鐘東

【摘要】 相比橋梁，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)不顯著，難以實(shí)施有效的全面監(jiān)測。為此，本文依托南京長江隧道，研究了分布式光纖傳感技術(shù)在大型過江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用。分析表明，分布式光纖傳感技術(shù)適宜應(yīng)用于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測，且在傳輸距離、穩(wěn)定性和耐久性等方面具有明顯優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用與推廣前景。

【關(guān)鍵詞】 盾構(gòu)隧道 分布式光纖傳感技術(shù) 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

前言

近年來，大型盾構(gòu)過江隧道已經(jīng)在上海、南京、廣州、深圳、武漢等地得到了廣泛應(yīng)用，其具有建設(shè)周期長、投資大、隱蔽工程、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，運(yùn)營安全關(guān)系著人們生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的正常進(jìn)行。因此，如何保障隧道結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)營是地下交通安全運(yùn)營研究中的關(guān)鍵問題之一。

在土木工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者較早地針對橋梁結(jié)構(gòu)提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年來在理論和實(shí)踐兩方面均已取得了長足的發(fā)展。然而，隧道與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、外部環(huán)境等都存在顯著差異，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)并不能簡單地移植到盾構(gòu)隧道。為此，隧道領(lǐng)域的學(xué)者雖已開展了大量相關(guān)研究。

如：蘇潔等[3]結(jié)合在建的廈門翔安海底隧道工程，提出了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則；

劉勝春等[4]結(jié)合南京盾構(gòu)隧道工程，提出了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測技術(shù)、結(jié)構(gòu)評估等系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

前言

近年來，大型盾構(gòu)過江隧道已經(jīng)在上海、南京、廣州、深圳、武漢等地得到了廣泛應(yīng)用，其具有建設(shè)周期長、投資大、隱蔽工程、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，運(yùn)營安全關(guān)系著人們生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的正常進(jìn)行。因此，如何保障隧道結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)營是地下交通安全運(yùn)營研究中的關(guān)鍵問題之一。

在土木工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者較早地針對橋梁結(jié)構(gòu)提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年來在理論和實(shí)踐兩方面均已取得了長足的發(fā)展。然而，隧道與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、外部環(huán)境等都存在顯著差異，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)并不能簡單地移植到盾構(gòu)隧道。為此，隧道領(lǐng)域的學(xué)者雖已開展了大量相關(guān)研究。

如：蘇潔等[3]結(jié)合在建的廈門翔安海底隧道工程，提出了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則；

劉勝春等結(jié)合南京盾構(gòu)隧道工程，提出了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測技術(shù)、結(jié)構(gòu)評估等系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；

汪波等[5]研究了山嶺隧道（新奧法隧道）的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

張國柱等[6]將無線傳感技術(shù)引入隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，建立了新型的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計(jì)方法。

但是，相比橋梁結(jié)構(gòu)，隧道結(jié)構(gòu)尤其是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，其薄弱環(huán)節(jié)不顯著，換言之，每個(gè)截面都有可能是薄弱環(huán)節(jié)。而上述的研究均是基于傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感，重點(diǎn)監(jiān)測若干個(gè)斷面的若干個(gè)位置的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，如應(yīng)變、壓力等，難以解決隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測難的問題。

分布式光纖傳感技術(shù)具有傳感距離大（一般可達(dá)到幾十公里）、分布式傳感、光傳感穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，是適用于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的優(yōu)良技術(shù)。丁勇等[7]在國內(nèi)較早地探討了分布式光纖傳感技術(shù)在構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)方面的可能性。但是，該研究成果還遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用于構(gòu)建實(shí)際隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求。近些年來，隨著分布式光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用研究的發(fā)展[8]，為利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了充足的理論和技術(shù)支持。

一、分布式光纖傳感技術(shù)

與傳統(tǒng)的電、磁傳感技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)具有以下幾方面的特點(diǎn)：光波傳感，不受電磁和射頻干擾，穩(wěn)定性好；靈敏度高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大；無電源驅(qū)動(dòng)，不影響被測結(jié)構(gòu)的性能；輕巧纖細(xì)，與結(jié)構(gòu)匹配度高；主材石英材質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，零點(diǎn)飄移小。因此，近年來，光纖傳感技術(shù)作為一種先進(jìn)的傳感技術(shù)，越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。

按不同的傳感原理，光纖傳感有很多種類，目前在交通土木工程上常用的有兩類。一類是基于波長變化的光纖布拉格光柵（FBG：Fiber Bragg Grating）技術(shù)，另一類是基于頻率漂移的布里淵時(shí)域散射技術(shù)的光纖傳感技術(shù)（BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。

