隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢
2014-01-21
1. 健康監(jiān)測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經(jīng)濟(jì)活動，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，嚴(yán)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(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的發(fā)育規(guī)模及范圍，在開挖及支護(hù)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(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，多會對層間結(jié)構(gòu)面的力學(xué)指標(biāo)有較大的不利影響，加之施工過程中對水體通道的改變產(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營期間安全隱患。
為了確保隧道工程安全、及時預(yù)報險情，除了對隧道進(jìn)行加固、維護(hù)之外，對隧道工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)的監(jiān)測和評估也十分重要。建立監(jiān)測系統(tǒng)對隧道工程進(jìn)行監(jiān)測、評估和預(yù)測以趨利避害，已經(jīng)成為現(xiàn)代隧道工程發(fā)展的迫切要求。此外，隨著人們對工程施工過程和現(xiàn)役工程長期監(jiān)測的重要性認(rèn)識的不斷深入，以及國家相關(guān)工程安全法規(guī)的實施，隧道工程監(jiān)測得到了迅速發(fā)展，成為隧道工程的一個重要研究課題。
2.隧道現(xiàn)階段監(jiān)測手段的弊端
隧道工程監(jiān)測一直是世界巖土工程界的難題，也是研究的熱點，應(yīng)用的理論和技術(shù)也多種多樣。理想的隧道工程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征：能及時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測信息，隨時掌握隧道的穩(wěn)定狀況，對可能出現(xiàn)的險情及時進(jìn)行預(yù)警；為隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的正確分析評價、預(yù)測預(yù)報及治理維護(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)對策提供科學(xué)依據(jù)；監(jiān)測結(jié)果也是檢驗隧道設(shè)計參數(shù)、工程質(zhì)量及治理工程效果的有效尺度，同時為進(jìn)行有關(guān)的反分析和數(shù)值計算提供參數(shù)等。
隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目標(biāo)應(yīng)是在保證人力成本最低的前提下，對新建和已建的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行測量、探傷和評估（Wu Z S，2003）。隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容之一就是數(shù)據(jù)采集。當(dāng)前所需要的是一個能夠從運營結(jié)構(gòu)中采集數(shù)據(jù)的有效方法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，做出穩(wěn)定性、可靠性等方面的評價（Zong Z H等，2002）。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在大型基礎(chǔ)工程中的廣闊應(yīng)用前景，各國都已經(jīng)在積極開展該項技術(shù)的應(yīng)用研究。在世界各國政府的支持和研究機(jī)構(gòu)的努力下，結(jié)構(gòu)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(lǐng)域取得了階段性的成功，部分成果已經(jīng)應(yīng)用在了工程實踐當(dāng)中（Whelan M P 等，2002）。
相比而言，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在隧道領(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)境空域和時域，工程條件常常比較復(fù)雜，有時環(huán)境十分惡劣，因此要準(zhǔn)確、快速、長距離、實時和大范圍獲得結(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)測系統(tǒng)的先進(jìn)性和功能，有賴于先進(jìn)理論和方法的指導(dǎo)。目前對于工程質(zhì)量和安全監(jiān)測主要是通過對巖土和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等物理指標(biāo)監(jiān)測來實現(xiàn)的，其中尤以巖土體和結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測最為重要，因為變形是結(jié)構(gòu)體在內(nèi)外動力作用和人類工程活動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)測主要集中在結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變和沉降三個方面，常規(guī)的檢測和監(jiān)測技術(shù)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?？赡鼙宦z，存在監(jiān)測盲區(qū)；增加監(jiān)測點數(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，實際工程或研究項目中也不可能無限布設(shè)各種檢測探頭或傳感器；（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，傳感器對溫度、濕度、電磁場和其它環(huán)境因素敏感，常因傳感器和儀器設(shè)備受潮、生銹而失效，其運作和維修成本高。因此，十分需要一種對環(huán)境因素影響小、耐久性和長期穩(wěn)定性好的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)；（3）實時、并行和自動化監(jiān)測程度不高：目前常用的檢測和監(jiān)測技術(shù)實際上多為檢測技術(shù)而不是監(jiān)測技術(shù)，多為靜態(tài)單點檢測，有些檢測技術(shù)具有多通道的檢測功能，但通道數(shù)是十分有限的，無法滿足實際結(jié)構(gòu)變形的實時、并行和自動監(jiān)測的要求。而隧道工程往往需要實時動態(tài)和自動監(jiān)測，如地鐵運營期間的隧道變形監(jiān)測等；（4）缺少長距離和大面積的監(jiān)測技術(shù)：隧道工程長達(dá)數(shù)公里到數(shù)十公里，對這鐘長距離和大面積的監(jiān)測對象，傳統(tǒng)點式的檢測和監(jiān)測技術(shù)和方法一般無能為力；（5）監(jiān)測系統(tǒng)的集成化程度不高：各種檢測和監(jiān)測技術(shù)自成體系、彼此獨立，現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和分析評價系統(tǒng)等環(huán)節(jié)間集成化程度不高，從而影響到監(jiān)測的效率和數(shù)據(jù)分析。
