隧道结构健康监测的发展趋势

1、.：.；隧道构造安康监测的开展趋势摘 要：随着我国经济建立和城市的快速开展，城市人口增长对城市交通的压力急剧增大，世界各国都在经过建筑各种城市地下隧道来缓解这一矛盾，各类城市隧道工程在规模和数量上都得到了迅猛开展。隧道构造的平安性变得日益突出，而隧道工程的实际分析同实践情况存在作较大的差别，使得隧道构造的安康监测变得日益突出。1. 安康监测的目的意义和必要性隧道平安关系着人类生命平安和社会经济活动，由于隧道地质条件恶化、火灾、构造损伤、退化和失稳等呵斥的事故，严重要挟着隧道的正常运营。隧道施工的平安问题引起了人们的亲密关注，主要表如今以下方面：1隧洞开挖的进口段：由于隧洞都是浅埋隧洞，且都存在

2、边坡，导致该段围岩两面临空，加上爆破的影响导致围岩的自稳才干下降，支护构造受力存在一定的不确定性。2构造带：由于围岩受构造影响，节理裂隙发育，无规律性，围岩的自稳性能极差，围岩多呈松散构造，断层带的影响宽度不确定，加之水的影响，使得该段产生冒顶及垮塌的能够性加大。3浅埋段：潜埋段隧道围岩，在碳酸岩地层受水体溶蚀的影响较大，加之围岩顶板较薄，出现冒顶的景象能够性加大，加大了开挖及支护过程中的难度。4岩溶发育段：由于岩溶发育地段很难查清岩溶的发育规模及范围，在开挖及支护过程中添加了不确定要素。5地层走向不利地段：由于岩层的走向及倾角对围岩的自稳性能影响较大如程度岩层。6含脆弱夹层围岩：由于夹脆弱夹

3、层的围岩，多会出现冒顶及垮塌景象。7水影响段：由于水体的存在，多会对层间构造面的力学目的有较大的不利影响，加之施工过程中对水体通道的改动产生的淘蚀作用，使得围岩的自稳性能恶化。 8软岩段围岩级别：岩体自稳才干差，围岩开挖暴露后崩解，遇水容软化。 9含水层与相对隔水层交界处，而产生突涌泥景象。由于有以上不良地质情况的存在添加了隧洞在施工期间及运营期间平安隐患。为了确保隧道工程平安、及时预告险情，除了对隧道进展加固、维护之外，对隧道工程的平安和稳定形状的监测和评价也非常重要。建立监测系统对隧道工程进展监测、评价和预测以趋利避害，曾经成为现代隧道工程开展的迫切要求。此外，随着人们对工程施工过程和现役

4、工程长期监测的重要性认识的不断深化，以及国家相关工程平安法规的实施，隧道工程监测得到了迅速开展，成为隧道工程的一个重要研讨课题。2.隧道现阶段监测手段的弊端隧道工程监测不断是世界岩土工程界的难题，也是研讨的热点，运用的实际和技术也多种多样。理想的隧道工程监测系统应具有以下特征：能及时处置监测数据，分析监测信息，随时掌握隧道的稳定情况，对能够出现的险情及时进展预警；为隧道构造安康形状的正确分析评价、预测预告及治理维护提供可靠的根底性数据，为决策部门制定相应的防灾减灾对策提供科学根据；监测结果也是检验隧道设计参数、工程质量及治理工程效果的有效尺度，同时为进展有关的反分析和数值计算提供参数等。隧道构

5、造安康监测的目的应是在保证人力本钱最低的前提下，对新建和已建的构造物进展丈量、探伤和评价Wu Z S，2003。隧道构造安康监测的关键内容之一就是数据采集。当前所需求的是一个可以从运营构造中采集数据的有效方法，并对数据进展处置和分析，做出稳定性、可靠性等方面的评价Zong Z H等，2002。由于构造安康监测在大型根底工程中的宽广运用前景，各国都曾经在积极开展该项技术的运用研讨。在世界各国政府的支持和研讨机构的努力下，构造安康检测正逐渐成熟起来，并在航空航天、桥梁和建筑物等各领域获得了阶段性的胜利，部分成果曾经运用在了工程实际当中Whelan M P 等，2002。相比而言，构造安康监测在隧道

6、领域的开展，那么明显滞后于桥梁等领域，这主要是隧道构造和岩土工程条件的复杂性和监测上的难度等要素呵斥的。隧道工程普通规模较大，属于线状工程，长达几公里到数十公里，往往穿越许多不同的环境空域和时域，工程条件经常比较复杂，有时环境非常恶劣，因此要准确、快速、长间隔 、实时和大范围获得构造体的变形数据和变化规律并非易事，有赖于监测系统的先进性和功能，有赖于先进实际和方法的指点。目前对于工程质量和平安监测主要是经过对岩土和构造的应力、应变和温度等物理目的监测来实现的，其中尤以岩土体和构造的变形监测最为重要，由于变形是构造体在内外动力作用和人类工程活动作用下的一种根本表现方式，是构造体在受内外作用后的外

