隧道结构健康监测的发展趋势
2014-01-21
1. 健康监测的目的意义和必要性
隧道安全关系着人类生命安全和社会经济活动，由于隧道地质条件恶化、火灾、结构损伤、退化和失稳等造成的事故，严重威胁着隧道的正常运营。隧道施工的安全问题引起了人们的密切关注，主要表现在以下方面：
1）隧洞开挖的进口段：由于隧洞都是浅埋隧洞，且都存在边坡，导致该段围岩两面临空，加上爆破的影响导致围岩的自稳能力下降，支护结构受力存在一定的不确定性。
2）构造带：由于围岩受构造影响，节理裂隙发育，无规律性，围岩的自稳性能极差，围岩多呈松散结构，断层带的影响宽度不确定，加之水的影响，使得该段产生冒顶及垮塌的可能性加大。
3）浅埋段：潜埋段隧道围岩，在碳酸岩地层受水体溶蚀的影响较大，加之围岩顶板较薄，出现冒顶的现象可能性加大，加大了开挖及支护过程中的难度。
4）岩溶发育段：由于岩溶发育地段很难查清岩溶的发育规模及范围，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：由于岩层的走向及倾角对围岩的自稳性能影响较大（如水平岩层）。
6）含软弱夹层围岩：由于夹软弱夹层的围岩，多会出现冒顶及垮塌现象。
7）水影响段：由于水体的存在，多会对层间结构面的力学指标有较大的不利影响，加之施工过程中对水体通道的改变产生的淘蚀作用，使得围岩的自稳性能恶化。
8）软岩段（围岩级别）：岩体自稳能力差，围岩开挖暴露后崩解，遇水容软化。
9）含水层与相对隔水层交界处，而产生突涌泥现象。
由于有以上不良地质情况的存在增加了隧洞在施工期间及运营期间安全隐患。
为了确保隧道工程安全、及时预报险情，除了对隧道进行加固、维护之外，对隧道工程的安全和稳定状态的监测和评估也十分重要。建立监测系统对隧道工程进行监测、评估和预测以趋利避害，已经成为现代隧道工程发展的迫切要求。此外，随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测的重要性认识的不断深入，以及国家相关工程安全法规的实施，隧道工程监测得到了迅速发展，成为隧道工程的一个重要研究课题。
2.隧道现阶段监测手段的弊端
隧道工程监测一直是世界岩土工程界的难题，也是研究的热点，应用的理论和技术也多种多样。理想的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，随时掌握隧道的稳定状况，对可能出现的险情及时进行预警；为隧道结构健康状态的正确分析评价、预测预报及治理维护提供可靠的基础性数据，为决策部门制定相应的防灾减灾对策提供科学依据；监测结果也是检验隧道设计参数、工程质量及治理工程效果的有效尺度，同时为进行有关的反分析和数值计算提供参数等。
隧道结构健康监测的目标应是在保证人力成本最低的前提下，对新建和已建的结构物进行测量、探伤和评估（Wu Z S，2003）。隧道结构健康监测的关键内容之一就是数据采集。当前所需要的是一个能够从运营结构中采集数据的有效方法，并对数据进行处理和分析，做出稳定性、可靠性等方面的评价（Zong Z H等，2002）。由于结构健康监测在大型基础工程中的广阔应用前景，各国都已经在积极开展该项技术的应用研究。在世界各国政府的支持和研究机构的努力下，结构健康检测正逐渐成熟起来，并在航空航天、桥梁和建筑物等各领域取得了阶段性的成功，部分成果已经应用在了工程实践当中（Whelan M P 等，2002）。
相比而言，结构健康监测在隧道领域的发展，则明显滞后于桥梁等领域，这主要是隧道结构和岩土工程条件的复杂性和监测上的难度等因素造成的。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，往往穿越许多不同的环境空域和时域，工程条件常常比较复杂，有时环境十分恶劣，因此要准确、快速、长距离、实时和大范围获得结构体的变形数据和变化规律并非易事，有赖于监测系统的先进性和功能，有赖于先进理论和方法的指导。目前对于工程质量和安全监测主要是通过对岩土和结构的应力、应变和温度等物理指标监测来实现的，其中尤以岩土体和结构的变形监测最为重要，因为变形是结构体在内外动力作用和人类工程活动作用下的一种基本表现形式，是结构体在受内外作用后的外在综合反映，是分析结构体状态和安全的基本物理量。
