隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

1、隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)Company Document number ： WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)摘要:隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市的快速發(fā)展，城市人口增長(zhǎng)對(duì)城市 交通的壓力急劇增大，世界各國(guó)都在通過(guò)修建各種城市地下隧道來(lái)緩解這 一矛盾，各類城市隧道工程在規(guī)模和數(shù)量上都得到了迅猛發(fā)展。隧道結(jié)構(gòu) 的安全性變得日益突出，而隧道工程的理論分析同實(shí)際情況存在作較大的 差異，使得隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)變得日益突出。1 .健康監(jiān)測(cè)的目的意義和必要性隧道安全關(guān)系著人類生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，由于隧道地質(zhì)條件惡 化、火災(zāi)、結(jié)構(gòu)損傷、退化和失穩(wěn)等造成的事故，

2、嚴(yán)重威脅著隧道的正常 運(yùn)營(yíng)。隧道施工的安全問(wèn)題引起了人們的密切關(guān)注，主要表現(xiàn)在以下方 面：1）隧洞開挖的進(jìn)口段：由于隧洞都是淺埋隧洞，且都存在邊坡，導(dǎo)致 該段圍巖兩面臨空，加上爆破的影響導(dǎo)致圍巖的自穩(wěn)能力下降，支護(hù)結(jié)構(gòu) 受力存在一定的不確定性。2）構(gòu)造帶：由于圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，無(wú)規(guī)律性，圍巖的 自穩(wěn)性能極差，圍巖多呈松散結(jié)構(gòu)，斷層帶的影響寬度不確定，加之水的 影響，使得該段產(chǎn)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(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象可能性加大，加大了開挖及支護(hù)過(guò)程 中的難度。4）巖溶發(fā)育段：由于巖溶發(fā)育地段很難查清巖溶

3、的發(fā)育規(guī)模及范圍， 在開挖及支護(hù)過(guò)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(duì)圍巖的自穩(wěn)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(huì)出現(xiàn)冒頂及垮塌現(xiàn) 象。7）水影響段：由于水體的存在，多會(huì)對(duì)層間結(jié)構(gòu)面的力學(xué)指標(biāo)有較大 的不利影響，加之施工過(guò)程中對(duì)水體通道的改變產(chǎn)生的淘蝕作用，使得圍 巖的自穩(wěn)性能惡化。8）軟巖段（圍巖級(jí)別）：巖體自穩(wěn)能力差，圍巖開挖暴露后崩解，遇 水容軟化。9）含水層與相對(duì)隔水層交界處，而產(chǎn)生突涌泥現(xiàn)象。由于有以上不良地質(zhì)情況的存在增加了隧洞在施工期間及運(yùn)營(yíng)期間安全 隱患。為了確保隧道工程安全、及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，除了對(duì)隧道進(jìn)行加

4、固、維護(hù)之 外，對(duì)隧道工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估也十分重要。建立監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)對(duì)隧道工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)以趨利避害，己經(jīng)成為現(xiàn)代隧道工程 發(fā)展的迫切要求。此外，隨著人們對(duì)工程施工過(guò)程和現(xiàn)役工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的 重要性認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及國(guó)家相關(guān)工程安全法規(guī)的實(shí)施，隧道工程監(jiān) 測(cè)得到了迅速發(fā)展，成為隧道工程的一個(gè)重要研究課題。2 .隧道現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)手段的弊端隧道工程監(jiān)測(cè)一直是世界巖土工程界的難題，也是研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用的 理論和技術(shù)也多種多樣。理想的隧道工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征：能及 時(shí)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測(cè)信息，隨時(shí)掌握隧道的穩(wěn)定狀況，對(duì)可能出現(xiàn) 的險(xiǎn)情及時(shí)進(jìn)行預(yù)警；為隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的正確分析

