发布时间 : 星期一 文章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系 - 图文更新完毕开始阅读
特卡洛方法的运营隧道结构健康安全评价与传统的确定性数值方法不同，其用以解决概率统计或者随机性中非确定性问题，解决指标之间互相矛盾以及定量、定性共存问题。
1.5 研究思路和框架
对超高层建筑物、大型桥梁、地下工程、隧道等土木结构的结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）体现了一个国家土木工程建设和管理的水平。国内外这些领域的学者专家自上世纪90 年代起便孜孜不倦地研究针对上述大型工程结构的监测系统技术，在工程实践中，相关的成果正逐渐得以应用[30- 35]。
运营隧道结构健康监测(Operational Tunnel Structural Health Monitoring Survey，OTSHMS)涉及土木工程、监测技术、分析技术及信息科学等多个学科领域，是SHM在运营隧道领域所应用的一个综合性系统工程。
监测技术和结构健康安全评价是OTSHMS的关键的核心技术。监测技术要求达到实时监测和定期监测相结合，可长期准确地采集到隧道结构体和它所处环境的关键参数( 如水、土压力和结构受力、应变等)，进而依据实测的参数特征变化，通过运营隧道结构健康安全评价体系，来判断隧道结构的安全与健康状况；结构健康安全评估分析技术探索隧道运营过程中的长期安全性评价，并对此提出相应的评估分析方法和体系。要建立一个OTSHMS，关键要获取与隧道结构相关的各类动静态的数据，而要提供这些数据的及时性与准确性，就必须强化运营隧道的监测方法与技术。
本文针对目前我国隧道工程结构健康安全评价在隧道运营时期的不足，基于运营隧道结构健康监测系统(OTSHM)的相关理论与优势，运用实时定期与长期相结合的检测手段，对运营隧道结构进行长期监控并及时提供反馈，对这一系统中存在的健康安全性事故进行充分辨识与定性、定量分析，得到综合且客观的评价指标，建立了科学的运营隧道结构健康安全评估指标体系。同时，结合城市轨道交通运营健康安全的评价理论，采用有针对性的、适用的安全评价方法，对正确评价地铁隧道
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结构系统运营安全现状、修正可能出现的偏差、确定合适的养护措施、提高隧道结构系统安全水平具有重要的理论意义与实用价值[35]。
1、第1章绪论主要内容
主要介绍研究背景、目的及研究意义，并结合当前国内外对运营隧道结构监测系统和运营隧道健康安全的研究现状，提出当前研究存在的不足，以此构建本文的研究内容、方法和技术路线。
2、第2章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系的主要内容
主要介绍光纤传感技术的三种分类，以及光纤传感技术在运营隧道健康监测中的运用。运营隧道结构监测技术以及在运营隧道中的应用。
根据相关的规范和参考资料选取影响运营隧道结构健康安全的主要指标因素，构建运营隧道结构健康安全（OTSHM）评价模型，确定完整指标体系，
3、第3章蒙特卡洛模拟方法
通过融合权重法确定各指标权重，并对其权重进行验证，以期构建更为完善的评价方法。
建立基于蒙特卡洛模拟方法进行运营隧道安全评价的步骤，以及各指标敏感性分析的方法。
4、第4章运用蒙特卡洛模拟对工程案例进行分析和健康安全评价
根据3中建立的运营隧道结构健康安全状况评价体系，对武汉四大工程实例的安全状态进行评估，并进行敏感性分析，在实际的项目中验证该评价体系的正确性和实用性。
5、第5章结论与展望主要内容
主要得出论文的结论，总结成果，并指出本论文研究尚存的不足之处，指导未来进一步的研究方向。
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2 运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系