FBG傳感技術(shù)因其具有高精度、可串聯(lián)形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、與結(jié)構(gòu)體兼容性較好等特點(diǎn)，在交通土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和災(zāi)變預(yù)警中已有較多應(yīng)用。但傳統(tǒng)意義上的光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術(shù)是一種點(diǎn)式傳感技術(shù)，而非分布式傳感，由于隧道薄弱環(huán)節(jié)不顯著，損傷出現(xiàn)位置的不確定性較大，故其難以以可接受代價(jià)實(shí)現(xiàn)對可能出現(xiàn)損傷部位的覆蓋式監(jiān)測。

BOTDR技術(shù)具有傳感距離大（一般可達(dá)到幾十公里）、分布式傳感、光傳感穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，但對于普通BOTDR光纖傳感技術(shù)，空間分辨率和測量精度是制約其廣泛應(yīng)用的因素。其空間分辨率為1m，應(yīng)變的測量精度為±50με，因而應(yīng)用該技術(shù)很難對結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行精確的定位而且應(yīng)變的測量精度也不夠。如：丁勇等[7]在國內(nèi)較早地探討了分布式光纖傳感技術(shù)在構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)方面的可能性，但該研究成果還遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用于構(gòu)建實(shí)際隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

不過，近年來，無論是FBG技術(shù)還是BOTDR技術(shù)均取得了一系列突破性進(jìn)展。如：東南大學(xué)吳智深教授及其課題組針對目前FBG傳感技術(shù)所存在的缺陷，開發(fā)了FBG的長標(biāo)距化和分布傳感技術(shù)，從而使FBG技術(shù)具備了一定意義上的分布式特性。日本光納株式會(huì)社（Neubrex Co. Ltd.）開發(fā)了PPP-BOTDA光纖測量和應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)不僅可以進(jìn)行長距離分布式監(jiān)測，同時(shí)將空間分辨率和應(yīng)變測量精度分別提高到10cm和±25με，從而大大提高了基于布里淵時(shí)域散射光纖技術(shù)的傳感性能。這就使采用分布式光纖傳感技術(shù)對大型過江盾構(gòu)隧道進(jìn)行健康監(jiān)測成為了可能。

1.1 光纖傳感原理

布里淵散射可以看作是入射光在移動(dòng)的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)使得散射光頻率不同于入射光。在不同條件下布里淵散射又分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種。在探測光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，其在光纖中傳播時(shí)會(huì)引起光纖折射率變化，從而對入射光產(chǎn)生自發(fā)散射作用，這種散射稱為自發(fā)布里淵散射。目前基于自發(fā)布里淵散射的測量系統(tǒng)是BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。電致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲波，聲波的產(chǎn)生激發(fā)出更多布里淵散射光，散射光又進(jìn)一步加強(qiáng)聲波，如此反復(fù)作用就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的散射，當(dāng)泵浦光和探測光的頻率差恰好等于光纖的布里淵頻率時(shí)，散射功率將達(dá)到最大值，這種散射稱為受激布里淵散射，BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）測試系統(tǒng)正是基于此原理。在BOTDA或BOTDR技術(shù)中，通過測量散射光到達(dá)探測器的時(shí)刻距離脈沖光開始向光纖傳播時(shí)刻的時(shí)間差△t，可以知道該時(shí)刻所探測到的散射光的散射空間位置。在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)，光波完成了從光源-散射點(diǎn)-探測器的一次往返，因此，散射點(diǎn)的空間位置等于△t/2時(shí)間內(nèi)光在光纖中所傳播的距離。這樣通過對散射光的定時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對散射點(diǎn)的空間定位，從而實(shí)現(xiàn)了布里淵頻率的空間分布測量?；谄胀˙OTDA技術(shù)，日本光納株式會(huì)社（Neubrex Co.， Ltd.）開發(fā)了PPP-BOTDA（Pre-Pump Pulse Brillouin Optical Time Domain Analysis）技術(shù)，基本原理如圖1.1所示。該技術(shù)通過改變泵浦光的形態(tài)，在測量的脈沖光發(fā)出前增加一段預(yù)泵浦脈沖波來激發(fā)聲子，可以同時(shí)獲得較高的空間分辨率和測試精度。

1.2 光纖傳感特征

光纖的布里淵頻率由折射率、材料彈性模量、泊松比和密度決定，而這些參量會(huì)因光纖的溫度和應(yīng)變改變而產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致布里淵頻率發(fā)生變化。理論研究表明，布里淵中心頻率的變化（簡稱布里淵頻移）與溫度變化與應(yīng)變變化分別成線性關(guān)系，可表達(dá)成 （1.1）式中ε、T分別為光纖受到外界作用后的應(yīng)變和溫度，、分別為光纖的初始應(yīng)變和初始溫度，Cε、分別為光纖應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)，為某一溫度和應(yīng)變條件下的布里淵中心頻率，為初始狀態(tài)下的布里淵中心頻率。對于普通光纖，應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)的理論值一般是49.7MHz/0.1%和1.07MHz /°C，但是針對不同類型的光纖需要檢測實(shí)際系數(shù)。