7、在综合反映，是分析构造体形状和平安的根本物理量。隧道构造安康监测主要集中在构造的位移、应变和沉降三个方面，常规的检测和监测技术和方法存在以下局限性：1均为点式的:点式的检测方法布点常带有随意性，最危险的地方常能够被漏检，存在监测盲区；添加监测点数，虽然提高了结果的可靠性，但任务量和设备本钱大为添加，思索到经济和效率等要素，实践工程或研讨工程中也不能够无限布设各种检测探头或传感器；2工程环境差别性大：传统技术监测速度慢、效率低，需求专门的操作人员，而隧道工程条件经常比较复杂，传感器对温度、湿度、电磁场和其它环境要素敏感，常因传感器和仪器设备受潮、生锈而失效，其运作和维修本钱高。因此，非常需求一种

8、对环境要素影响小、耐久性和长期稳定性好的远程监测技术；3实时、并行和自动化监测程度不高：目前常用的检测和监测技术实践上多为检测技术而不是监测技术，多为静态单点检测，有些检测技术具有多通道的检测功能，但通道数是非常有限的，无法满足实践构造变形的实时、并行和自动监测的要求。而隧道工程往往需求实时动态和自动监测，如地铁运营期间的隧道变形监测等；4短少长间隔 和大面积的监测技术：隧道工程长达数公里到数十公里，对这钟长间隔 和大面积的监测对象，传统点式的检测和监测技术和方法普通无能为力；5监测系统的集成化程度不高：各种检测和监测技术自成体系、彼此独立，现场监测、数据处置和分析评价系统等环节间集成化程度不

9、高，从而影响到监测的效率和数据分析。现阶段运用于隧道工程监测技术和方法正在向自动化、高精度及远程监测的方向开展。常规监测方法技术趋于成熟，设备精度、设备性能都具有较高程度，但主要采用人工采集数据的方法，其监测任务量大、效率低和监测周期长，无法实现实时监测，尤其是在运营期间，监测时间短、任务量宏大，常规监测技术的弊端更加明显。构造变形的常规检测和监测技术的上述缺乏，严重地妨碍了人们对构造变形机理和规律的认识，影响了人们在工程灾祸防治和工程管理中的正确判别和相关措施的实施。因此，非常需求改动目前构造变形监测的现状，运用新的实际和方法，实现岩土体变形的分布式监测，以弥补上述的缺乏。分布式监测是指利用

10、相关的监测技术获得被丈量在空间和时间上的延续分布信息。而构造变形的分布式监测就是在构造体中布设线形传感元件，构成一个传感监测网络，利用相关的调制解调技术，延续监测传感网络沿线构造体的变形信息，这些传感网络就像在构造体内部植入了能感知的神经网络，当构造发生任何变形时，监测系统就能感知它们的大小和分布情况，从而获得构造的变形和开展规律。这种监测方法的突出优点就是改动了传统的点式监测方式，弥补了点式监测的缺乏，实现了实时、长间隔 和分布式的监测目的。隧道构造在其寿命期内的安康情况与其沿线的工程地质、水文地质条件有着亲密的关系，地质数据库是隧道运营管理数据库管理系统的一个重要组成部份。3. 国内外研讨

11、现状针对以上引见的隧道工程监测特点，显然，传统的监测技术和方法已不能完全满足其监测要求，需求不断研发出新的监测技术和方法与之顺应。随着现代电子、通讯和计算机技术的开展，各种先进的自动远程监测系统相继问世，为隧道工程的全天候、自动化远程监测发明了条件。光纤传感技术是近年来才开展起来的尖端监测技术，最初用于通讯工业，近年来在传感领域逐渐得到广泛运用。光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀、耐久性长等特点，传感器体积小、分量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小Udd E，1995；Ansari F，2003。光纤传感技术具有准分布式、长间隔 和实

12、时性等优点，因此已引起隧道构造监测界的广泛注重，成为隧道构造安康监测技术的研讨重点。从点式的SOFO，到准分布式的FBG，再到全分布式BOTDR的多种光纤传感技术为隧道构造安康监测提供了新一代的监测技术。准分布式的布拉格光纤光栅FBG是最早出现的一种光栅，也是运用最为普遍的光栅。目前，以FBG为传感元件的光纤光栅传感器是研发的主流，且曾经在土木工程领域具有广泛的运用。它的主要优点有：1、灵敏度高。FBG的波长随着波长、温度呈现良好的线性关系。在1550nm处其波长变化的典型值为0.1nm/、0.3nm/100MPa、10nm/1%应变。2、尺寸小，易掩埋。单模光纤的典型直径为125 ,已有直径

