葉少敏

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

截至2020年底，我國鐵路運營里程達14.5萬km。其中，鐵路隧道有16 798座，總長19 630 km[1]。隧道在運營時由于長期受到荷載及其他外力的作用，結(jié)構(gòu)安全易受影響。一旦隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，不僅會導(dǎo)致整個交通干線停頓，還將對社會、人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。因此，無論是隧道建設(shè)期還是運營期，都需進行隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[2]，以確保隧道全生命周期內(nèi)安全運行。傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要依賴人工，采用常規(guī)監(jiān)測技術(shù)和傳統(tǒng)電傳感器采集數(shù)據(jù)，不僅監(jiān)測范圍小、效率低、操作繁瑣，且監(jiān)測的數(shù)據(jù)繁雜而抽象，無法保證其準(zhǔn)確性、實時性，難以滿足現(xiàn)代隧道施工監(jiān)測的要求[3]。因此，隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測技術(shù)亟待創(chuàng)新，應(yīng)由點式向分布式、自動化、高精度的方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測與評價的需要。

光纖既是傳感介質(zhì)，又是傳輸通道[4]。與其他技術(shù)相比，光纖具有體積小、質(zhì)量輕、幾何形狀適應(yīng)性強、抗電磁干擾、電絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、頻帶寬、靈敏度高等諸多優(yōu)點[5-6]。此外，通過光纖建立監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)待測參量長距離、長時間的分布式組網(wǎng)監(jiān)測[7-8]。近年來，光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，受到了隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。Mohamad等[9]將分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到臨近隧道的開挖對隧道環(huán)形收斂變形規(guī)律的研究，證明了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)越性。王飛等[10]將BOTDA技術(shù)運用到管片接縫的變形監(jiān)測模型試驗中，對管片結(jié)構(gòu)張開、轉(zhuǎn)動及隧道變形進行分析。

分布式光纖傳感技術(shù)包括準(zhǔn)分布式和全分布式2種感測方式。準(zhǔn)分布式主要是光纖光柵感測技術(shù)，即利用1根信號傳導(dǎo)光纖，將許多光纖或其他傳感器串聯(lián)起來，通過波分復(fù)用和時分復(fù)用等感測原理，將多個傳感器的感測信號區(qū)分而獲得各個傳感器的感測信息； 全分布式光纖傳感監(jiān)測用的主要調(diào)制解調(diào)技術(shù)包括光時域反射計(簡稱OTDR)、拉曼散射光時域反射測量技術(shù)(簡稱ROTDR)、布里淵散射光時域反射測量技術(shù)(簡稱BOTDR)和布里淵光時域分析測量技術(shù)(簡稱BOTDA)等，一般不需要任何傳感探頭，普通的通信光纖就可以作為感測光纖。根據(jù)用途可將光纖封裝成不同的傳感器或光纜，連接對應(yīng)的解調(diào)設(shè)備，即可監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)健康的不同參量。

20世紀(jì)90年代后，國內(nèi)隧道的運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)得到了發(fā)展，但多為基于自動化全站儀的隧道位移監(jiān)測。近10年開始小范圍應(yīng)用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)。公路隧道對于分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，但主要采用基于成熟光纖測溫技術(shù)的防火預(yù)警系統(tǒng)或基于光纖傳感傳輸?shù)乃翂毫?、結(jié)構(gòu)壓力、變形等項目中的一兩個項目，監(jiān)測的項目較少。國內(nèi)鐵路隧道采用分布式光纖技術(shù)較少，自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用還處于發(fā)展初期。

本文基于光纖傳感技術(shù)，介紹了京雄高鐵隧道全生命周期滲漏水、火災(zāi)、環(huán)向內(nèi)力、差異變形、異常侵入以及地層分層沉降等多物理量的隧道綜合形位感測系統(tǒng)的應(yīng)用研究情況，以期為明挖高鐵隧道智能監(jiān)測發(fā)展以及智能高鐵隧道探索提供參考。

1 工程概況

北京至雄安新區(qū)城際鐵路機場隧道是北京大興國際機場地下站首尾相連的2段地下區(qū)間隧道，如圖1所示。其中，1號隧道全長2 200 m，速度目標(biāo)值為250 km/h，整座隧道位于北京市大興區(qū)范圍內(nèi)；機場2號隧道北端接機場地下站，經(jīng)過永定河后露出地面，隧道全長8 388.651 m，速度目標(biāo)值為350 km/h。隧道設(shè)計為單洞雙線隧道，線間距5 m，洞身段結(jié)構(gòu)覆土3～18 m，均采用明挖法施工。