5、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及 治理維護(hù)提供可靠的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為決策部門制定相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策提 供科學(xué)依據(jù)；監(jiān)測(cè)結(jié)果也是檢驗(yàn)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、工程質(zhì)量及治理工程效果 的有效尺度，同時(shí)為進(jìn)行有關(guān)的反分析和數(shù)值計(jì)算提供參數(shù)等。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目標(biāo)應(yīng)是在保證人力成本最低的前提下，對(duì)新建和 已建的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行測(cè)量、探傷和評(píng)估（Wu Z S, 2003） o隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān) 測(cè)的關(guān)鍵內(nèi)容之一就是數(shù)據(jù)采集。當(dāng)前所需要的是一個(gè)能夠從運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)中 采集數(shù)據(jù)的有效方法，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，做出穩(wěn)定性、可靠性等 方面的評(píng)價(jià)（Zong Z H等，2002）。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在大型基礎(chǔ)工程中 的廣闊應(yīng)用前景，各國(guó)都已經(jīng)在積極開展該項(xiàng)

6、技術(shù)的應(yīng)用研究。在世界各 國(guó)政府的支持和研究機(jī)構(gòu)的努力下，結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)正逐漸成熟起來(lái)，并在 航空航天、橋梁和建筑物等各領(lǐng)域取得了階段性的成功，部分成果己經(jīng)應(yīng) 用在了工程實(shí)踐當(dāng)中（Whelan M P等，2002）。相比而言，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在隧道領(lǐng)域的發(fā)展，則明顯滯后于橋梁等領(lǐng) 域，這主要是隧道結(jié)構(gòu)和巖土工程條件的復(fù)雜性和監(jiān)測(cè)上的難度等因素造 成的。隧道工程一般規(guī)模較大，屬于線狀工程，長(zhǎng)達(dá)幾公里到數(shù)十公里， 往往穿越許多不同的環(huán)境空域和時(shí)域，工程條件常常比較復(fù)雜，有時(shí)環(huán)境 十分惡劣，因此要準(zhǔn)確、快速、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)和大范圍獲得結(jié)構(gòu)體的變形 數(shù)據(jù)和變化規(guī)律并非易事，有賴于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性和功能，有賴于

7、先進(jìn) 理論和方法的指導(dǎo)。目前對(duì)于工程質(zhì)量和安全監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)對(duì)巖土和結(jié) 構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等物理指標(biāo)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中尤以巖土體和結(jié)構(gòu) 的變形監(jiān)測(cè)最為重要，因?yàn)樽冃问墙Y(jié)構(gòu)體在內(nèi)外動(dòng)力作用和人類工程活動(dòng) 作用下的一種基本表現(xiàn)形式，是結(jié)構(gòu)體在受內(nèi)外作用后的外在綜合反映， 是分析結(jié)構(gòu)體狀態(tài)和安全的基本物理量。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要集中在結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變和沉降三個(gè)方面，常規(guī) 的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法存在以下局限性：（1）均為點(diǎn)式的：點(diǎn)式的檢測(cè) 方法布點(diǎn)常帶有隨意性，最危險(xiǎn)的地方常可能被漏檢，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；增 加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)，雖然提高了結(jié)果的可靠性，但工作量和設(shè)備成本大為增加， 考慮到經(jīng)濟(jì)和效率等因素，實(shí)際工

8、程或研究項(xiàng)目中也不可能無(wú)限布設(shè)各種 檢測(cè)探頭或傳感器；（2）工程環(huán)境差異性大：傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測(cè)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(fù)雜，傳感器對(duì)溫 度、濕度、電磁場(chǎng)和其它環(huán)境因素敏感，常因傳感器和儀器設(shè)備受潮、生 銹而失效，其運(yùn)作和維修成本高。因此，十分需要一種對(duì)環(huán)境因素影響 小、耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)；（3）實(shí)時(shí)、并行和自動(dòng)化監(jiān) 測(cè)程度不高：目前常用的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)際上多為檢測(cè)技術(shù)而不是監(jiān)測(cè) 技術(shù)，多為靜態(tài)單點(diǎn)檢測(cè)，有些檢測(cè)技術(shù)具有多通道的檢測(cè)功能，但通道 數(shù)是十分有限的，無(wú)法滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時(shí)、并行和自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要 求。而隧道工程往往需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和自動(dòng)監(jiān)

