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隧道結構健康監測的發展趨勢
發布時間：2014-06-03
隧道結構的安全性變得日益突出，而隧道工程的理論分析同實際情況存在作較大的差異，使得隧道結構的健康監測變得日益突出。關 鍵 詞：隧道結構 健康監測 發展趨勢
1. 健康監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濟活動，由于隧道地質條件惡化、火災、結構損傷、退化和失穩等造成的事故，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，且都存在邊坡，導致該段圍巖兩面臨空，加上爆破的影響導致圍巖的自穩能力下降，支護結構受力存在一定的不確定性。
2）構造帶：由于圍巖受構造影響，節理裂隙發育，無規律性，圍巖的自穩性能極差，圍巖多呈松散結構，斷層帶的影響寬度不確定，加之水的影響，使得該段產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，出現冒頂的現象可能性加大，加大了開挖及支護過程中的難度。
4）巖溶發育段：由于巖溶發育地段很難查清巖溶的發育規模及范圍，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，多會出現冒頂及垮塌現象。
7）水影響段：由于水體的存在，多會對層間結構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生的淘蝕作用，使得圍巖的自穩性能惡化。
8）軟巖段（圍巖級別）：巖體自穩能力差，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，而產生突涌泥現象。
由于有以上不良地質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定狀態的監測和評估也十分重要。建立監測系統對隧道工程進行監測、評估和預測以趨利避害，已經成為現代隧道工程發展的迫切要求。此外，隨著人們對工程施工過程和現役工程長期監測的重要性認識的不斷深入，以及國家相關工程安全法規的實施，隧道工程監測得到了迅速發展，成為隧道工程的一個重要研究課題。
2.隧道現階段監測手段的弊端
隧道工程監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。理想的隧道工程監測系統應具有以下特征：能及時處理監測數據，分析監測信息，隨時掌握隧道的穩定狀況，對可能出現的險情及時進行預警；為隧道結構健康狀態的正確分析評價、預測預報及治理維護提供可靠的基礎性數據，為決策部門制定相應的防災減災對策提供科學依據；監測結果也是檢驗隧道設計參數、工程質量及治理工程效果的有效尺度，同時為進行有關的反分析和數值計算提供參數等。
隧道結構健康監測的目標應是在保證人力成本最低的前提下，對新建和已建的結構物進行測量、探傷和評估（Wu Z S，2003）。隧道結構健康監測的關鍵內容之一就是數據采集。當前所需要的是一個能夠從運營結構中采集數據的有效方法，并對數據進行處理和分析，做出穩定性、可靠性等方面的評價（Zong Z H等，2002）。由于結構健康監測在大型基礎工程中的廣闊應用前景，各國都已經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的努力下，結構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域取得了階段性的成功，部分成果已經應用在了工程實踐當中（Whelan M P 等，2002）。
相比而言，結構健康監測在隧道領域的發展，則明顯滯后于橋梁等領域，這主要是隧道結構和巖土工程條件的復雜性和監測上的難度等因素造成的。隧道工程一般規模較大，屬于線狀工程，長達幾公里到數十公里，往往穿越許多不同的環境空域和時域，工程條件常常比較復雜，有時環境十分惡劣，因此要準確、快速、長距離、實時和大范圍獲得結構體的變形數據和變化規律并非易事，有賴于監測系統的先進性和功能，有賴于先進理論和方法的指導。目前對于工程質量和安全監測主要是通過對巖土和結構的應力、應變和溫度等物理指標監測來實現的，其中尤以巖土體和結構的變形監測最為重要，因為變形是結構體在內外動力作用和人類工程活動作用下的一種基本表現形式，是結構體在受內外作用后的外在綜合反映，是分析結構體狀態和安全的基本物理量。