圖1 京雄城際機場隧道平面示意圖

京雄城際機場隧道隧址區(qū)區(qū)域不均勻沉降較為嚴(yán)重，尤其在穿永定河段2 km長段落，沉降速率為30～45 mm/年，沉降速率差為15 mm/年，且永定河段百年洪水沖刷高程為16.46 m，河底最大沖刷坑深達5.8 m，沖刷線離隧道洞頂最小凈距為2.05 m,在極端沖刷情況下會導(dǎo)致隧道開裂、錯臺，影響隧道結(jié)構(gòu)健康安全。此外，近年來京張、京沈等鐵路城市隧道相繼發(fā)生了異物侵入事件(如隧道襯砌被地面鉆桿擊穿，見圖2)，危及高鐵運營安全。而京雄城際機場隧道大范圍下穿大興機場近遠(yuǎn)期規(guī)劃區(qū)，洞頂覆土較淺，隧道地表均為臨時征地，運營期間高鐵隧道異常侵入的風(fēng)險尤為突出。

圖2 隧道襯砌被地面鉆桿擊穿

2 基于光纖傳感技術(shù)的京雄城際隧道形位感測系統(tǒng)架構(gòu)

光纖傳感系統(tǒng)主要由傳感元件、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、系統(tǒng)軟件和客戶端4部分組成。傳感元件主要用于感知及傳輸外界信號，如溫度[11-12]、變形[13]、振動[14]等參量； 調(diào)制解調(diào)設(shè)備用于對光信號的調(diào)制及解調(diào)，從而獲得對應(yīng)的信號； 系統(tǒng)軟件根據(jù)應(yīng)用需求對信號進行解析、模式識別、展示；客戶端用于用戶操作。光纖傳感系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 光纖傳感系統(tǒng)架構(gòu)

京雄城際隧道形位感測系統(tǒng)所監(jiān)測的參量包括溫度、沉降、應(yīng)變、振動。使用的光纖傳感器包括光纖光柵分層沉降計、光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀和光纖光柵混凝土應(yīng)變計；傳感光纜包括銅網(wǎng)內(nèi)加熱溫度感測光纜、塑封鎧裝溫度感測光纜和振動感測光纜；所用的解調(diào)設(shè)備包括光纖光柵解調(diào)儀、分布式溫度解調(diào)儀和分布式振動解調(diào)儀。

分布式解調(diào)儀通過物理方式連接采集服務(wù)器，通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器上，后端管理系統(tǒng)向客戶端提供服務(wù)。其中，光纖光柵采集設(shè)備無需通過采集服務(wù)器，而是直接通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送中心服務(wù)器上。

3 京雄城際隧道光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計及實施情況

京雄城際隧道光纖傳感系統(tǒng)包括6個監(jiān)測子系統(tǒng)，分別為分層沉降感測系統(tǒng)、襯砌環(huán)向應(yīng)變感測系統(tǒng)、隧道滲漏水感測系統(tǒng)、火災(zāi)感測系統(tǒng)、隧道異常侵入感測系統(tǒng)和隧道變形縫不均勻變形感測系統(tǒng)。

由于高速鐵路隧道內(nèi)列車風(fēng)壓大，拱部懸掛安裝光纜有掉落風(fēng)險。綜合考慮感測元件的布設(shè)位置、安裝方式、施工組織、感測效果等因素，確定感測元件優(yōu)先預(yù)埋于隧道結(jié)構(gòu)襯砌內(nèi)的原則，無法預(yù)埋的則安裝于隧道仰拱附屬結(jié)構(gòu)預(yù)留溝槽或拱頂外側(cè)，盡可能在保證感測精度的同時，確保鐵路運營安全。各監(jiān)測子系統(tǒng)在隧道中布置范圍如圖4所示。從圖4中可初步了解各感測元件布設(shè)的位置、數(shù)量、長度等，各個感測元件構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而監(jiān)測隧道的結(jié)構(gòu)健康。

圖4 感測元件布設(shè)

3.1 分層沉降監(jiān)測系統(tǒng)

