喬　煒

(武漢地鐵集團(tuán)　武漢　430077)

基于光纖傳感的地鐵隧道沉降安全預(yù)測(cè)

喬煒

(武漢地鐵集團(tuán)武漢430077)

摘要研究了基于光纖光柵位移傳感器的地鐵隧道沉降安全預(yù)測(cè)方法,利用光纖光柵傳感系統(tǒng)對(duì)地鐵隧道沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確而有效地預(yù)測(cè)地鐵隧道的沉降發(fā)展趨勢(shì)。在地鐵的長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，系統(tǒng)可為地鐵隧道的運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)提供及時(shí)的預(yù)警信息和安全建議。

關(guān)鍵詞光纖傳感沉降監(jiān)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

地鐵建設(shè)促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市地下空間的利用[1]，但是和其他地下公共設(shè)施一樣，地鐵隧道多建在松軟的第四紀(jì)沉積土層中，且易處于地質(zhì)復(fù)雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心，又由于地鐵沿線區(qū)域的城市建設(shè)等原因，必然引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)的縱向沉降，一定程度的沉降，可以視為正?，F(xiàn)象，但是若沉降量超過(guò)一定的限度，尤其是不均勻沉降，將會(huì)引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形，給地鐵的正常運(yùn)行帶來(lái)隱患，甚至引發(fā)難以想像的安全事故[2]。

所以，為了確保地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全，在隧道的正常運(yùn)營(yíng)和沿線建筑施工的過(guò)程中，必須對(duì)地鐵隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)而有效的沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地反饋，并對(duì)沉降趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，提前采取措施，防止事故的發(fā)生。地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)在隧道安全監(jiān)控中有著極為重要的意義[3]。

1　準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)

地鐵隧道位于地下，工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測(cè)難度和監(jiān)測(cè)工程量均較大。目前對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)主要依賴于全站儀、測(cè)斜儀、應(yīng)變片等監(jiān)測(cè)手段，操作較繁瑣，對(duì)于長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的累計(jì)誤差較大，而且很難適應(yīng)一些復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境。特別是在地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中，由于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段精度低、環(huán)境適應(yīng)能力弱，很難給出地鐵隧道變形的真實(shí)結(jié)果，而且缺少一種可以對(duì)地鐵隧道沉降進(jìn)行長(zhǎng)期、長(zhǎng)距離、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的手段，以確保地鐵隧道的安全。

與普通機(jī)械、電子類傳感器相比，光纖傳感器在傳輸信號(hào)過(guò)程中具有長(zhǎng)距離、低損耗、耐腐蝕和電絕緣性等特點(diǎn)，還可以將光纖本身作為應(yīng)變、位移、濕度，以及溫度等物理參量的探測(cè)元件。因此與其他傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。其中，光纖Bragg光柵傳感器通過(guò)Bragg波長(zhǎng)的移位量來(lái)檢測(cè)外部參量，將被感測(cè)信息轉(zhuǎn)化為其響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)，還具有不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗影響等特點(diǎn)[4-5]。

光纖光柵傳感技術(shù)非常適合用于長(zhǎng)距離、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)。在被測(cè)大型結(jié)構(gòu)上，安裝大量具有不同中心波長(zhǎng)的FBG傳感器，將各FBG傳感器通過(guò)光纖連接在一起，形成了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，采用波分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)成準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型建筑物內(nèi)部狀態(tài)的連續(xù)實(shí)時(shí)的準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)[6-7]。

基于光纖光柵位移傳感器構(gòu)建地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)見(jiàn)圖1，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器通過(guò)光纖串接，連接到光纜終端盒，經(jīng)光纖光柵信號(hào)解調(diào)器解調(diào)，將信號(hào)輸入到報(bào)警管理計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步分析。其中，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的類型已在系統(tǒng)軟件中由人工配置好，分為區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)及地下車站與隧道交接處監(jiān)測(cè)點(diǎn)2種，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)及地下車站沉降差異監(jiān)測(cè)。

圖1光纖光柵地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降量可視為一離散時(shí)間序列，沉降受到諸多不確定因素的影響，具有復(fù)雜性，刻畫(huà)其具體的動(dòng)態(tài)過(guò)程是有一定難度的，因此有關(guān)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與預(yù)報(bào)的理論和方法也較多，可包括：確定函數(shù)法、多元線性回歸分析、模糊線性回歸、趨勢(shì)分析法、時(shí)間序列分析、馬爾柯夫模型、自適應(yīng)濾波、卡曼濾波、灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中，在處理具有非結(jié)構(gòu)性、非精確性規(guī)律的對(duì)象時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，具有極強(qiáng)的非線性映射能力，有著較大優(yōu)勢(shì)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是理論化的人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，具有良好的自組織性、自適應(yīng)性和很強(qiáng)的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和抗干擾能力，能夠進(jìn)行大規(guī)模并行數(shù)據(jù)處理和分布式信息存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)雜且具有不確定性的數(shù)據(jù)的高效推理[8-9]。

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于沉降數(shù)據(jù)分析

本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back-propagation)算法進(jìn)行沉降趨勢(shì)分析。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用最為廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，又稱誤差反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，依靠反饋值不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)值，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，能夠模擬任意的非線性輸入輸出關(guān)系。