隧道结构健康监测主要集中在结构的位移、应变和沉降三个方面，常规的检测和监测技术和方法存在以下局限性：（1）均为点式的:点式的检测方法布点常带有随意性，最危险的地方常可能被漏检，存在监测盲区；增加监测点数，虽然提高了结果的可靠性，但工作量和设备成本大为增加，考虑到经济和效率等因素，实际工程或研究项目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，需要专门的操作人员，而隧道工程条件常常比较复杂，传感器对温度、湿度、电磁场和其它环境因素敏感，常因传感器和仪器设备受潮、生锈而失效，其运作和维修成本高。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的远程监测技术；（3）实时、并行和自动化监测程度不高：目前常用的检测和监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的检测功能，但通道数是十分有限的，无法满足实际结构变形的实时、并行和自动监测的要求。而隧道工程往往需要实时动态和自动监测，如地铁运营期间的隧道变形监测等；（4）缺少长距离和大面积的监测技术：隧道工程长达数公里到数十公里，对这钟长距离和大面积的监测对象，传统点式的检测和监测技术和方法一般无能为力；（5）监测系统的集成化程度不高：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节间集成化程度不高，从而影响到监测的效率和数据分析。
现阶段应用于隧道工程监测技术和方法正在向自动化、高精度及远程监测的方向发展。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的方法，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，常规监测技术的弊端更加明显。结构变形的常规检测和监测技术的上述不足，严重地阻碍了人们对结构变形机理和规律的认识，影响了人们在工程灾害防治和工程管理中的正确判断和相关措施的实施。因此，十分需要改变目前结构变形监测的现状，应用新的理论和方法，实现岩土体变形的分布式监测，以弥补上述的不足。
分布式监测是指利用相关的监测技术获得被测量在空间和时间上的连续分布信息。而结构变形的分布式监测就是在结构体中布设线形传感元件，形成一个传感监测网络，利用相关的调制解调技术，连续监测传感网络沿线结构体的变形信息，这些传感网络就像在结构体内部植入了能感知的神经网络，当结构发生任何变形时，监测系统就能感知它们的大小和分布状况，从而获得结构的变形和发展规律。这种监测方法的突出优点就是改变了传统的点式监测方式，弥补了点式监测的不足，实现了实时、长距离和分布式的监测目标。
隧道结构在其寿命期内的健康状况与其沿线的工程地质、水文地质条件有着密切的关系，地质数据库是隧道运营管理数据库管理系统的一个重要组成部份。
3. 国内外研究现状
针对以上介绍的隧道工程监测特点，显然，传统的监测技术和方法已不能完全满足其监测要求，需要不断研发出新的监测技术和方法与之适应。随着现代电子、通讯和计算机技术的发展，各种先进的自动远程监测系统相继问世，为隧道工程的全天候、自动化远程监测创造了条件。
光纤传感技术是近年来才发展起来的尖端监测技术，最初用于通讯工业，近年来在传感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的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小（Udd E，1995；Ansari F，2003）。光纤传感技术具有（准）分布式、长距离和实时性等优点，因而已引起隧道结构监测界的广泛重视，成为隧道结构健康监测技术的研究重点。从点式的SOFO，到准分布式的FBG，再到全分布式BOTDR的多种光纤传感技术为隧道结构健康监测提供了新一代的监测技术。
准分布式的布拉格光纤光栅（FBG）是最早出现的一种光栅，也是应用最为普遍的光栅。目前，以FBG为传感元件的光纤光栅传感器是研发的主流，且已经在土木工程领域具有广泛的应用。它的主要优点有：
（1）、灵敏度高。FBG的波长随着波长、温度呈现良好的线性关系。在1550nm处其波长变化的典型值为0.1nm/℃、0.3nm/100MPa、10nm/1%应变。
（2）、尺寸小，易掩埋。单模光纤的典型直径为125 ,已有直径40 的光纤见诸报道，而FBG的应用长度通常小于20mm，可意很容易埋入结构中而对结构没有影响；
（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在适当的暴露环境和退火条件下工作周期大于25年也性能没有明显的退化。
（5）、复用性好。目前，利用布拉格光纤光栅为传感元件的光纤光栅传感器被用于测量工程结构的应变、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与Sargans隧道中，用于监测隧道的长期温度和应变变化；美国海军研究实验室光纤智能结构中心（2000）研制了一种基于FBG的光纤光栅压力传感器，并应用于公路的动态监测中；但是，FBG仍然有很多问题需要解决与完善，比如说光纤光栅传感器封装技术、温度/应变效应分离、动态高速测量、光纤光栅传感器的优化布置等。