分層沉降的監(jiān)測孔位于DK50+430處，在京雄機場隧道疏散豎井附近，孔徑約200 mm，孔深70 m，在監(jiān)測孔內(nèi)布設(shè)多點分層沉降計(光纖光柵位移計、剛性桿、基座、錨頭)，測點數(shù)有6個，測點錨頭分別布置于距地表10、15、20、30、50、70 m深處土層，從而獲得不同層位的沉降情況。在分層沉降孔邊埋置基巖標(biāo)，基巖標(biāo)實際施工終孔深度達1 017 m，固標(biāo)于無側(cè)限抗壓強度15 MPa基巖層。分層沉降計頂與基巖標(biāo)通過2個光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀連接，實時感測分層沉降計頂面的絕對高程，如圖5所示。光纖光柵解調(diào)儀直接通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器上。

(c) 分層沉降監(jiān)測元件布設(shè) (單位： m)

中心服務(wù)器獲取到的數(shù)據(jù)分為相同的2個部分，一部分用作實時的流處理，另一部分存到歷史數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存檔。實時處理數(shù)據(jù)并進行分析，通過預(yù)先設(shè)置好的閾值來進行預(yù)警。產(chǎn)生預(yù)警信息后，調(diào)用消息隊列來給相關(guān)負(fù)責(zé)人員進行消息提醒，并將相關(guān)預(yù)警信息、日志存入管理數(shù)據(jù)庫，以便進行后臺操作管理。其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程與此類似，下文不再贅述。

3.2 襯砌環(huán)向應(yīng)變感測系統(tǒng)

隧道襯砌環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測斷面共25個，以5個為1組(間距2 m)的形式(見圖6)分布在DK49+193～+202，DK50+408～+417，DK50+997～DK51+006，DK51+898～DK52+907和DK52+765～+774。每個斷面布設(shè)26個光纖光柵應(yīng)變計(見圖7(a))，布設(shè)位置見圖7(b),與襯砌內(nèi)外主筋綁扎。應(yīng)變計采用并聯(lián)的連接方式(見圖7(c))，光纖引線和數(shù)據(jù)傳輸線從隧道仰拱引出至中央排水溝，沿中央排水溝連接至疏散豎井處的光纖光柵解調(diào)儀，通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至中心服務(wù)器。

圖6 光纖光柵應(yīng)變計布置斷面縱向示意圖 (單位： m)

(a) 光纖光柵分層沉降計 (b) 隧道斷面應(yīng)變計布設(shè)示意圖 (c) 應(yīng)變計安裝示意圖

3.3 滲漏水感測系統(tǒng)

使用加熱控制設(shè)備對銅網(wǎng)內(nèi)加熱溫度感測光纜進行加熱，即可實時感測隧道拱部和變形縫內(nèi)的滲漏水情況。通過通電加溫，對感測光纜人為疊加1個溫度場，使感測光纜與巖土介質(zhì)和滲流場之間產(chǎn)生人為溫差。由于滲流在流動過程中會持續(xù)帶走感測光纜周圍的熱量，而熱量的變化直接影響到感測光纜的溫度[14]，滲漏區(qū)域的升溫速度較未滲漏區(qū)域慢。光纜布設(shè)在DK49+430～DK50+430和DK50+430～DK51+430，共2 km，并引入DK50+430處疏散豎井內(nèi)連接至分布式測溫解調(diào)儀。2條獨立感測光纜綁扎在線路中線正上方拱部分布筋內(nèi)側(cè)，穿越變形縫后以U形折返回拱頂，埋入變形縫另一側(cè)隧道結(jié)構(gòu)，光纜位于變形縫中埋式橡膠止水帶及環(huán)向透水盲管內(nèi)側(cè)，如圖8所示。

3.4 火災(zāi)感測系統(tǒng)

塑封鎧裝溫度感測光纜布設(shè)在隧道DK46+092～DK53+300，共6 890 m，用于監(jiān)測隧道火災(zāi)情況。感測光纜綁扎于隧道拱頂距中點兩側(cè)各30 cm縱向分布筋上，如圖9所示。穿越變形縫時，采用彈簧狀鋼套管進行保護，保證光纜對于變形縫變形的適應(yīng)性。外徑10 mm、厚1 mm的套管,彎曲加工成彈簧狀,線徑10 mm、外徑200 mm、總?cè)?shù)為1、節(jié)距為0。襯砌拱頂端根據(jù)彈簧狀鋼套管的縱向投影位置，預(yù)留直徑30 cm、深1 cm的圓形凹槽。

(a) 塑封鎧裝溫度感測光纜

(b) 火災(zāi)感測光纜布設(shè)圖

(c) 火災(zāi)感測光纜布設(shè)縱面圖

3.5 隧道異常侵入感測系統(tǒng)