1.3 傳感解調(diào)系統(tǒng)

目前，分布式光纖傳感技術(shù)是指基于布里淵散射機(jī)理的光時(shí)域解析技術(shù)，其基本原理是：入射光在光纖中傳播時(shí)會(huì)不斷發(fā)生布里淵散射，而布里淵散射光的中心頻率與光纖的應(yīng)變和溫度變化成線性關(guān)系，因此，通過捕捉每個(gè)位置反射回來的布里淵散射光并解析其頻率變化，就能實(shí)現(xiàn)光纖每個(gè)位置的應(yīng)變和溫度的分布式測量。依據(jù)解調(diào)技術(shù)的不同，主要有BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）和BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）兩大類傳感系統(tǒng)。由于各自采用的原理不完全相同，性能指標(biāo)也有差異，其中基于BOTDR的AQ8603性能相對較差，而基于的PPPBOTDA的NBX-6050A的測試精度和速度均大幅提高，甚至可實(shí)現(xiàn)小范圍的動(dòng)態(tài)測試，逐漸顯示出技術(shù)的優(yōu)勢。

二、工程背景

南京長江隧道位于南京長江大橋和長江三橋之間，北起浦口區(qū)的寧合高速公路入口，南至南京市主城區(qū)的濱江快速路與緯七路互通立交，是江蘇省南京市城市總體規(guī)劃確定的“五橋一隧”過江通道中的隧道工程。隧道為雙向6車道城市快速路、設(shè)計(jì)速度80km/h，起止里程K3+599～K6+621，長度3022m，采用直徑14.93m的泥水平衡盾構(gòu)施工，襯砌管片外徑14.5m，厚度0.6m。其結(jié)構(gòu)與所處環(huán)境具有以下特點(diǎn)：

直徑超大，外徑達(dá)14.5m，是當(dāng)今世界上直徑最大的盾構(gòu)機(jī)之一

水壓最高，隧道最低點(diǎn)位于江底60多米深處，水土壓力高達(dá)6.5kg/cm2

地質(zhì)復(fù)雜，隧道在江底穿越淤泥、粉細(xì)砂、砂礫、卵石和風(fēng)化巖等

透水性強(qiáng)，透水層占隧道總掘進(jìn)長度的85%以上

覆土超薄，淺埋段覆土厚度僅為5.5m、江中局部段覆土厚度僅為11.5m。

三、基于分布式光纖傳感技術(shù)的盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)

南京長江隧道在建設(shè)初期建設(shè)方即委托國內(nèi)某單位以FBG技術(shù)構(gòu)建了健康監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

南京長江隧道構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本理念是：以分布式光纖傳感為核心傳感技術(shù)，監(jiān)測隧道橫向和縱向應(yīng)變分布，并反演縫寬、收斂和沉降，再結(jié)合檢測數(shù)據(jù)和有限元模型，對結(jié)構(gòu)多層次的安全評估。

針對BOTDA和長標(biāo)距FBG技術(shù)的比較分析表明（如表1所示），BOTDA適合大規(guī)模應(yīng)用，但是其測量精度、采樣頻率及解調(diào)系統(tǒng)成本方面的劣勢明顯；長標(biāo)距FBG具有高精度的測試性能，且儀器成本低，但傳感器成本、安裝等方面具有劣勢。從比較結(jié)果看，將BOTDA和FBG兩類技術(shù)合理搭配使用，將會(huì)收到更好的效果。

基于上述分析，監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施單位采用了以分布性更好的BOTDA技術(shù)監(jiān)測環(huán)向收斂和縱向沉降，以精度更高的長標(biāo)距FBG監(jiān)測接縫應(yīng)變和變形的總體思路。并在此基礎(chǔ)上提出了盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，如圖1所示。健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖傳感硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、存儲與預(yù)處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)評估系統(tǒng)和評估報(bào)告發(fā)布系統(tǒng)。

3.2 光纖傳感器的設(shè)計(jì)與布設(shè)

選擇江心段（LK5+199）作為監(jiān)測斷面，同時(shí)，左右合計(jì)約90m的范圍進(jìn)行縱向傳感布設(shè)，即從LK5+177～ LK5+267如圖2所示。

光纖傳感器在隧道中的布設(shè)方案如圖3所示。橫向沿隧道內(nèi)壁約過80%的周長布設(shè)光纖傳感器，下部由于行車道板結(jié)構(gòu)等設(shè)施無法布設(shè)；縱向光纖布設(shè)在距隧道底部約2.5m的位置，長度為90m。光纖在管片接縫處采用長標(biāo)距布設(shè)的方式，標(biāo)距長度為0.3m，管片表面全面粘貼，并且通過預(yù)留自由光纖設(shè)置溫度監(jiān)測區(qū)段，詳細(xì)如圖4所示。