現(xiàn)階段應(yīng)用于隧道工程監(jiān)測技術(shù)和方法正在向自動化、高精度及遠(yuǎn)程監(jiān)測的方向發(fā)展。常規(guī)監(jiān)測方法技術(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)測工作量大、效率低和監(jiān)測周期長，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，尤其是在運營期間，監(jiān)測時間短、工作量巨大，常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的弊端更加明顯。結(jié)構(gòu)變形的常規(guī)檢測和監(jiān)測技術(shù)的上述不足，嚴(yán)重地阻礙了人們對結(jié)構(gòu)變形機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識，影響了人們在工程災(zāi)害防治和工程管理中的正確判斷和相關(guān)措施的實施。因此，十分需要改變目前結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的現(xiàn)狀，應(yīng)用新的理論和方法，實現(xiàn)巖土體變形的分布式監(jiān)測，以彌補上述的不足。
分布式監(jiān)測是指利用相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)獲得被測量在空間和時間上的連續(xù)分布信息。而結(jié)構(gòu)變形的分布式監(jiān)測就是在結(jié)構(gòu)體中布設(shè)線形傳感元件，形成一個傳感監(jiān)測網(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，監(jiān)測系統(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)測方法的突出優(yōu)點就是改變了傳統(tǒng)的點式監(jiān)測方式，彌補了點式監(jiān)測的不足，實現(xiàn)了實時、長距離和分布式的監(jiān)測目標(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)庫是隧道運營管理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一個重要組成部份。
3. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
針對以上介紹的隧道工程監(jiān)測特點，顯然，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)和方法已不能完全滿足其監(jiān)測要求，需要不斷研發(fā)出新的監(jiān)測技術(shù)和方法與之適應(yīng)。隨著現(xiàn)代電子、通訊和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的自動遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)相繼問世，為隧道工程的全天候、自動化遠(yuǎn)程監(jiān)測創(chuàng)造了條件。
光纖傳感技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的尖端監(jiān)測技術(shù)，最初用于通訊工業(yè)，近年來在傳感領(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、耐久性長等特點，傳感器體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，將其植入監(jiān)測對象中不存在匹配的問題，對監(jiān)測對象的性能和力學(xué)參數(shù)等影響較?。║dd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感技術(shù)具有（準(zhǔn)）分布式、長距離和實時性等優(yōu)點，因而已引起隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測界的廣泛重視，成為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究重點。從點式的SOFO，到準(zhǔn)分布式的FBG，再到全分布式BOTDR的多種光纖傳感技術(shù)為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了新一代的監(jiān)測技術(shù)。
準(zhǔn)分布式的布拉格光纖光柵（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)點有：
?。?）、靈敏度高。FBG的波長隨著波長、溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在1550nm處其波長變化的典型值為0.1nm/℃、0.3nm/100MPa、10nm/1%應(yīng)變。
?。?）、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(yīng)用長度通常小于20mm，可意很容易埋入結(jié)構(gòu)中而對結(jié)構(gòu)沒有影響；
?。?）、對電絕緣且抗電磁干擾；
（4）壽命長。初步加速老化試驗證明，F(xiàn)BG在適當(dāng)?shù)谋┞董h(huán)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。