將振動感測光纜連接至分布式振動解調(diào)儀，可實時感測隧道內(nèi)人員走動、列車振動、設(shè)備掉落、襯砌掉塊、隧道覆土異常擾動、永定河超百年洪水沖刷異常振動等。在中央排水溝側(cè)槽內(nèi)和拱頂外側(cè)混凝土保護層外分別沿隧道縱向通長布置1條振動感測光纜，單條光纜布設(shè)長度為7 208 m，如圖10所示。拱頂外側(cè)光纜在隧道拱頂防水板及保護層施作完成后，通過水泥砂漿固定，并保護于隧道細(xì)石混凝土保護層外側(cè)。溝槽內(nèi)光纜在中央水溝澆筑完成后一次性布設(shè)。

(a) 振動感測光纜

(b) 振動感測光纜布設(shè)圖

由于振動感測光纜在隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成后分別在拱頂外和中央水溝側(cè)壁鋪設(shè)，光纜未在建設(shè)期受到破壞，在隧道覆土回填后進行了洞外和洞內(nèi)的異常事件原位測試，在隧道洞頂進行鉆孔、重車碾壓、挖機挖土測試，在隧道內(nèi)進行了掉塊測試，感測到的振動波形和能量有顯著區(qū)別，各事件在時頻上的特征信息如表1所示。當(dāng)事件發(fā)生時信號局部強度變大，通過尋找局部強度最大位置，確定事件位置，如圖11所示。最終可得光纜皮長定位精度為±4 m。目前該系統(tǒng)正對正常維修養(yǎng)護、上道行人、列車行駛等常見事件進行識別和記憶學(xué)習(xí)，以達到對異常侵入進行智能化預(yù)警的目的。

表1 各事件在時頻域上的特征信息

圖11 事件的準(zhǔn)確定位圖

3.6 隧道變形縫變形感測系統(tǒng)

在隧道主體結(jié)構(gòu)及仰拱填充、溝槽等附屬結(jié)構(gòu)施工完成后，將變形感測系統(tǒng)一次性串聯(lián)布設(shè)在隧道中央排水溝測槽中，每處變形縫設(shè)置2個光纖光柵位移傳感器，通過設(shè)置支架和定位鋼板測量變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)沿隧道縱向和豎向的相對位移。變形縫相對位移感測元件布設(shè)如圖12所示。

(a) 光纖光柵位移計

(b) 變形縫相對位移感測元件布設(shè)圖

變形縫雙向位移傳感器在隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成后在中央水溝側(cè)壁專用槽中安裝，隧道每間隔60 m左右設(shè)置1道變形縫，每道變形縫安裝1套傳感器，共安裝120套雙向位移傳感器，所有傳感器通過通長傳輸光纜聯(lián)接，數(shù)據(jù)最終匯入疏散豎井服務(wù)器中。

4 京雄城際隧道形位感測三維展示管理平臺系統(tǒng)

根據(jù)京雄城際隧道自動化感測系統(tǒng)構(gòu)建了基于BIM平臺的三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)來源于分層沉降、異常侵入、混凝土應(yīng)變、變形縫相對位移感測數(shù)據(jù)，可視化系統(tǒng)與感測數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)對接，間接地對接光纖調(diào)制。BIM 側(cè)重于對隧道、傳感器的結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)部詳細(xì)組成的三維表達，為隧道結(jié)構(gòu)安全提供了可視化的三維環(huán)境。

本模型使用Unity 3D進行渲染，該平臺界面友好、易操作，可快速、清晰地加載BIM模型。介于Node.js對socket.io的友好支持特性，數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器開發(fā)語言為Node.js，通過socket.io與展示端通訊。數(shù)據(jù)采集器通過HTTP協(xié)議與傳感器系統(tǒng)對接實時數(shù)據(jù)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，簡單易用且支持開放式數(shù)據(jù)庫連接。

三維展示系統(tǒng)模型可自主選擇巡游、自主和監(jiān)控3種模式，并標(biāo)明監(jiān)測測線和測點的位置，實時顯示分層沉降、變形、火災(zāi)、應(yīng)變感測子系統(tǒng)的監(jiān)測情況，并展示預(yù)警和報警信息。系統(tǒng)提供了豐富的可視化設(shè)計組件，包括常用的數(shù)據(jù)圖表、圖形、控件以及具有三維顯示效果的實景組件等；支持管理員對用戶和公共數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一管理，同時可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，進行實時的數(shù)據(jù)管理，并為企業(yè)中的不同角色分配對應(yīng)的使用權(quán)限。三維展示系統(tǒng)模型如圖13所示。