傳感器在現(xiàn)場布設(shè)采用以下主要工序：

（1） 混凝土表面處理，用鋼刷和打磨機(jī)將表面灰塵、凸起砂漿塊去處，并用酒精清洗、晾干；

（2） 光纖布線，按照設(shè)計(jì)位置將光纖布置到指定位置，并適當(dāng)張拉，然后用快速固化膠水臨時(shí)固定光纖；

（3） 浸膠成型，在傳感器表面浸漬環(huán)氧樹脂，在自然環(huán)境下固化成型；

（4） 連線成網(wǎng)，將各橫向和縱向光纖連接成一條光路，并與采集儀器連接、調(diào)試。

3.4 結(jié)構(gòu)評估系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)評估系統(tǒng)包括一級評估系統(tǒng)和二級評估系統(tǒng)。將評估系統(tǒng)分為兩級，主要是考慮到評估的經(jīng)濟(jì)性問題。在一級評估系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)構(gòu)一般處于完好或輕微損傷，不影響其正常運(yùn)營和安全；一旦結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，需要對其進(jìn)行深入、細(xì)化分析，實(shí)施全面健康評估。

一級評估系統(tǒng)：

依據(jù)常用、規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)及其相應(yīng)的閥值，判斷結(jié)構(gòu)的健康、安全狀況；采用的評估方法是比較法，將收斂、沉降、縫寬與相應(yīng)的閥值比較，判斷出病害等級。

二級評估系統(tǒng)：如果一級系統(tǒng)評估后，發(fā)現(xiàn)某些指標(biāo)接近或超過規(guī)定的健康等級（如超過二級，表明存在顯著損傷），需要進(jìn)一步深入實(shí)施結(jié)構(gòu)健康評估，為此，需要借助常規(guī)檢測手段，獲得砼劣化、鋼筋/螺栓銹蝕、滲水情況，并和監(jiān)測的應(yīng)變、縫寬、收斂、沉降一起輸入隧道結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，判斷結(jié)構(gòu)健康狀況。

以南京長江隧道為例，建立結(jié)構(gòu)健康等級表，如表2所示。

其中，1級的上限是結(jié)構(gòu)健康運(yùn)營極限（滲漏、防滲等）；2級的上限是結(jié)構(gòu)正常使用極限；3級的上限是80%的設(shè)計(jì)承載力；4級的上限是設(shè)計(jì)承載力。

四、測試結(jié)果分析

4.1接縫縫寬測試

橫向接縫縫寬監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，縱向接縫的編號為從小里程號至大里程號，依次從小到大編號。將接縫處長標(biāo)距光纖傳感器的應(yīng)變代入接縫縫寬計(jì)算模型，可獲得各接縫縫寬的變化。

橫向和縱向各接縫的計(jì)算結(jié)果分別如圖6所示。

結(jié)果表明，縱向管片接縫的縫寬變化要大于橫向管片的接縫，前者最大值達(dá)到了0.088mm，而后者最大值為0.028mm；同時(shí)，縫寬變化基本在正常變化范圍內(nèi)。

4.2 沉降測試

將縱向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果輸入應(yīng)變-沉降模型計(jì)算沉降分布，結(jié)果如圖7所示。

其中，兩端處的沉降為零，是參考點(diǎn)。實(shí)際中，可設(shè)置高精度坐標(biāo)觀測點(diǎn)，用以提高沉降計(jì)算精度。在圖中，正值表示位移向下，負(fù)號表示位移向上。結(jié)果表明，最大正沉降為0.119mm，最大負(fù)沉降為0.04mm。

通過對隧道既有檢測數(shù)據(jù)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)間附近檢測點(diǎn)LK5+158.54、LK5+187、LK5+342的沉降變形累計(jì)分別達(dá)到了12.4mm、11.4mm和3.7mm，以線性插值的方法，獲得監(jiān)測區(qū)間兩端點(diǎn)（即LK5+177和LK5+267）的沉降累計(jì)值分別為11.7mm和7.4mm，則10m的相對沉降約為0.478mm。光纖監(jiān)測的最大沉降發(fā)生在監(jiān)測段80m左右，其值為0.119mm，該點(diǎn)處每10m的附加沉降是0.015mm，合計(jì)為0.493mm。

人工檢測與光纖傳感器結(jié)果相差為0.015mm，可以認(rèn)為光纖傳感器監(jiān)測結(jié)果與人工檢測結(jié)果基本一致。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)健康評估

參 考 文 獻(xiàn)

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