隧道结构健康监测的发展趋势.docx

隧道构造安康监测开展趋势
一、 安康监测目意义和必要性
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、退化和失稳等造成事故，严重威胁着隧道正常运营，隧道施工平安问题引起了人们密切关注，主要表现在以下方面：
1） 、隧洞开挖进口段：由于隧洞都是浅埋隧洞，且都在边坡，导致该段围岩两面临空，加上爆破影响导致围岩自稳能力下降，支护构造受力存在一定不确定性。
2） 、构造带：由于围岩受构造影响，节理裂隙发育，无规律性，围岩自稳性能极差，围岩多呈松散构造，断层带影响宽度不确定，加之水影响，使得该段产生冒顶及垮塌可能性加大。
3） 、浅埋段：浅埋段隧道围岩，在碳酸岩地层受水体溶蚀影响较大，加之围岩顶板较薄，出现冒顶现象可能性加大，加大了开挖及支护过程中难度。
4） 、岩溶发育段：由于岩溶发育地段很难查清岩溶发育规模及范围，在开挖及支护过程中增加了不确定因素。
5） 、地层走向不利地段：由于岩层走向及倾角对围岩自稳性能影响较大〔如水平岩层〕。
6） 、含软弱夹层围岩：由于夹软弱夹层围岩，多会出现冒顶及垮塌现象。
7） 、水影响段：由于水体存在，多会对层间构造面力学指标有较大不利影响，加之施工过程中对水体通道改变产生淘蚀作用，使得围岩自稳定性能恶化。
8） 、软岩层〔围岩级别〕：岩体自稳定能力差，围岩卡瓦暴露后崩解，遇水容软化。
9） 、含水层和相对隔水层交界处，而产生突涌泥现象。
由于有以上不良地质情况存在，增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，及时预报险情，除了对隧道进展加固、维护之外，对隧道工程平安和稳定状态监测和评估也十分重要，家里监测系统对隧道工程进展监测，评估和预测以趋利避害，已经成为了现代隧道工程开展迫切要求。此外，随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测重要性认识不断深入，一级国家相关工程平安法规实施，隧道工程监测得到了迅速开展，成为隧道工程一个重要研究课题。
二、 隧道现阶段监测手段利弊
隧道工程监测一直是世界岩土工程界难题，也是研究热点，应用理论和技术也多种多样，理想隧道工程监测系统应具有以下特征：能及时处理监测数据，分析监测信息，随时掌握隧道稳定状态，对可能出现险情及时进展预警；为隧道构造安康状态正确分析评价、预测预报及治理维护提供可靠根底性数据，为决策部门制定相应防灾减灾对策提供科学依据；检测结果也是检验隧道设计参数、工程质量及治理工程效果有效尺度，同事为进展有关反分析和数值计算提供参数等。
隧道构造安康监测目标应是在保证人力本钱最低前提下，对新建和已建构造物进展测量，探伤和评估〔Wu Z S2003〕,隧道构造安康监测关键内容之一就是数据采集，当前所需要是一个能够从运营构造中采集数据有效方法，并对数据进展处理和分析，做出稳定性、可靠性等方面评价〔Zong Z H等，2002〕。由于构造安康监测在大兴根底工程中广泛应用前景，各国都在积极开展该项技术应用研究。在世界各国政府支持和研究机构努力下，构造安康监测正逐渐成熟起来，并在航空航天、桥梁和建筑物等各领域取得了阶段性成功，局部成果已经应用在工程实践当中〔Whelan M P等2002〕。
相比而言，构造安康监测在隧道领域发张，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复杂性和监测上难度等因素造成。隧道工程一般规模较大，属于线状工程，长达几公里到数十公里，往往穿越虚度不同环境空域和时域。工程条件常常比拟复杂，有时环境十分恶劣，因此要准确、快速、长距离、实时和大范围获得构造体变形数据和变化规律并非易事，有赖于监控系统先进性和功能，有赖于先进理论和方法知道，目前对于工程质量和平安监测主要是通过对岩土和构造应力。、应变和温度等物理指标监测来实现，其中尤以岩土体和构造监测最为重要，因为变形是构造体在内外动力作用和人类工程活动作用下一种根本表现形式，是构造体在受内外作用后在综合反映，是分析构造状态和平安根本物理量。