圖13 三維展示系統(tǒng)模型

4.1 分層沉降展示系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)

圖13中的分層沉降展示系統(tǒng)可以通過地質(zhì)模型展示測孔內(nèi)各地層的豎向位移相對值與絕對值，并具備輸出展示二維云圖和曲線圖的功能。通過折線圖展示6個監(jiān)測點的歷史沉降值，當(dāng)沉降位移超閾值可進行預(yù)警和報警，點擊按鈕即可進入界面查看數(shù)據(jù)。

分層沉降監(jiān)測模塊展示如圖14所示。從圖14可以看出，-30～-70 m深層土體變形已基本穩(wěn)定，0～-30 m土體12月尚有輕微的沉降和隆起變化，進入1月后基本趨于穩(wěn)定。主壓縮層位于0～-25 m，隧道基底壓縮量較小。由于區(qū)域沉降是一個長時間的發(fā)展過程，需要在鐵路運營期持續(xù)監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)對于持續(xù)深入研究區(qū)域沉降對隧道長期運營安全影響具有重要意義。

圖14 分層沉降監(jiān)測模塊展示

4.2 火災(zāi)報警展示系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)

感測光纜的溫度數(shù)據(jù)通過熱力圖功能展現(xiàn)出不同區(qū)域的溫度差異，可在三維模型中查看溫度云圖和曲線圖，當(dāng)測點溫度超過閾值，發(fā)出火災(zāi)警報。

如圖15選取DK50+008～+130共122 m，對2021年3月9日9:00～23:00溫度感測數(shù)據(jù)進行展示?？梢钥闯?，由于此處距離洞口約3 km，溫度變化隨洞外氣溫變化較小，最高溫出現(xiàn)在15:00～17:00，12:00～13:00、18:00～22:00溫度較低。本系統(tǒng)除了隧道火災(zāi)預(yù)警功能外，還可用于研究京津冀地區(qū)此類隧道內(nèi)溫度梯度變化規(guī)律。

圖15 DK50+008～+130隧道拱頂襯砌實測溫度變化情況

4.3 隧道異常侵入展示系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)

通過振動監(jiān)測傳感器獲取振動數(shù)據(jù)，震動區(qū)塊將隧道作為標(biāo)尺，配合折線圖展示隧道頂部與底部排水溝處2個振動感測光纜的實時信息。當(dāng)列車經(jīng)過會顯示警示圖標(biāo)，根據(jù)采集振動數(shù)據(jù)在圖13的三維模型中展示列車在隧道中的行進畫面，模型中列車行進位置與實際位置基本相符，并顯示列車的速度、位置、方向。對于隧道異常振動(包括異常侵入、隧道周圍施工擾動、設(shè)備掉落及混凝土掉塊)具有報警的高亮提示功能。

在運營測試中，隧道內(nèi)通長布設(shè)的運營光纜能實時感測到列車運行位置，如2021年3月9日由大興機場站開往雄安站的C2707次列車于11:09開行，11:10到達機場2號隧道洞內(nèi)，并向南持續(xù)行進。其振動感測情況如圖16所示。由圖中可推算出，列車速度約為190 km/h，處于出站加速狀態(tài)，該系統(tǒng)對于振動能量變化監(jiān)測十分敏感。

(a)

(b)

(c)

(d)

紅框為列車振動引起的隧道振動能量峰值位置。

圖16 列車行進過程中隧道振動感測情況

Fig. 16 Tunnel vibration sensing during train passing

目前感測光纜坐標(biāo)0～1 000 m在隧道疏散豎井內(nèi)余長光纜(700 m)和豎井北側(cè)中央水溝內(nèi)(300 m)，由于豎井內(nèi)風(fēng)機持續(xù)工作噪聲很大，豎井附近隧道中央水溝水聲較大，因此在感測光纜0～1 000 m有較大的環(huán)境振動噪聲。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對隧道沿線異常振動感測，具有靈敏度高、定位精度高、數(shù)據(jù)處理簡單快速的優(yōu)點，尤其適用于機場隧道這類在規(guī)劃密集區(qū)的淺埋城市隧道的結(jié)構(gòu)保護。

4.4 混凝土應(yīng)變展示系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)

混凝土應(yīng)變展示系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)生成隧道環(huán)向的內(nèi)力云圖，并輸出二維軸力圖和彎矩圖，且可以瀏覽歷史數(shù)據(jù)，具有預(yù)警和報警的高亮提示功能。