分布式光纤传感主要利用光的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射效应来实现的，目前主要产品有：光时域反射计（简称OTDR）；拉曼散射光时域反射测量仪（简称ROTDR）；布里渊散射光时域反射测量仪（简称BOTDR）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的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小和重量轻等优点，尤其是BOTDR分布式光纤传感技术，属于目前国际上最前沿的尖端技术，在隧道监测方面与传统监测技术相比具有如下优点：（1）光纤既是传感介质，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的信息传输通道，可进行空间上的连续检测，光纤像人的神经一样对被测对象进行感知和监视；（2）分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、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，只需十分廉价的普通通讯光纤，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率；（3）长距离：现代的大型隧道结构工程通常长达数公里到数十公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设传感光纤，光纤既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控测；（4）耐久性：传统的工程监测一般采用电测式监测技术，传感器易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性；（5）抗干扰。光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤；（6）轻细柔韧。光纤的这一特性，使它在埋入构筑物的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。因此，研究、开发和应用基于BOTDR的隧道工程分布式监测技术具有重要意义。
分布式光纤传感监测技术的上述优点，可以弥补目前在隧道工程中常用的检测和监测技术存在的不足，是新一代检测和监测技术的发展方向。由于分布式光纤传感监测技术的诸多优点，因此它已成为国际上一些主要发达国家如日本、瑞士、加拿大、美国、法国、英国等国的研发热点和重大研究课题，研发工作的重点主要集中分布式光纤传感技术的性能改善和应用技术的研发。
近年来，光纤传感技术在隧道工程的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的几个相关问题进行分析和探讨；Shiba K等应用BOTDR分布式光纤传感技术采用新奥法施工的铁路隧道的喷射混凝土、支撑内力进行监测，传感光纤的监测结果与传统传感器相比，在精确度方面能够满足要求，在预测应力分布方面具有一定的优越性。丁勇等介绍了光纤结构监测（SOFO）、布拉格光纤光栅（FBG）和分布式光纤传感器（BOTDR）等3种光纤传感技术的基本原理、功能及其在隧道结构健康监测系统中的作用，并应用BOTDR分布式应变测量技术，对隧道拱圈截面变形进行了分布式应变监测；日本NTT公司开发了基于BOTDR的共同沟隧道监测系统，通过应变测量对日本名古屋的共同沟隧道进行损伤探测，10 km范围内其变形测量误差仅为0.1 mm，并通过室内试验对共同沟隧道监测系统的可靠性、抗震性和测量精度进行了验证。
4. 隧道结构健康监测的前景
随着经济的发展，人们对结构安全的重视，特别是大型隧道类大型公共建筑的安全性，引起了政府部门的高度重视，隧道结构的健康监测将具有良好的市场前景。下面是从三个方面说明结构健康监测的应用前景。
1）政府对隧道结构的安全性日益重视
隧道垮塌事故的频发，引起了政府部门的高度重视，国家逐渐加大了对隧道结构安全检测与维修加固的投入。对很多新建的隧道都做了结构健康监测系统，可以预见，随着经济水平的提高，国家对隧洞扫构健康监测的投入将会继续加大。
2）过去偏低的安全可靠度面临新的挑战
过去由于经济原因，建筑的荷载取值偏低。2001新《建筑结构荷载规范》颁布之前，一些荷载的标准值比建国前还低，其可靠度水平很低。隧洞的设计也存在同样的问题，过去按偏低的设计标准设计的隧道，急切需要进行监测与加固。
3）隧道结构受力的复杂性
随着许多计算软件的面市，隧道的理论分析取得了长足的发展，但地质的复杂性难以进行模拟，导致理论分析及实际受力存在很大的差异，通过监测手段能有效的解决理论分析的盲区。