?。?）、復(fù)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(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數(shù)，并有很多工程應(yīng)用實例，例如，瑞士聯(lián)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(jiān)測隧道的長期溫度和應(yīng)變變化；美國海軍研究實驗室光纖智能結(jié)構(gòu)中心（2000）研制了一種基于FBG的光纖光柵壓力傳感器，并應(yīng)用于公路的動態(tài)監(jiān)測中；但是，F(xiàn)BG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(shù)、溫度/應(yīng)變效應(yīng)分離、動態(tài)高速測量、光纖光柵傳感器的優(yōu)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(yīng)來實現(xiàn)的，目前主要產(chǎn)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(yōu)點，尤其是BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)，屬于目前國際上最前沿的尖端技術(shù)，在隧道監(jiān)測方面與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：（1）光纖既是傳感介質(zhì)，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(jìn)行空間上的連續(xù)檢測，光纖像人的神經(jīng)一樣對被測對象進(jìn)行感知和監(jiān)視；（2）分布式：自光纖的一端就可以準(zhǔn)確測出光纖沿線任一點上的應(yīng)力、溫度、振動和損傷等信息，無需構(gòu)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(shè)成網(wǎng)狀即可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測，克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測成功率；（3）長距離：現(xiàn)代的大型隧道結(jié)構(gòu)工程通常長達(dá)數(shù)公里到數(shù)十公里，要通過傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)全方位的監(jiān)測是相當(dāng)困難的，而通過鋪設(shè)傳感光纖，光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實現(xiàn)長距離（目前可達(dá)80公里）、全方位監(jiān)測和實時連續(xù)控測；（4）耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用電測式監(jiān)測技術(shù)，傳感器易受潮濕失效，不能適應(yīng)一些大型工程長期監(jiān)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(jìn)入光纖；（6）輕細(xì)柔韌。光纖的這一特性，使它在埋入構(gòu)筑物的過程中，避免了匹配的問題，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)測技術(shù)具有重要意義。
分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的上述優(yōu)點，可以彌補目前在隧道工程中常用的檢測和監(jiān)測技術(shù)存在的不足，是新一代檢測和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。由于分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的諸多優(yōu)點，因此它已成為國際上一些主要發(fā)達(dá)國家如日本、瑞士、加拿大、美國、法國、英國等國的研發(fā)熱點和重大研究課題，研發(fā)工作的重點主要集中分布式光纖傳感技術(shù)的性能改善和應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)。
近年來，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等對分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)在隧道火災(zāi)探測中應(yīng)用的幾個相關(guān)問題進(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，傳感光纖的監(jiān)測結(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（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)測系統(tǒng)中的作用，并應(yīng)用BOTDR分布式應(yīng)變測量技術(shù)，對隧道拱圈截面變形進(jìn)行了分布式應(yīng)變監(jiān)測；日本NTT公司開發(fā)了基于BOTDR的共同溝隧道監(jiān)測系統(tǒng)，通過應(yīng)變測量對日本名古屋的共同溝隧道進(jìn)行損傷探測，10 km范圍內(nèi)其變形測量誤差僅為0.1 mm，并通過室內(nèi)試驗對共同溝隧道監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、抗震性和測量精度進(jìn)行了驗證。
4. 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的前景
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對結(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)測將具有良好的市場前景。下面是從三個方面說明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用前景。
1）政府對隧道結(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，國家逐漸加大了對隧道結(jié)構(gòu)安全檢測與維修加固的投入。對很多新建的隧道都做了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以預(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，國家對隧洞掃構(gòu)健康監(jiān)測的投入將會繼續(xù)加大。
2）過去偏低的安全可靠度面臨新的挑戰(zhàn)
過去由于經(jīng)濟(jì)原因，建筑的荷載取值偏低。2001新《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》頒布之前，一些荷載的標(biāo)準(zhǔn)值比建國前還低，其可靠度水平很低。隧洞的設(shè)計也存在同樣的問題，過去按偏低的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的隧道，急切需要進(jìn)行監(jiān)測與加固。
3）隧道結(jié)構(gòu)受力的復(fù)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(fā)展，但地質(zhì)的復(fù)雜性難以進(jìn)行模擬，導(dǎo)致理論分析及實際受力存在很大的差異，通過監(jiān)測手段能有效的解決理論分析的盲區(qū)。