隧道結構健康監測主要集中在結構的位移、應變和沉降三個方面，常規的檢測和監測技術和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，最危險的地方常可能被漏檢，存在監測盲區；增加監測點數，雖然提高了結果的可靠性，但工作量和設備成本大為增加，考慮到經濟和效率等因素，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）工程環境差異性大：傳統技術監測速度慢、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、電磁場和其它環境因素敏感，常因傳感器和儀器設備受潮、生銹而失效，其運作和維修成本高。因此，十分需要一種對環境因素影響小、耐久性和長期穩定性好的遠程監測技術；（3）實時、并行和自動化監測程度不高：目前常用的檢測和監測技術實際上多為檢測技術而不是監測技術，多為靜態單點檢測，有些檢測技術具有多通道的檢測功能，但通道數是十分有限的，無法滿足實際結構變形的實時、并行和自動監測的要求。而隧道工程往往需要實時動態和自動監測，如地鐵運營期間的隧道變形監測等；（4）缺少長距離和大面積的監測技術：隧道工程長達數公里到數十公里，對這鐘長距離和大面積的監測對象，傳統點式的檢測和監測技術和方法一般無能為力；（5）監測系統的集成化程度不高：各種檢測和監測技術自成體系、彼此獨立，現場監測、數據處理和分析評價系統等環節間集成化程度不高，從而影響到監測的效率和數據分析。
現階段應用于隧道工程監測技術和方法正在向自動化、高精度及遠程監測的方向發展。常規監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據的方法，其監測工作量大、效率低和監測周期長，無法實現實時監測，尤其是在運營期間，監測時間短、工作量巨大，常規監測技術的弊端更加明顯。結構變形的常規檢測和監測技術的上述不足，嚴重地阻礙了人們對結構變形機理和規律的認識，影響了人們在工程災害防治和工程管理中的正確判斷和相關措施的實施。因此，十分需要改變目前結構變形監測的現狀，應用新的理論和方法，實現巖土體變形的分布式監測，以彌補上述的不足。
分布式監測是指利用相關的監測技術獲得被測量在空間和時間上的連續分布信息。而結構變形的分布式監測就是在結構體中布設線形傳感元件，形成一個傳感監測網絡，利用相關的調制解調技術，連續監測傳感網絡沿線結構體的變形信息，這些傳感網絡就像在結構體內部植入了能感知的神經網絡，當結構發生任何變形時，監測系統就能感知它們的大小和分布狀況，從而獲得結構的變形和發展規律。這種監測方法的突出優點就是改變了傳統的點式監測方式，彌補了點式監測的不足，實現了實時、長距離和分布式的監測目標。
隧道結構在其壽命期內的健康狀況與其沿線的工程地質、水文地質條件有著密切的關系，地質數據庫是隧道運營管理數據庫管理系統的一個重要組成部份。
3. 國內外研究現狀
針對以上介紹的隧道工程監測特點，顯然，傳統的監測技術和方法已不能完全滿足其監測要求，需要不斷研發出新的監測技術和方法與之適應。隨著現代電子、通訊和計算機技術的發展，各種先進的自動遠程監測系統相繼問世，為隧道工程的全天候、自動化遠程監測創造了條件。
光纖傳感技術是近年來才發展起來的尖端監測技術，最初用于通訊工業，近年來在傳感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，將其植入監測對象中不存在匹配的問題，對監測對象的性能和力學參數等影響較小（Udd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感技術具有（準）分布式、長距離和實時性等優點，因而已引起隧道結構監測界的廣泛重視，成為隧道結構健康監測技術的研究重點。從點式的SOFO，到準分布式的FBG，再到全分布式BOTDR的多種光纖傳感技術為隧道結構健康監測提供了新一代的監測技術。
準分布式的布拉格光纖光柵（FBG）是最早出現的一種光柵，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的主流，且已經在土木工程領域具有廣泛的應用。它的主要優點有：
（1）、靈敏度高。FBG的波長隨著波長、溫度呈現良好的線性關系。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20mm，可意很容易埋入結構中而對結構沒有影響；
（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，FBG在適當的暴露環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構的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數，并有很多工程應用實例，例如，瑞士聯邦材料測試和研究實驗室（2000）將FBG光纖光柵傳感器安裝與Sargans隧道中，用于監測隧道的長期溫度和應變變化；美國海軍研究實驗室光纖智能結構中心（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監測中；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、動態高速測量、光纖光柵傳感器的優化布置等。
