计算和统一评价，因此需采用极差变换进行量归一化处理。2运营隧道健康安全评价体系的建立本文参照影响隧道结构安全的外在环境因素和内在作用机理因素，同时根据工程的实际情况，运用层次分析法原理，将运营隧道结构健康安全评价体系，自下而上地分解为若干个层次，从而合理有效地确定各层次的评价项目，代表具体的“ 三级评价项目 ”，即可以通过检测、监测等方法能够在实际工程中获取的指标数据5； 代表“ 二级评价项目 ” ，代表若干具体指标可以归于一类的项目，即以某类准则划分因素的大的门类；代表 “区段情况的综合评价， 亦即宏观角度评价盾构隧道的健康状况，从而形成一个包含多个评价子项目多级评价指标的分层次评价系统，如图2-4，图2-4 运营隧道结构健康安全评价体系2.4 安全评价体系模糊评价集的建立和区间量化在传统的多目标决策法中，指标的值是确定的，可以通过仿真分析、解析计算和专家评估等方法获得。实际上，由于数据来源的限制、数据的性质不同、计量单位不一、计算模型的差异化，专家评估的主观差异等，很难获得各个指标的准确值。实际工程应用中，经常通过给定指标参数的变化区间或概率分布来解决指标的不确定性问题。参照层次分析法的相对重要性49和技术成熟度的等级量度术50 ，本文建立0-1区间的模糊评语集。具体实现步骤如下，首先确定运营隧道结构健康安全状况评价的量化值，然后根据本文建立的区间模糊评语集，确定综合评价值所处的模糊区间，获得该运营隧道结构健康安全的实际评价状况，最后根据其健康安全状况，给出相应的建议指导，并采取科学合理有效的措施对策。由于现阶段缺乏统一的运营隧道结构健康安全等级的划分，本文拟从相关的工程规范和标准入手，参考如：GB 50299-1999 地下铁道工程施工及验收规范 ，GB50157-2013地铁设计规范，南京地铁桥梁养护技术标准以及城市轨道交通地下工程建设风险管理规范，并参照相关文献52-54以及地铁工程安全管理实践等，最后结合现行的应用较多的分级办法，以达到满足工程管理和维护保养为目的，来确定运营隧道结构健康安全评价等级。见表2-4，通过整合地铁数据资源和养护规范、标准以及文献，建立了运营隧道健康安全状态等级划分表，将运营隧道健康安全状况划分为5个等级，从 A 到 E，运营隧道结构病害的严重等级依次递增。表2-4 运营隧道健康安全状态等级划分表健康等级评级区间健康安全状况对策A0.61结构无破损保持正常监测和观察B0.40.6结构存在轻微破损保持正常监测和准备采取措施C0.40.3结构存在破坏采取对策措施D0.30.1结构存在较严重破坏尽快采取对策措施E0.10结构存在严重破坏立即采取对策措施2.5 本章小结运营隧道的健康安全状况反映的是隧道结构的损伤或是破坏状态，对运营隧道健康安全状况的综合评价就是要考虑运营隧道结构的各种损伤或破坏状态对隧道运营、通行安全的影响程度的过程。而运营隧道结构的损伤或破坏形态的状况可以通过现场调查和监测测取得，所以，采用隧道结构的损伤或破坏形态作为运营隧道健康状态的综合评价指标是可行的。本章对影响运营隧道结构健康安全状况的因子进行了详细研究与分析，并根据层次分析法的原理和基本思路综合选取了主要的影响指标，从而建立了运营隧道结构健康安全综合评价指标体系，见图2-4，本指标体系即是对运营隧道结构健康安全状况作综合评价的基础，与此同时，这些指标状态地集合也能全面科学地反映运营隧道的结构健康安全状况。3 基于蒙特卡洛模拟的运营隧道结构健康安全健康安全评价3.1 确定健康安全评价体系中各指标的融合权重作为健康安全评价的关键内容，其指标的权重分配是否合理将直接影响到健康安全评价结果的准确性和科学性。在当前，主观赋权法与客观赋权法是两大主要的确立权重的方法。其中，主观赋权法也称为专家赋权法，即专家等主观评价者通过一定的方法对各指标因素进行打分，从而达到对各指标权重赋权的目的，它的缺点是具有较强的主观随意性, 客观性不好, 受对主观决策者的影响较大；客观赋权法是通过提炼与分析各评价指标因素的数据集本身所涵盖的客观信息，从中寻找规律，以确定指标的权重，但其过度依赖于足够的样本数据，通用性和可参与性差，计算方法较为复杂，并且不能体现评价者对不同属性指标因素的主观重视程度，而有时所确定的权重会与指标因素自身属性的实际重要程度相差过大。因此，本文为了更好地确定指标因素的权重，既兼顾决策者的丰富经验，又充分获取客观数据的有效信息，采用融合权重法，达到主观赋权与客观赋权相结合，使得健康安全评价结果更为可靠、客观与真实。