13、40 的光纤见诸报道，而FBG的运用长度通常小于20mm，可意很容易埋入构造中而对构造没有影响；3、对电绝缘且抗电磁干扰；4寿命长。初步加速老化实验证明，FBG在适当的暴露环境和退火条件下任务周期大于25年也性能没有明显的退化。5、复用性好。目前，利用布拉格光纤光栅为传感元件的光纤光栅传感器被用于丈量工程构造的应变、温度、位移、沉降、压力等重要参数，并有很多工程运用实例，例如，瑞士联邦资料测试和研讨实验室2000将FBG光纤光栅传感器安装与Sargans隧道中，用于监测隧道的长期温度和应变变化；美国海军研讨实验室光纤智能构造中心2000研制了一种基于FBG的光纤光栅压力传感器，并运用于公路的动

14、态监测中；但是，FBG依然有很多问题需求处理与完善，比如说光纤光栅传感器封装技术、温度/应变效应分别、动态高速丈量、光纤光栅传感器的优化布置等。分布式光纤传感主要利用光的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射效应来实现的，目前主要产品有：光时域反射计简称OTDR；拉曼散射光时域反射丈量仪简称ROTDR；布里渊散射光时域反射丈量仪(简称BOTDR)和布里渊光时域分析丈量仪简称BOTDA等。分布式光纤传感器具有光纤传感器所固有的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小和分量轻等优点，尤其是BOTDR分布式光纤传感技术，属于目前国际上最前沿的尖端技术，在隧道监测方面与传统监测技术相比具有如下优点：1光纤既是传感

15、介质，又是传感信号传输通道：光纤上恣意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可进展空间上的延续检测，光纤像人的神经一样对被测对象进展感知和监视；2分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，也不需求定制传感器，只需非常廉价的普统统讯光纤，假设将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，抑制传统点式监测漏检的弊端，提高监测胜利率；3长间隔 ：现代的大型隧道构造工程通常长达数公里到数十公里，要经过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而经过铺设传感光纤，光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长

16、间隔 目前可达80公里、全方位监测和实时延续控测；4耐久性：传统的工程监测普通采用电测式监测技术，传感器易受潮湿失效，不能顺应一些大型工程长期监测的需求。光纤的主要资料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性；5抗干扰。光纤是非金属、绝缘资料，防止了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤；6轻细柔韧。光纤的这一特性，使它在埋入构筑物的过程中，防止了匹配的问题，便于安装埋设。因此，研讨、开发和运用基于BOTDR的隧道工程分布式监测技术具有重要意义。分布式光纤传感监测技术的上述优点，可以弥补目前在隧道工程中常用的检测

17、和监测技术存在的缺乏，是新一代检测和监测技术的开展方向。由于分布式光纤传感监测技术的诸多优点，因此它已成为国际上一些主要兴隆国家如日本、瑞士、加拿大、美国、法国、英国等国的研发热点和艰苦研讨课题，研发任务的重点主要集中分布式光纤传感技术的性能改善和运用技术的研发。近年来，光纤传感技术在隧道工程的研讨和运用逐渐增多：Ishii H等对分布式温度监测系统在隧道火灾探测中运用的几个相关问题进展分析和讨论；Shiba K等运用BOTDR分布式光纤传感技术采用新奥法施工的铁路隧道的放射混凝土、支撑内力进展监测，传感光纤的监测结果与传统传感器相比，在准确度方面可以满足要求，在预测应力分布方面具有一定的优越

18、性。丁勇等引见了光纤构造监测SOFO、布拉格光纤光栅FBG和分布式光纤传感器BOTDR等3种光纤传感技术的根本原理、功能及其在隧道构造安康监测系统中的作用，并运用BOTDR分布式应变丈量技术，对隧道拱圈截面变形进展了分布式应变监测；日本NTT公司开发了基于BOTDR的共同沟隧道监测系统，经过应变丈量对日本名古屋的共同沟隧道进展损伤探测，10 km范围内其变形丈量误差仅为0.1 mm，并经过室内实验对共同沟隧道监测系统的可靠性、抗震性和丈量精度进展了验证。4. 隧道构造安康监测的前景随着经济的开展，人们对构造平安的注重，特别是大型隧道类大型公共建筑的平安性，引起了政府部门的高度注重，隧道构造的安康监测将具有良好的市场前景。下面是从三个方面阐明构造安康监测的运用前景。1政府对隧道构造的平安性日益注重隧道垮塌事故的频发，引起了政府部门的高度注