隧道健康监测解决方案

隧道健康监测隧道健康监测 解决方案解决方案 隧道健康监测系统 1背景概述背景概述 随着隧道工程的大规模建设 隧道工程的运营期结构状况的评估 运营现 状以及工程服务寿命的预测已成为隧道工程建设需要解决的重大课题 同时也 是隧道运营业主关心的一个重要议题 盾构隧道因长期受地表水与地下水有害作用的影响 在施工和运营过程中 渗漏水会使结构不均匀沉降 隧道产生弯曲 导致隧道接缝张开 从而进一步 加剧渗漏 隧道的渗漏水会影响结构的耐久性和设备的正常使用 危及行车安 全 同时水的流失使得孔隙水压力降低 土中有效应力增加 从而土体被压密 而引起沉降 某隧道的沉降观测表明 隧道在建成之后其沉降一直在持续发展 累计沉 降最大值在上行线和下行线均超过 地铁隧道保护条例 1992 所规定的 20mm总位移量的标准 并且未见近期收敛稳定的趋势 伴随沉降值的增大 隧道的纵向不均匀沉降愈加显著 隧道全线也出现多处安全隐患 隧道健康监测系统建立的目的是通过对隧道结构状况以及其他工作状况的 监测 为运营期结构状况的评估 运营现状以及工程服务寿命的预测提供大量 监测数据 为了实现这些功能 隧道健康监测系统需要对以下几个方面对隧道 进行监测 隧道结构侵蚀监测 隧道结构监测 包括 变形 收敛 内力 接缝监测 地层监测 包括 土压力 水压力监测 对隧道进行健康监测具有以下作用 认识不同工况下 隧道结构 地层及相邻环境的变化及发展规律 以便 有针对性的改进施工工艺 调整施工参数 建立预警制度 实现实时或准实时的整体结构检测 及时发现隧道监测 断面乃至整体可能存在的损伤和质量退化 保证结构安全 为研究岩土性质 地下水条件 施工方法与隧道变形 水土压力及地表 沉降的关系积累数据 为改进设计提供依据 隧道健康监测系统 预测隧道未来的工作状态 对发现的隧道异常进行初步分析 并提供经 济合理的维护建议 可以合理的进行交通管理 保证人民生命财产安全 在出现事故隐患的 情况下 及时采取降低车流 疏散人员等措施 隧道健康监测系统能够实现如下功能 施工期和运营期实时监控 实时数据采集 存储 处理 远程系统管理和控制 自动生成报表 隧道状态变化曲线图等 通过多项数据分析技术对结构变化进行初步分析和多级预警 远程数据访问及主动信息发布 与GIS系统和其它监控系统的无缝连接 辅助决策与应急预案管理发布系统 系统设备故障自诊断功能 自由设定报警规则和阈值 2隧道健康监测系统隧道健康监测系统 系统应用了光纤传感技术 自动化数据采集和传输技术 统计分析技术 数据库技术 网络技术等构建了一个智能化的系统 为相关管理人员提供最及 时的监测数据及现场信息 根据隧道健康监测的要求 重点介绍以下两部分功能 管片接缝张开量监测 管片接缝张开量监测可以在线提供当前各监测管片之间的间隙大小 为进 行隧道截面收敛性分析提供基础数据 并能够通过管片接缝张开量 预判可能 发生的危险事件 隧道温度分布 火灾 监测 光纤分布式火灾监测系统 能将隧道内任意位置的实时温度显示出来 并 连接到火灾报警信息网 做到预防为主 隧道内一旦发现所测量环境温度值超 过标准设定报警温度时 光纤分布式温度监测系统把实时报警信号送到消防报 隧道健康监测系统 警主机 消防报警控制主机随后将发出火灾声光报警并显示 同时把报警信号 上传至隧道管理所 2 1 系统结构系统结构 2 1 1 整体结构整体结构 隧道健康监测系统采用分布式光纤应变温度监测系统 DSTS 作为核心 设备 系统整体结构可以分为 光纤传感网络和监测站两部分 光纤传感网络 由感温光缆和应变光缆组成 分别完成隧道温度及应变量的传感传输 图图 1 系统布置示意图系统布置示意图 2 1 2 张开量监测设计张开量监测设计 图图 2 光纤敷设示意图光纤敷设示意图 光纤敷设基本面为管片的内壁 以管片间隙为中心两边间隔 250mm 各安 隧道健康监测系统 装一个光纤固定件在管片内壁上 再把传感光纤固定在光纤固定件上 当管片 接缝张开量增大时 传感光纤左右两个固定点距离也会增大 这样传感光纤就 能够测量到这个变化 光纤在管片上环绕一周 然后沿隧道行进方向走线 到下一块管片时 再 环绕一周 若为已建成的隧道 则只能在管片上环绕半周 对于相邻管片环差异沉降监测的传感光缆的铺设 这里给出初步考虑 沿 隧道两壁过管片缝隙呈交叉方式敷设 两壁光纤以串联的方式相连接形成两个 通道直线 在项目中可以试点进行试验来验证该铺设方法是否可行 2 1 3 