地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)內(nèi)容分為區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)與隧道相對(duì)于地下車站沉降差異監(jiān)測(cè)2個(gè)部分。區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)主要關(guān)心所監(jiān)測(cè)區(qū)間段的不均勻沉降，以及判斷和預(yù)測(cè)此區(qū)間段的沉降狀況是否趨于穩(wěn)定，為地鐵是否可以開(kāi)始正常運(yùn)營(yíng)提供安全建議。當(dāng)其中某些監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于其鄰近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)日益明顯的沉降差異趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)需給出預(yù)警信息。而對(duì)于各個(gè)地下車站與隧道交接處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則分別對(duì)單點(diǎn)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。當(dāng)某點(diǎn)的沉降量呈現(xiàn)不穩(wěn)定且向臨界值發(fā)展的趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)需給出預(yù)警信息。地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

(1) 采集沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)樣本分為輸入部分和目標(biāo)輸出部分。即N個(gè)連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，采樣時(shí)間、采樣環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)作為輸入，沉降量數(shù)據(jù)作為目標(biāo)輸出。

(2) 確定BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)，如隱含層數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)數(shù)，各層的傳遞函數(shù)類型，下降算法等。

(3) 對(duì)樣本數(shù)據(jù)做歸一化處理。

(4) 訓(xùn)練得到用于沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

(5) 將實(shí)際數(shù)據(jù)輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到沉降預(yù)測(cè)值。

區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖2。在區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)中，先進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)的整體檢驗(yàn)，判斷鄰近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)是否具有一致性。若檢驗(yàn)不通過(guò)，認(rèn)為存在不穩(wěn)定點(diǎn)，此時(shí)需對(duì)不穩(wěn)定點(diǎn)的沉降趨勢(shì)進(jìn)行分析，給出預(yù)警信號(hào)；如果檢驗(yàn)通過(guò)，則認(rèn)為所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都是穩(wěn)定的，此時(shí)仍需對(duì)隧道的整體平均沉降趨勢(shì)進(jìn)行分析，以判斷此區(qū)域的整體沉降是否已趨于穩(wěn)定，從而給出地鐵是否可以開(kāi)始運(yùn)營(yíng)的安全建議。

圖2　區(qū)間隧道整體沉降監(jiān)測(cè)流程圖

隧道相對(duì)于地下車站沉降差異監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖3。在隧道相對(duì)于地下車站沉降差異監(jiān)測(cè)中，則是對(duì)相應(yīng)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降趨勢(shì)分析，從而判斷是否發(fā)出預(yù)警信息。

圖3　隧道相對(duì)于地下車站沉降差異監(jiān)測(cè)流程圖

2.2實(shí)例分析

某城市地鐵隧道延長(zhǎng)線坐落在軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中，所處地質(zhì)環(huán)境具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、易變形等特點(diǎn)，此處覆蓋層厚度大、基巖埋沒(méi)深，地質(zhì)狀況較復(fù)雜。在此段隧道沿線安裝光纖光柵沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)始對(duì)隧道進(jìn)行連續(xù)地沉降監(jiān)測(cè)，該地區(qū)在此時(shí)間正處于開(kāi)發(fā)高峰期，隧道周邊存在大量的施工工地，道路也在修筑。

在結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的7座車站內(nèi)分別布設(shè)了7個(gè)工作基點(diǎn)，每2個(gè)工作基點(diǎn)之間布設(shè)了3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。光纖光柵沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天進(jìn)行1次數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)8個(gè)月的運(yùn)行，取得了較好的沉降安全預(yù)測(cè)效果。

地鐵隧道附近的一處建筑工地在某段時(shí)間的施工過(guò)程中曾引起一定程度的小范圍地質(zhì)沉降。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到此期間的異常情況，地鐵隧道發(fā)生了不均勻沉降，其位置大致處于第6，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)針對(duì)這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)啟動(dòng)了沉降趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)，發(fā)布了預(yù)警信息。將此情況告知相關(guān)人員后，采取了應(yīng)對(duì)措施，使此區(qū)段的沉降問(wèn)題得到及時(shí)的緩解。

圖4展示了距離此沉降區(qū)域最近的地鐵車站工作基點(diǎn)、第6，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、還有其鄰近監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的沉降數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果，圖中，方塊表示光纖光柵傳感器在工作基點(diǎn)(地鐵車站)所測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)，星號(hào)表示光纖光柵傳感器在區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)，線條則展示了對(duì)應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果。

圖4　光纖光柵傳感器測(cè)得沉降數(shù)據(jù)

圖5展示了另一個(gè)距離此沉降區(qū)域較遠(yuǎn)的工作基點(diǎn)與其鄰近區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的沉降數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果。

圖5　光纖光柵傳感器測(cè)得沉降數(shù)據(jù)

圖6展示了此期間10個(gè)星期的整體沉降數(shù)據(jù)，從中也可以觀察到第6，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生了較為明顯的沉降。

圖6　10個(gè)星期的整體沉降數(shù)據(jù)展示

由以上實(shí)例中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠恰當(dāng)?shù)孛枋龊皖A(yù)測(cè)具有非線性和一定隨機(jī)性的沉降量數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)沉降變形的預(yù)報(bào)有著較高的精度和準(zhǔn)確性，能夠?yàn)楸Ｕ系罔F隧道的安全運(yùn)營(yíng)提供及時(shí)的預(yù)警信息。

3　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的方法。結(jié)合實(shí)際工程，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)地鐵隧道沉降趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并做出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)采取針對(duì)性措施，預(yù)防事故的發(fā)生，應(yīng)用效果表明，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠?qū)Τ两禂?shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)，同時(shí)，驗(yàn)證了使用光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)的可行性。本文所述的基于光纖傳感的地鐵隧道沉降安全預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，能夠在保證地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)，以及指導(dǎo)地鐵隧道沿線的建筑施工等方面起到重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.033