隧道构造安康监测主要集中在构造位移、应变和沉降三个方面，常规检测、监测技术与方法存在以下局限性：〔1〕均为点式：点式检测方法布点常带有随意性，最危险地方常可能被漏检，存在监测盲区；增加监测点数，虽然提高了结果可靠性，但工作量和设备本钱大为增加，考虑到经济和效率等因素，实际工程或研究工程中也不可能无限布设各种检测探头或传感器；〔2〕工程环境差异性大：传统技术监测速度慢、效率低，需要专门操作人员，而隧道工程条件常常比拟复杂，传感器对温度、湿度、电磁场和其他环境因素敏感，常因传感器和仪器设备受潮、生锈而失效，其运作和维护本钱高。因此，十分需要一种对环境因素影响小、耐久性和长期稳定性好远程监测技术；〔3〕实时、并行和自动化监测程度不高：目前常用检测和检测技术实际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检测功能，但通道数是十分有限，无法满足实际构造变形实时、并行和自动监测要求，而隧道工程往往需要实时动态和自动监测，如地铁运营期间隧道变形监测等；〔4〕缺少长距离和大面积检测技术：隧道工程长达数公里到数十公里，对这种长距离和大面积监测对象，传统点式检测和监测技术和方法一般无能为力；〔5〕监测系统集成化程度不高：各种检测和监测技术自成体系，彼此独立，现场监测、数据处理和分析评价系统等环境间集成化程度不高，从而影响到监测效率和数据分析。
现阶段应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水平，但主要采用人工采集数据方法，其监测工作量大、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、工作量巨大，常规监测技术弊病更加明显。构造变形常规监测和监测技术上述缺乏，严重阻碍了人们对构造变形机理和规律认识，影响了人们在工程灾害和工程管理中正确判断和相关措施实时。因此，十分需要改变目前构造变形监测现状，应用新理论和方法，实现岩土体变形分布式监测，以弥补上述缺乏。
分布式监测量指利用相关监测技术获得被测量在空间和时间上连续分布信息，而构造变形分布式监控就是在构造体中布设线形传感器元件，形成一个传感监测网络，利用相关调制解调技术，连续监测传感网络沿线构造体变形信息，这些传感网络就像在构造体内部植入了能感知神经网络，当构造发生任何变形时，监测系统就能感知它们大小和分布状态，从而获得构造变形和开展规律。这种监测方法突出优点就是改变了传统点式监测方式，弥补了点式监测缺乏，实现了实时、长距离和分布式监测目标。
隧道构造在其寿命周期内监控状态与其沿线工程地质、水文地质条件有着密切关系，地质数据库是隧道运营管理数据库管理系统一个重要组成局部。
三、 国内外研究现状
针对以上介绍隧道工程监测特点，显然，传统监测技术和方法已不能完全满足其监测要求，需要不断研发出新监测技术和方法与之适应。随着现代电子、通讯和计算机技术开展，各种先进自动远程监测系统相继问世，为隧道工程全天候、自动化远程监测创造了条件。
光纤传感器技术是近年来才开展起来尖端监测技术，最初用于通讯工业，近年来在传感器领域逐渐得到广泛应用。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、重量轻、便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配问题，对监测对象性能和力学参数等影响较小〔Udd E，1995；Ansari F，2003〕。光纤传感器技术具有〔准〕分布式、长距离和实时性等优点，因而已引起隧道构造监测界广泛重视，成为隧道构造安康监测技术研究重点，从点式SOFO，到准分布式FBG，再到全分布式BOTOR多种光纤传感技术为隧道构造安康监测提供了新一代监测技术。
准分布式布拉格光纤光栅〔FBG〕是最早出现一种光栅，也是应用最为普遍光栅，目前，以FBG为传感元件光纤光栅传感器是研发主流，而且已经在土木工程领域具有广泛应用，它主要优点有：
（1） ℃0.3nm/100MPa、10nm/1%应变；
（2） 尺寸小、易掩埋，单模光纤典型直径为125，已有直径40光纤见诸报道，而FBG应用长度通常小于20nm，可以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，初步加速老化试验证明，FBG在适当暴露环境和退火条件下工作周期大于25年也性能没有明显退化；
（5） 复用性好，目前，利用布拉格光纤光栅为传感元件光纤光栅传感器被用于测量工程构造应变、温度、位移、沉降、压力等重要参数，并有很多工程应用实例，例如，瑞士联邦材料测试和研究实验室〔2000〕将FBG光纤光栅传感器安装于Sargans隧道中，用于监测隧道长期温度和应变变化；美国海军研究实验室光纤只能构造中心〔2000〕研制了一种基于FBG光纤光栅压力传感器，并应用于公路动态监测中；但是FBG仍然有很多问题需要解决与完善，比方说光纤光栅传感器封装技术，温度/应变效应别离、动态高速测量、光纤光栅传感器优化布置等。