隧道内温度监测设计隧道内温度监测设计 公路隧道项目常用对隧道空间的温度探测方法是将感温光缆吊装于隧道顶 部中央 这样的话 可以保证感温光纤至两根车道上的行驶车辆相等 也就是 说 可以保证分布式感温光纤对两根车道空间的探测灵敏度一致 光缆悬吊安装在隧道顶部 距离顶部 150mm 以保持良好的通风与快速响 应时间 探测光缆每隔 1 到 1 5 米用线夹固定 施工简单 探测光缆 隧道顶部 1 5m Z 型支架 75 150mm 图图 3 隧道内探测光缆安装示意图 隧道内探测光缆安装示意图 1 另外一种安装方式 感温光缆还可以采用钢丝绳吊装方式 此时只需要每 隧道健康监测系统 隔 10 米左右钉一个吊钩 张紧钢丝绳固定于吊钩 感温光缆可以采用扎带或 是电缆挂钩与钢丝绳固定在一起 此时感温光缆的安装如下图所示 探测光缆 隧道顶部 75 150mm 张紧铁丝绳 5 10m 1m 吊架捆绑带紧线螺栓 图图 4 隧道内探测光缆安装示意图 隧道内探测光缆安装示意图 2 2 2 光纤敷设光纤敷设 整个施工以不影响正常营运为原则 安装时间安排在晚间地铁停运期间 并安全有序的进行施工 具体步骤如下 信号光缆铺设 从现场监测站出一根多芯光缆沿隧道壁到监测点 确定光纤固定件的安装点 按照路由设计确定光纤固定件的安装点 管片接缝张开量变化监测的光纤固定件的安装点是以隧道纵向管片与 管片之间的间隙缝为中心 安装光纤固定件 在已经打好的钻孔内或基座上安装膨胀螺栓并在螺 栓上均匀的涂抹上铸工胶水 把光纤固定件的底座用螺丝拧固在膨胀 螺栓或基座上 接缝张开量变化监测光纤的铺设 光纤固定在沿隧道纵向安装的夹具 上并把光纤拉直呈受力状态 光缆连接 把传感光纤与多芯光缆连接并用光缆接续盒保护好连接点 线路测试 安装完毕后测试出光纤初始状态的数据并保存 2 3 数据处理及数据处理及通信通信 DSTS 的采集文件被转换并输出到文件夹中 表格的每一栏都代表了传感 隧道健康监测系统 光缆线路上一个地理位置点的不同温度值 每一行都显示了一个获取数据的空 间温度 应变曲线分布 以这个表格为基础 绘制两种类型的图表用做进一步的 分析 一种是显示光缆线路上温度 应变与空间分布曲线图 另一种显示某一特 定点的温度 应变随时间变化曲线图 如下图示 图图 5 软件界面软件界面 DSTS 把实时收到的温度信号通过 USB RS232 内置继电器 MODBUS 等多种输出形式与 PC PLC 消防报警系统 SCADA 等其他控制 设备进行互连 可与报警控制器等系统进行联网 提供信号进行声光报警 通 过互联网 还可提供全球定位系统定位 无线通讯 服务电话 SMS 短信等服 务 2 3 1 预警预警 监测结果将分别传输到设在现场和设在研究中心内的计算机上 根据监测 结果 采用有限元程序 ANSYS FLAC 等对结果进行分析 对衬砌结构是否会 开裂给出预警 给出结构破坏趋势的预测 分析结构变形可能对结果造成的影 响和影响范围 依据上述分析结果和安全度分析结果 给出分级预警报告 上述监测结果 还可用于对设计模型的修正 提高设计水平 加快技术进 隧道健康监测系统 步 考虑到现阶段对监测数据的分析尚需进一步的积累 本监测系统将在研究 机构设研究中心 在研究中心将利用监测结果 通过荷载反演 损伤识别 可 靠性分析 时间序列分析 数据融合等手段 对监测结果作进一步分析 得到 更高精度和更多参量的监测结果 本系统的另一个优点就是在施工初期就开始安装监测系统 除能监测施工 期安全外 还能将初始状态的监测结果作为健康监测系统的初值 减少监测系 统的误差 通过施工期的安全监测的运行 检验监测系统的可靠性 每 30 分钟检测一次 自动记录数据 施工期间每天出报告一份 如遇特 殊问题 可视具体情况 缩短报告时间 正常使用期间 对结构进行实时分析 定期出结构健康报告 3小结小结 利用光纤布里渊散射原理 对隧道的结构变形 应变进行监测 对隧道可 能出现的异常变形进行长期在线监测目前在国内还鲜有实际应用 以 DSTS 为 核心监测设备 对隧道的结构及温度分布进行监测 可以有效的降低事故的发 生概率 同时也能够填补隧道变形监测这一领域目前的空白状况 而基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术 DSTS 在技术指标上较 DTS BOTDR 要更胜一筹 将会是未来分布式光纤传感系统的发展方向 突出 的性能指标具体表现为 超长的可监测距离 达到