发布时间 : 星期日 文章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系更新完毕开始阅读
传感器复用，实现应力、应变以及温度等物理量的准分布测量[46]，只需使用一个波长检测系统，同时对所有FBG反射的布拉格波长的变化进行检测即可。
当前，在桩基、管道、桥梁、高速公路、建筑物以及海底油田开采等方面，FBG准分布式光纤传感器因为其优异性能和准分布式的特点得到了广泛应用。而在隧道监测方面，近些年来的应用比较少，但也有一定的应用进展。
英国University of Birmingham的科研员将布拉格光纤光栅在隧道衬砌和其接缝的变形监测中加以应用，从而在很大程度上提高了监测的准确性，并且利用布拉格光纤光栅应用于高频响应之中的优点，进行了行车的动静态荷载作用对运营隧道结构影响的监测。与此同时，该研究将布拉格光纤光栅与锚杆技术进行结合，能够清楚地测量到运营隧道的支护结构内锚杆的应力和应变，如果将光信号通过光缆引到控制室里面，能进一步实现对运营隧道结构内部状况的远程监测。图2-2表示FBG光纤传感器在隧道、桥梁、大坝等当中的应用。 2.1.3 BOTDR分布式光纤传感技术
BOTDR的英文名称是“Brillouin Op-ticalTime-Domain Reflectometry”，其传感技术是一种基于单一脉冲的布里渊散射获取外界环境因素信息的分布式光纤应变测量技术，其中文名称译为“布里渊散光时域反射仪”。
布里渊散射光不仅会受到应力、应变的影响，而且也与温度的变化有关，如果隧道的轴向位置发生应力、应变或者分布在隧道沿线的光纤传感器的温度变化的时候，光纤中的背向Brillouin scattering light的频率将会发生漂移，其频率的漂移量与光纤的应力、应变以及温度的改变有关。另外，由于BOTDR分布式光纤传感技术采用了单端入射，其结构简单，能够相当便利的在实际工程中进行应用，因此国内外有很多关于此方案技术的研究。
南京长江公路隧道在其运营期内，于公路隧道中安装了BOTOR布里渊散光时域反射仪这种分布式光纤传感器，并且构建了基于BOTDR分布式光纤传感技术的隧道应力与应变监测评价系统（见图2-3），目的是监测隧道衬砌结构面上的应力、应变等多项隧道安全指标因素[47]。
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图2-1 南京市长江公路隧道的光纤布设示意图
根据对南京长江公路隧道的监测结果，表明了BOTDR分布式光纤传感技术在隧道的应力与应变的监测当中是非常行之有效的。另外在监测期间，业主还组织了深入研究如何更好的铺设光纤、怎样对光纤进行更好地保护、周边环境的温度及温度对光纤监测的影响以及变形的计算等等课题，这些研究为光纤传感监测技术在运营隧道结构健康安全评价中的应用铺平了道路。
综上所述，光纤传感监测技术是一个整体系列科学技术，它包括很多种类，本文列举了其中的三种：SOFO点式光纤传感器、FBG准分布式光纤传感器以及BOTDR分布式光纤传感等，它们特性及其适用范围各有不同，具体见表2-1。由此可见，在建立运营隧道结构健康安全评价的时候可以在其中取长补、搭配结合使用。
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表2-1 三种光纤传感监测技术各性能指标的对比
监测 技术 点式 准分布式 分布式 传感器类型 SOFO FBG BOTDR 物理量 位移 应变 应变/温度 线性响应 是 是 否 分辨率 2μm 1με 30με/1°C 监测范围/με ±10 000 ±5000 ±10 000 调制方法 相位 波长 强度 根据上表可见，SOFO点式光纤传感器的分辨率相对比较高，但监测布点的数量被其使用成本与信号传输方式的所限制，因此在对隧道的重点部位裂缝监测当中使用较多；BOTDR分布式光纤传感的分辨率较低，但其能够进行长距离的监测，并且能够覆盖大量的面积，因此在对隧道整体结构的应力、应变(或者温度)进行大范围监测时相当适用，例如监测隧道衬砌的表面裂缝长度与宽度； FBG准分布式光纤传感器则介于SOFO与BOTDR之间，测量精度较高，而且可以在实际使用的时，可以将许多个FBG传感器进行串联，因此对一些关键部位的应变监测非常适用，例如钢筋应力差控制系数等。
随着SOFO、FBG和BOTDR等光纤传感器的成功应用，光纤监测技术的发展必将为运营隧道结构健康安全评价奠定坚实的技术基础。
2.2 光纤传感技术在运营隧道健康安全监测中的运用
从上述光纤传感监测技术的基本思路以及其在工程领域的广泛应用表明，光纤传感技术的各种优势，是很多传统的隧道监测方法所不具备的，它比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作和进行长距离、大面积的远程监测，它正逐渐发展成为一个贯穿于隧道施工与运营两大阶段的长短期相结合的科学监测手段。 2.2.1运营隧道健康监测安全系统需求分析
根据运营地铁隧道的工程特点，可以利用光纤传感技术实现实时监测与定期检测相结合的监测手段，以及预警报警、隧道的结构健康安全状况评估以及远程管理等功能，并且以上的功能能够在运营隧道结构健康安全各项信息的收集、分析、处理以及应用等环节连续运用。同时参照运营地铁隧道在其施工期的特点，有针对性
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地解决运地铁隧道在施工过程中对光纤传感器的埋设、运营前后各项监测数据的采集以及数据的分析处理方法等关键技术[48]。 2.2.2光纤监测重点部位的选择和监测内容
需要合理地布置重点隧道内个监测部位，从而在有限的光纤传感监测点当中，顺利地获取到反映运营隧道结构健康安全状况的各项关键信息。合理地进行监测断面的选择要考虑以下几点：隧道沿线的地层变化状；隧道地基的承载力、基础的内砂石土的液化情况、水压、土压、隧道进出洞口段、纵坡变坡点以及变形缝设置等的分布；隧道的结构应力、应变、受力和结构变形的纵向、横向分布。根据以上几点综合考虑，从而确定监测断面位置。
监测断面上的传感器布设以隧道结构的横断面计算为依据，考虑各监测断面荷载特点和横向分布，对管片衬砌主体结构与地层的相互作用关系，对管片尤其是连接螺栓附近的结构内力分布和断面变形等进行分析，共出23个监测参数和相应采用的监测仪器，见表2-2
表2-2 运营隧道结构健康安全监测内容及仪器
监测内容 拱顶土压力 管片钢筋受力 钢筋应力差控制系数 管片混凝土 管片混凝土受力 环向接缝宽度 纵向接缝宽度 管片（变形） 接缝张开度 环向错台 径向错台 环缝错齿 纵缝错齿 结构温度分布监测 管片接缝 链接螺栓受力
监测参数 拱顶土压力增大系数 管片钢筋应力 监测仪器 光纤光栅土压力盒 光纤光栅钢筋应力计 光纤光栅应变计 连通管线形监测系统 光纤光栅微小位移计 结构温度 管片接缝法向接触力 螺栓应力与强度之比 15 光纤光栅温度传感器 接触压力传感器 光纤光栅应变传感器