取隧道穿永定河北堤處實測數(shù)據(jù)進行分析，隧道實測彎矩雷達圖及環(huán)向內(nèi)力實測數(shù)據(jù)與計算值對比分別見圖17和表2。從圖17和表2可以看出： 除拱頂實測值與設(shè)計值接近外，其余部位監(jiān)測值均較設(shè)計值小，這與傳統(tǒng)設(shè)計中將明挖隧道兩側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)當(dāng)作臨時結(jié)構(gòu)，不計算圍護樁的存在對地層抗力系數(shù)的影響有關(guān)。從實測數(shù)據(jù)看，現(xiàn)行傳統(tǒng)的明洞不考慮圍護樁計算模型或偏于保守，相關(guān)理論研究需多種監(jiān)測手段、充分的多樣本分析進一步完善。該系統(tǒng)對隧道從澆筑混凝土、混凝土養(yǎng)護、隧道洞頂逐步回填、洞頂土層固結(jié)全生命周期進行監(jiān)測，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)可對明挖隧道計算模型和設(shè)計理論的進一步發(fā)展提供技術(shù)支撐，目前后續(xù)研究正在長期監(jiān)測進行中。

圖17 隧道實測彎矩雷達圖(單位： kN·m)

4.5 變形縫變形感測展示系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)

在三維系統(tǒng)展示模型上可體現(xiàn)各隧道段落的相對位移，可按一定比例放大位移，也可以根據(jù)需要查看任意一處變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)相對位移實時情況和歷史數(shù)據(jù)，具有預(yù)警和報警的高亮提示功能。永定河段變形縫相對位移感測數(shù)據(jù)見圖18。

表2 環(huán)向內(nèi)力實測數(shù)據(jù)與計算值對比

(a) 變形縫相對位移(豎向錯動)

(b) 變形縫相對位移(水平拉伸/壓縮)

從圖18可以看出，變形縫豎向錯動量均在2 mm以下，變形縫沿隧道縱向變形主要為拉伸變形，拉伸量小于5 mm。主要是因為監(jiān)測時段為冬季，隧道混凝土結(jié)構(gòu)因低溫影響收縮，變形縫拉伸對防水構(gòu)件暫無影響。該系統(tǒng)具有實時性和精確性，在穿越活動斷裂帶、區(qū)域沉降區(qū)以及穿江過海的隧道上有廣闊的應(yīng)用場景。

由于滲漏水模塊數(shù)據(jù)正在收集中，本文不作詳細(xì)介紹。

5 結(jié)論與討論

1)基于光纖傳感技術(shù)的隧道全生命周期分層沉降、襯砌環(huán)向應(yīng)變、襯砌滲漏水、火災(zāi)、異常侵入、變形縫變形等多物理量多因素的綜合形位感測系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測預(yù)警、安全評估以及可視化展示于一體，能夠?qū)崟r反映隧道所處的安全狀況，并實時預(yù)警、報警，為高鐵隧道安全運營提供有力保障。

2)系統(tǒng)可以提供全生命周期長距離、分布式、高精度監(jiān)測，可為高填方明挖隧道計算模型與設(shè)計理論研究、明挖隧道沉降變形、區(qū)域沉降對高鐵隧道運營的影響、隧道溫度梯度變化、變形縫伸縮與環(huán)境溫度的關(guān)系等后續(xù)研究提供一系列數(shù)據(jù)支撐。

3)研發(fā)的基于BIM模型的隧道監(jiān)控三維可視化系統(tǒng)平臺將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)源和感測數(shù)據(jù)分析、處理及傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)手段難以實現(xiàn)的隧道健康及運營安全分析、評價問題，實現(xiàn)了監(jiān)測結(jié)果和事件預(yù)警的三維可視化展出，為運營單位及時做出處理決策提供了有力依據(jù)，同時也是在高鐵隧道數(shù)字化、智能化運維上的創(chuàng)新與實踐，為“智能京雄”工程提供了強有力技術(shù)支撐。

目前，系統(tǒng)實現(xiàn)了基于光纖傳感技術(shù)的多參量數(shù)據(jù)采集、可視化展示、預(yù)警等功能，但關(guān)于預(yù)警指標(biāo)確定、預(yù)警準(zhǔn)確性保障問題仍需進一步研究。下一步將基于長期運營數(shù)據(jù)的積累，結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展，逐步優(yōu)化預(yù)警指標(biāo)，尤其是滲漏、入侵事件的判識指標(biāo)，建立預(yù)警準(zhǔn)確度、保障性更高的安全監(jiān)測系統(tǒng)。