简单说来，隧道是由围岩与支护结构组成的综合体，周围的地质介质和支护结构中隐含着许多影响隧道健康结构安全的因素。它们之间的相互关系十分复杂，导致监测和获得这些数据困难重重。无法获得准确及时的监测数据直接影响了运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的建立和应用。因此，提高运营隧道结构的监测技术是运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的首要课题。
2.1 光纤传感技术
当前，光传导纤维和光通信发展迅速，形成了新型的尖端检测技术，它的载体是光、媒介则为光纤、能够感知并传输各种信号，它就是光纤传感技术。光纤既可以作为传输介质，也可以作为传感介质。
自20世纪90年代以来，欧美等国家在高层建筑物、桥梁、大坝以及电站等大型民用基础设施的安全检测中纷纷运用光纤监测技术，取得了令人振奋的进展，展示了光纤监测应用的光明前景[36-38]。在我国，部分科研机构和重点高校在土木工程结构健康监测与诊断系统方面进行了光纤监测技术应用研究 [39-44]。
由于光纤传感技术测量敏感性高、性能稳定、在传输过程中不易受电磁干扰、信号损失量较小等突出优点，引起了各方面的广泛重视。本文将重点介绍三种主流的光纤传感监测技术。 2.1.1 SOFO点式光纤传感器
SOFO取自法语“surveillance d’Ouvrages par Fibres Optiques”，翻译为“光纤结构监测”，是一种点式光纤传感器，由瑞士联邦工学院应力实验室开发。
SOFO点式光纤传感器基本思路是低相干干涉：LED发出的激光光束通过耦合器分为两束初相位、偏振方向和频率相同的光线，其中一条进到参考光纤，另一条则进到测量光纤。后者跟待测结构进行物理接触，会随结构变形，从而改变自身的光程长度；前者放在旁边，目的是补偿温度变化而导致的硅光纤折射率的改变。由
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于两束光线经过的路线不同，存在一定的光程差，通过它们相遇时发生干涉所形成的干涉图像，能计算出在受测量光纤结构变形的影响，光发生改变量值，求得结构变形量。
M t. Terri隧道是瑞士一条在建的隧道，为了监测修建此隧道时土石等的受压力情况，在不远处另外一条已经建成，且通向M t. Terri隧道的小孔洞中，安装了9个彼此间距不等的SOFO伸长计。测量结果显示，距离拟建新隧道钻孔机所在位置比较近的光纤伸长计，会产生较大的应变，但随着与拟建新隧道垂直距离的越大，伸长计的变形量会呈指数下降的趋势。
采用明挖法施工的瑞士N5隧道，其墙面与墙脚的厚度并不均匀，两者的差异收缩可能会降低隧道的张力与挠度。在钢筋上安装SOFO点式光纤传感器，将其随同混凝土一并浇筑在隧道结构内，目的是监测各截面的膨胀收缩。数月之后，观察隧道截面，根据监测结果表明，不同区域的混凝土收缩形式各不相同，湿度与温度等环境条件的变化也会影响混凝土变形。 2.1.2 FBG准分布式光纤传感器
FBG准分布式光纤，又称为布拉格光纤光栅，其英文名称是Fiber Bragg Grating，它是特种传感光纤，可以永久性、周期性调制光纤芯区的折射率，用紫外光照射单模掺锗光纤之后，运用光纤成栅技术，让其满足以下方程：
λ= 2nΛ
式中 λ为Bragg波长；n为光纤模式的有效折射率；Λ为光栅栅距周期。 根据光栅理论，满足Bragg条件的入射光会在光纤内部产生全反射效应，在Bragg波长λ处，其反射光谱会在出现峰值。另外，因为有效折射率n和写入光纤的光栅栅距周期Λ均非常数，当应力、应变或者温度等外界因素作用在光栅时，n和Λ也会随之发生改变，以此会使得反射光谱中出现峰值的波长λ发生改变。
在同一个光纤上串联许多个不同波长的FBG准分布式光纤传感器时，FBG彼此间相不干涉，因其只反射各自特定波长的光波。那么为了完成光纤光栅传感器的多
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