分布式光纤传感器主要利用瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射效应来实现，目前主要产品有：光时域反射计〔简称OTOR〕；拉曼散射光时域反射测量仪〔简称ROTOR〕等。;布里渊散射光时域反射测量仪〔简称BOTOR〕和布里渊光时域分析测量仪〔简称BOTDA〕等。分布式光纤传感器具有光纤传感器所固有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小和重量轻等优点，尤其是BOTDR分布式光纤传感器，属于目前国际上最前沿尖端技术，在隧道监测方面与传统监测技术相比具有如下优点：〔1〕光纤既有传感介质，又是传感信号传输通道：光纤上任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元信息传输通道，可进展空间上连续检测，光纤像人神经一样对被测对象京信感知和监视；〔2〕分布式：自光纤一端就可以准确测出光纤沿线任一点上应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，也不需要定制传感器，秩序十分廉价普通通讯光纤，如果将光纤纵横交织铺设成网状即可构成具备一定规模监测网，实现对监测对象全方位监测，客服传统点式监测漏检弊端，提高监测成功率；〔3〕长距离：现代大型隧道构造工程通常长达数公里到数十公里，要通过传统监测技术实现全方位监测是相当困难，而通过铺设传感光纤，光纤即作为传感体又作为传输体就可以实现长距离〔目前可达80公里〕。全方位监测和实时连续监测;〔4〕耐久性：传统工程监测一般采用电监测式监测技术，传感器易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测需要。光纤主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大耐久性；〔5〕抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，防止了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外光易于屏蔽，外界光干扰也很难进入光纤；〔6〕轻细柔韧：光纤这一特性，使它在埋入构筑物过程中，防止了匹配问题，便于安装埋设。因此，研究、开发和应用基于BOTDR隧道工程分布式监测技术具有很重要意义。
分布式光纤传感器监测技术上述优点，可以弥补目前在隧道工程中常用检测和监测技术存在缺乏，是新一代检测和监测技术开展方向。由于分布式光纤传感监测技术诸多优点，因此它已成为国际上一些主要兴旺国家如日本、瑞士、加拿大、美国、法国、英国等国研发热点和重大研究课题，研发工作重点主要集中分布式光纤传感器技术性能改善和应用技术研发。
近年来，光纤传感器技术在隧道工程研究和应用逐渐增多：Ishii H等对分布式温度监测系统在隧道火灾探测中应用几个相关问题进展分析和探究；Shiba k等应用BOTDR分布式光纤传感器技术采用新奥法施工铁路隧道喷射混凝土、支撑内力进展监测，传感光纤监测结果与传统传感器相比，在准确度方面能够满足要求，在预测应力分布方面具有一定优越性，丁勇等介绍了光纤构造监测〔SOFO〕、布拉格光纤光栅〔FBG〕和分布式光纤传感器〔BOTDR〕等3种光纤传感器技术根本原理、功能及其在隧道构造安康监测系统中作用，并应用BOTDR分布式应变量技术，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共同沟隧道监测系统；通过应变测量对日本名古屋共同沟隧道进展损伤探测，10km范围内其变形测量误差仅为0.1mm，并通过室内试验对共同沟隧道监测系统可靠性、抗震性和测量精度进展了验证。
四、 隧道构造安康监测前景
随着经济开展，人们对构造平安重视，特别是大型隧道类大型公共建筑平安性，引起了政府部门高度重视，隧道构造安康监测将具有良好市场前景。下面是从三个方面说明构造安康监测应用前景。
1） 政府对隧道构造平安性日益重视
隧道垮塌事故频发，引起了政府部门高度重视，国家逐渐加大了对隧道构造平安检测和维修加固投入，对很多新建隧道都做了构造安康监测系统，可以预见，随着经济水平提高，国家对隧洞构造安康监测投入将会继续加大。
2） 过去偏低平安科靠度面临新挑战
过去由于经济原因，建筑荷载取值偏低，2001新?建筑构造荷载标准?公布之前，一些荷载标准值建国前还低，其可靠度水平低，隧洞设计也存在同样问题，过去按偏低设计标准设计隧道，急迫需要进展监测与加固。
3） 隧道构造受力复杂性
随着许多计算机软件面世，隧道理论分析取得了长足开展，但地质复杂性难以进展模拟，导致理论分析及实际受力存在很大差异，通过监测手段能有效解决理论分析盲区。