9、測(cè)，如地鐵運(yùn)營(yíng)期間的隧道變 形監(jiān)測(cè)等；（4）缺少長(zhǎng)距離和大面積的監(jiān)測(cè)技術(shù)：隧道工程長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里到 數(shù)十公里，對(duì)這鐘長(zhǎng)距離和大面積的監(jiān)測(cè)對(duì)象，傳統(tǒng)點(diǎn)式的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技 術(shù)和方法一般無(wú)能為力；（5）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化程度不高：各種檢測(cè)和監(jiān) 測(cè)技術(shù)自成體系、彼此獨(dú)立，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)等環(huán)節(jié) 間集成化程度不高，從而影響到監(jiān)測(cè)的效率和數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)階段應(yīng)用于隧道工程監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法正在向自動(dòng)化、高精度及遠(yuǎn)程監(jiān) 測(cè)的方向發(fā)展。常規(guī)監(jiān)測(cè)方法技術(shù)趨于成熟，設(shè)備精度、設(shè)備性能都具有 較高水平，但主要采用人工采集數(shù)據(jù)的方法，其監(jiān)測(cè)工作量大、效率低和 監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是在運(yùn)營(yíng)期間，監(jiān)測(cè)時(shí)間短

10、、工作 量巨大，常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的弊端更加明顯。結(jié)構(gòu)變形的常規(guī)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù) 的上述不足，嚴(yán)重地阻礙了人們對(duì)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，影響了人 們?cè)诠こ虨?zāi)害防治和工程管理中的正確判斷和相關(guān)措施的實(shí)施。因此，十 分需要改變目前結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，應(yīng)用新的理論和方法，實(shí)現(xiàn)巖土體 變形的分布式監(jiān)測(cè)，以彌補(bǔ)上述的不足。分布式監(jiān)測(cè)是指利用相關(guān)的監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得被測(cè)量在空間和時(shí)間上的連續(xù) 分布信息。而結(jié)構(gòu)變形的分布式監(jiān)測(cè)就是在結(jié)構(gòu)體中布設(shè)線形傳感元件， 形成一個(gè)傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用相關(guān)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)沿 線結(jié)構(gòu)體的變形信息，這些傳感網(wǎng)絡(luò)就像在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部植入了能感知的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生任何變形時(shí)，

11、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能感知它們的大小和分布狀 況，從而獲得結(jié)構(gòu)的變形和發(fā)展規(guī)律。這種監(jiān)測(cè)方法的突出優(yōu)點(diǎn)就是改變 了傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測(cè)方式，彌補(bǔ)了點(diǎn)式監(jiān)測(cè)的不足，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、長(zhǎng)距離和 分布式的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。隧道結(jié)構(gòu)在其壽命期內(nèi)的健康狀況與其沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件 有著密切的關(guān)系，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是隧道運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要 組成部份。3 .國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對(duì)以上介紹的隧道工程監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，顯然，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法己不 能完全滿足其監(jiān)測(cè)要求，需要不斷研發(fā)出新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法與之適應(yīng)。 隨著現(xiàn)代電子、通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 相繼問(wèn)世，為隧道工程的全天候、自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了條件。光

12、纖傳感技術(shù)是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的尖端監(jiān)測(cè)技術(shù)，最初用于通訊工 業(yè)，近年來(lái)在傳感領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。光纖傳感器具有抗電磁干擾、 防水、抗腐蝕、耐久性長(zhǎng)等特點(diǎn)，傳感器體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安 裝，將其植入監(jiān)測(cè)對(duì)象中不存在匹配的問(wèn)題，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的性能和力學(xué)參 數(shù)等影響較?。║dd E, 1995； Ansari F, 2003） o光纖傳感技術(shù)具有（準(zhǔn)）分布式、長(zhǎng)距離和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，因而己引起隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)界的廣 泛重視，成為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究重點(diǎn)。從點(diǎn)式的SOFO,到準(zhǔn)分 布式的FBG,再到全分布式B0TDR的多種光纖傳感技術(shù)為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 提供了新一代的監(jiān)測(cè)技術(shù)。準(zhǔn)分布式的布拉格光纖

