分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道健康监测系统中应用-《中国新通信》(2017年12期).docx

龙源版权所有 分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道健康监测系统中应用作者：钟东来源：《中国新通信》2017年第12期 【摘要】 相比桥梁，盾构隧道结构的薄弱环节不显著，难以实施有效的全面监测。为此，本文依托南京长江隧道，研究了分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道结构健康监测系统中应用。分析表明，分布式光纤传感技术适宜应用于盾构隧道结构健康监测系统关键指标监测，且在传输距离、稳定性和耐久性等方面具有明显优势，具有广阔的应用与推广前景。 【关键词】 盾构隧道 分布式光纤传感技术 结构健康监测 前言 近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。 在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理論和实践两方面均已取得了长足的发展。然而，隧道与桥梁的结构形式、外部环境等都存在显著差异，桥梁结构健康监测技术并不能简单地移植到盾构隧道。为此，隧道领域的学者虽已开展了大量相关研究。 如：苏洁等[3]结合在建的厦门翔安海底隧道工程，提出了隧道结构健康监测系统设计的原则； 刘胜春等[4]结合南京盾构隧道工程，提出了盾构隧道结构健康监测的监测内容、监测技术、结构评估等系统设计方 前言 近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。 在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理论和实践两方面均已取得了长足的发展。然而，隧道与桥梁的结构形式、外部环境等都存在显著差异，桥梁结构健康监测技术并不能简单地移植到盾构隧道。为此，隧道领域的学者虽已开展了大量相关研究。 如：苏洁等[3]结合在建的厦门翔安海底隧道工程，提出了隧道结构健康监测系统设计的原则； 刘胜春等结合南京盾构隧道工程，提出了盾构隧道结构健康监测的监测内容、监测技术、结构评估等系统设计方法； 汪波等[5]研究了山岭隧道（新奥法隧道）的结构健康监测系统设计； 张国柱等[6]将无线传感技术引入隧道结构健康监测，建立了新型的隧道结构健康监测设计方法。 但是，相比桥梁结构，隧道结构尤其是盾构隧道结构，其薄弱环节不显著，换言之，每个截面都有可能是薄弱环节。而上述的研究均是基于传统的点式传感，重点监测若干个断面的若干个位置的结构指标，如应变、压力等，难以解决隧道结构监测难的问题。 分布式光纤传感技术具有传感距离大（一般可达到几十公里）、分布式传感、光传感稳定性好等优势，是适用于隧道结构监测的优良技术。丁勇等[7]在国内较早地探讨了分布式光纤传感技术在构建隧道结构健康监测系统方面的可能性。但是，该研究成果还远未达到应用于构建实际隧道结构健康监测系统的要求。近些年来，随着分布式光纤传感技术及其应用研究的发展[8]，为利用该技术实现盾构隧道结构健康监测系统提供了充足的理论和技术支持。 一、分布式光纤传感技术 与传统的电、磁传感技术相比，光纤传感技术具有以下几方面的特点：光波传感，不受电磁和射频干扰，稳定性好；灵敏度高、频带宽、动态范围大；无电源驱动，不影响被测结构的性能；轻巧纤细，与结构匹配度高；主材石英材质稳定，耐腐蚀，零点飘移小。因此，近年来，光纤传感技术作为一种先进的传感技术，越来越受到学术界和工程界的重视。 按不同的传感原理，光纤传感有很多种类，目前在交通土木工程上常用的有两类。一类是基于波长变化的光纤布拉格光栅（FBG：Fiber Bragg Grating）技术，另一类是基于频率漂移的布里渊时域散射技术的光纤传感技术（BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。 FBG传感技术因其具有高精度、可串联形成监测网络、与结构体兼容性较好等特点，在交通土木工程结构的健康监测和灾变预警中已有较多应用。但传统意义上的光纤布拉格光栅（FBG）传感技术是一种点式传感技术，而非分布式传感，由于隧道薄弱环节不显著，损伤出现位置的不确定性较大，故其难以以可接受代价实现对可能出现损伤部位的覆盖式监测。 BOTDR技术具有传感距离大（一般可达到几十公里）、分布式传感、光传感稳定性好等优势，但对于普通BOT