3.1.1 主观赋权法主观赋权法主要有三类，如层次分析法、Delphi专家调查法以及最小二乘法。本文最终利用最小二乘法的原理，建立公式（3-1）中所示的最小二乘法模型，使得指标权重的主观赋值与客观赋值的决策结果与最终结果的偏差更小。使用最小二乘法进行权重赋值优化时，需要对最终各指标因素的权重取值进行假设。现在，假设最终各指标的权重表示为。 （3-1）3.1.2 客观赋权法客观赋权法主要有三类，有熵权法、标准离差法以及CRITIC法，本文采用具有数百年发展历史的熵权法，熵是能够非常好的测量“不确定性”的问题，该方法的本质是充分利用指标因素的信息效用值，效用值越高，说明对评价的重要性也越大，能避免权重赋予的时候的主观性，因此本文采用熵权法计算指标因素的权重。计算步骤如下：首先确定已有的指标决策矩阵A=（dkj）mn 。其次用公式（3-1）来计算得出确定，根据信息论使用公式（3-2）可以得到指标的信息熵为Hj，当=0时，规定=0。指标的客观赋值权重j可以用公式（3-3）计算得出，最后将n个指标的客观权重用向量表示为=(1 2 n)T。 （3-2） Hi = ，j=1,2,n （3-3）j= ，j=1,2,n （3-4）3.1.3 融合权重法为了满足主观偏好和客观真实性的双重需求，本文采用主观赋权法与客观赋权法相结合的融合权重法，计算融合权重i （i=1，2， n），可用simple additive weight method，即简单线性加权组合方法进行确定，具体计算步骤如下i = u1i(1-u) 2i （3-5）式中u为主观偏好系数，(1-u)为客观偏好系数，1i当为主观权重，2i为客观权重。当u0.5时，即客观权重在融合权重中所占的比例相对较大，那么主观权重就会较小，反之客观权重所占比例较小而主观权重则会较大。由此认为以上两种赋权方法具有同等的重要性，因此健康安全评价指标因素的融合权重为i = 1i + 2i （3-6）最终，通过公式（3-1）求得运营隧道结构健康安全评价的各二级评价指标因素的主观权重分别为：外荷载作用（0.200）、隧道结构应力变形（0.300）、材质劣化（0.200）、渗漏水（0.200）；通过（3-2）、（3-3）及（3-4）求得各二级评价指标因素的客观权重分别为：外荷载作用（0.172）、隧道结构应力变形（0.328）、材质劣化（0.172）、渗漏水（0.328），最后根据公式（3-5）、（3-6）得到各二级评价指标因素的融合权重如表3-1所示：表3-1 二级评价指标的融合权重二级评价指标主观权重客观权重融合权重外荷载作用0.2000.1720.186隧道结构应力变形0.3000.3280.314材质劣化0.2000.1720.186渗漏水0.3000.3280.314同理，通过公式（3-1）求得运营隧道结构健康安全评价的各三级评价指标因素的主观权重，另外通过（3-2）、（3-3）及（3-4）求得各二级评价指标权的客观权重，最后根据公式（3-5）、（3-6）得到各三级评价指标的融合权重，即监测项目层的融合权重如表3-2所示：表3-2 三级评价指标的融合权重 三级评价指标主观权重客观权重融合权重累积沉降值0.290.2490.2695差异沉降值0.210.2510.2305拱顶土压力增大系数0.290.2490.2695钢筋应力差控制系数0.210.2510.2305环向接缝宽度0.14280.14260.1427纵向接缝宽度0.14280.14260.1427环向错台0.14280.14260.1427径向错台0.14280.14260.1427环缝错齿0.14280.14260.1427纵缝错齿0.14280.14260.1427螺栓应力与强度之比0.14320.14440.1438裂缝宽度0.20.180.19裂缝密度0.20.180.19剥落区域直径0.30.320.31衬砌强度降低比0.30.320.31每100m2 渗漏点0.320.290.305单点浸湿面积0.260.270.265渗漏水量0.280.260.27PH值中性偏离量0.140.180.16同理，本文得到三级指标的实际权重为，其所在二级指标的融合权重乘以三级指标的融合权重，例：L11累积沉降值的实际权重=外荷载作用 L1的融合权重（0.186）乘以L11累积沉降值的融合权重（0.2695）=0.050127，同理求得19个三级评价指标的实际权重，如表3-3所示，表3-3 各三级评价指标的实际权重 评价指标权重实际权重外荷载