13、光柵（FBG）是最早出現(xiàn)的一種光柵，也是應(yīng)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(fā)的主 流，且已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：尤其是BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)，屬于目前國(guó)際上最前沿的尖端技術(shù)， 在隧道監(jiān)測(cè)方面與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）光纖既是傳感介 質(zhì)，又是傳感信號(hào)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(jìn)行空間上的連續(xù)檢測(cè)，光纖像人的神經(jīng)一樣對(duì) 被測(cè)對(duì)象進(jìn)行感知和監(jiān)視；（2）分布式：自光纖的一端就可以準(zhǔn)確測(cè)出光 纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息，無(wú)需構(gòu)成回路，也不 需要定制傳感器，只需十分廉

14、價(jià)的普通通訊光纖，如果將光纖縱橫交錯(cuò)鋪 設(shè)成網(wǎng)狀即可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的全方位監(jiān) 測(cè)，克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)漏檢的弊端，提高監(jiān)測(cè)成功率；（3）長(zhǎng)距離：現(xiàn)代 的大型隧道結(jié)構(gòu)工程通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里到數(shù)十公里，要通過(guò)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)是相當(dāng)困難的，而通過(guò)鋪設(shè)傳感光纖，光纖既作為傳感 體又作為傳輸體就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離（目前可達(dá)80公里）、全方位監(jiān)測(cè)和實(shí) 時(shí)連續(xù)控測(cè)；（4）耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測(cè)一般采用電測(cè)式監(jiān)測(cè)技術(shù)，傳 感器易受潮濕失效，不能適應(yīng)一些大型工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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

15、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(duì)光波無(wú)干擾。此外，光波易于屏蔽，外界光的干 擾也很難進(jìn)入光纖；（6）輕細(xì)柔韌。光纖的這一特性，使它在埋入構(gòu)筑物 的過(guò)程中，避免了匹配的問(wèn)題，便于安裝埋設(shè)。因此，研究、開發(fā)和應(yīng)用 基于BOTDR的隧道工程分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重要意義。分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)目前在隧道工程中常用 的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的不足，是新一代檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。由 于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此它已成為國(guó)際上一些主要發(fā) 達(dá)國(guó)家如日本、瑞士、加拿大、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)的研發(fā)熱點(diǎn)和重大 研究課題，研發(fā)工作的重點(diǎn)主要集中分布式光纖傳感

16、技術(shù)的性能改善和應(yīng) 用技術(shù)的研發(fā)。近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)在隧道工程的研究和應(yīng)用逐漸增多：Ishii H等 對(duì)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道火災(zāi)探測(cè)中應(yīng)用的幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析和 探討；Shiba K等應(yīng)用BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)采用新奧法施工的鐵路隧 道的噴射混凝土、支撐內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感光纖的監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)傳感器 相比，在精確度方面能夠滿足要求，在預(yù)測(cè)應(yīng)力分布方面具有一定的優(yōu)越 性。丁勇等介紹了光纖結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)（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(shù)的基本原理、功能及其在隧道 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用，并應(yīng)用BOTDR分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，對(duì)隧道 拱圈

17、截面變形進(jìn)行了分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)；日本NTT公司開發(fā)了基于BOTDR的 共同溝隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)變測(cè)量對(duì)日本名古屋的共同溝隧道進(jìn)行損傷 探測(cè)，10 km范圍內(nèi)其變形測(cè)量誤差僅為0.1 mm,并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)共同 溝隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、抗震性和測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證。4 .隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的前景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)將具有 良好的市場(chǎng)前景。下面是從三個(gè)方面說(shuō)明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用前景。1）政府對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性日益重視隧道垮塌事故的頻發(fā)，引起了政府部門的高度重視，國(guó)家逐漸加大了對(duì) 隧道結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)與維修加固的投入。對(duì)很多新建的隧道