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來實現的，目前主要產品有：光時域反射計（簡稱OTDR）；拉曼散射光時域反射測量儀（簡稱ROTDR）；布里淵散射光時域反射測量儀(簡稱BOTDR)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點，尤其是BOTDR分布式光纖傳感技術，屬于目前國際上最前沿的尖端技術，在隧道監測方面與傳統監測技術相比具有如下優點：（1）光纖既是傳感介質，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檢測，光纖像人的神經一樣對被測對象進行感知和監視；（2）分布式：自光纖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成網狀即可構成具備一定規模的監測網，實現對監測對象的全方位監測，克服傳統點式監測漏檢的弊端，提高監測成功率；（3）長距離：現代的大型隧道結構工程通常長達數公里到數十公里，要通過傳統的監測技術實現全方位的監測是相當困難的，而通過鋪設傳感光纖，光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實現長距離（目前可達80公里）、全方位監測和實時連續控測；（4）耐久性：傳統的工程監測一般采用電測式監測技術，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入光纖；（6）輕細柔韌。光纖的這一特性，使它在埋入構筑物的過程中，避免了匹配的問題，便于安裝埋設。因此，研究、開發和應用基于BOTDR的隧道工程分布式監測技術具有重要意義。
分布式光纖傳感監測技術的上述優點，可以彌補目前在隧道工程中常用的檢測和監測技術存在的不足，是新一代檢測和監測技術的發展方向。由于分布式光纖傳感監測技術的諸多優點，因此它已成為國際上一些主要發達國家如日本、瑞士、加拿大、美國、法國、英國等國的研發熱點和重大研究課題，研發工作的重點主要集中分布式光纖傳感技術的性能改善和應用技術的研發。
近年來，光纖傳感技術在隧道工程的研究和應用逐漸增多：Ishii H等對分布式溫度監測系統在隧道火災探測中應用的幾個相關問題進行分析和探討；Shiba K等應用BOTDR分布式光纖傳感技術采用新奧法施工的鐵路隧道的噴射混凝土、支撐內力進行監測，傳感光纖的監測結果與傳統傳感器相比，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越性。丁勇等介紹了光纖結構監測（SOFO）、布拉格光纖光柵（FBG）和分布式光纖傳感器（BOTDR）等3種光纖傳感技術的基本原理、功能及其在隧道結構健康監測系統中的作用，并應用BOTDR分布式應變測量技術，對隧道拱圈截面變形進行了分布式應變監測；日本NTT公司開發了基于BOTDR的共同溝隧道監測系統，通過應變測量對日本名古屋的共同溝隧道進行損傷探測，10 km范圍內其變形測量誤差僅為0.1 mm，并通過室內試驗對共同溝隧道監測系統的可靠性、抗震性和測量精度進行了驗證。
4. 隧道結構健康監測的前景
隨著經濟的發展，人們對結構安全的重視，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，隧道結構的健康監測將具有良好的市場前景。下面是從三個方面說明結構健康監測的應用前景。
1）政府對隧道結構的安全性日益重視
隧道垮塌事故的頻發，引起了政府部門的高度重視，國家逐漸加大了對隧道結構安全檢測與維修加固的投入。對很多新建的隧道都做了結構健康監測系統，可以預見，隨著經濟水平的提高，國家對隧洞掃構健康監測的投入將會繼續加大。
2）過去偏低的安全可靠度面臨新的挑戰
過去由于經濟原因，建筑的荷載取值偏低。2001新《建筑結構荷載規范》頒布之前，一些荷載的標準值比建國前還低，其可靠度水平很低。隧洞的設計也存在同樣的問題，過去按偏低的設計標準設計的隧道，急切需要進行監測與加固。
3）隧道結構受力的復雜性
隨著許多計算軟件的面市，隧道的理論分析取得了長足的發展，但地質的復雜性難以進行模擬，導致理論分析及實際受力存在很大的差異，通過監測手段能有效的解決理論分析的盲區。
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