隧道健康监测解决方案

隧道健康监测 解决方案

1背景概述

随着隧道工程的大规模建设，隧道工程的运营期结构状况的评估、 运营现状 以及工程服务寿命的预测已成为隧道工程建设需要解决的重大课题， 同时也是隧 道运营业主关心的一个重要议题。

盾构隧道因长期受地表水与地下水有害作用的影响，在施工和运营过程中， 渗漏水会使结构不均匀沉降，隧道产生弯曲，导致隧道接缝张开，从而进一步加 剧渗漏。隧道的渗漏水会影响结构的耐久性和设备的正常使用，危及行车安全， 同时水的流失使得孔隙水压力降低， 土中有效应力增加，从而土体被压密而引起 沉降。

某隧道的沉降观测表明，隧道在建成之后其沉降一直在持续发展， 累计沉降 最大值在上行线和下行线均超过《地铁隧道保护条例》 （1992）所规定的20mm总 位移量的标准，并且未见近期收敛稳定的趋势。 伴随沉降值的增大，隧道的纵向 不均匀沉降愈加显著，隧道全线也出现多处安全隐患。

隧道健康监测系统建立的目的是通过对隧道结构状况以及其他工作状况的 监测，为运营期结构状况的评估、运营现状以及工程服务寿命的预测提供大量监 测数据。为了实现这些功能，隧道健康监测系统需要对以下几个方面对隧道进行 监测：

隧道结构侵蚀监测；

隧道结构监测，包括：变形、收敛、内力、接缝监测； 地层监测，包括：土压力、水压力监测； 对隧道进行健康监测具有以下作用：

隧道健康监测系统

认识不同工况下，隧道结构、地层及相邻环境的变化及发展规律，以便 有针对性的改进施工工艺、调整施工参数；

建立预警制度，实现实时或准实时的整体结构检测，及时发现隧道监测 断面乃至整体可能存在的损伤和质量退化，保证结构安全；

为研究岩土性质、地下水条件、施工方法与隧道变形、水土压力及地表 沉降的关系积累数据，为改进设计提供依据；

预测隧道未来的工作状态，对发现的隧道异常进行初步分析，并提供经 济合理的维护建议；

可以合理的进行交通管理，保证人民生命财产安全，在出现事故隐患的 情况下，及时采取降低车流、疏散人员等措施。 隧道健康监测系统能够实现如下功能：

施工期和运营期实时监控、实时数据采集、存储、处理； 远程系统管理和控制；

自动生成报表、隧道状态变化曲线图等；

通过多项数据分析技术对结构变化进行初步分析和多级预警； 远程数据访问及主动信息发布； 与GIS系统和其它监控系统的无缝连接； 辅助决策与应急预案管理发布系统； 系统设备故障自诊断功能； 自由设定报警规则和阈值；

2隧道健康监测系统

系统应用了光纤传感技术、自动化数据采集和传输技术、统计分析技术、数 据库技术、网络技术等构建了一个智能化的系统，为相关管理人员提供最及时的 监测数据及现场信息。

根据隧道健康监测的要求，重点介绍以下两部分功能：

管片接缝张开量监测

管片接缝张开量监测可以在线提供当前各监测管片之间的间隙大小， 为进行 隧道截面收敛性分析提供基础数据， 并能够通过管片接缝张开量，预判可能发生 的危

隧道健康监测系统

险事件。

隧道温度分布（火灾）监测

光纤分布式火灾监测系统，能将隧道内任意位置的实时温度显示出来， 并连 接到火灾报警信息网，做到预防为主。隧道内一旦发现所测量环境温度值超过标 准设定报警温度时，光纤分布式温度监测系统把实时报警信号送到消防报警主

机，消防报警控制主机随后将发出火灾声光报警并显示， 同时把报警信号上传至 隧道管理所。

2.1系统结构

2.1.1整体结构

隧道健康监测系统采用分布式光纤应变温度监测系统（ DSTS ）作为核心设 备。系统整体结构可以分为：光纤传感网络和监测站两部分。 光纤传感网络由感 温光缆和应变光缆组成，分别完成隧道温度及应变量的传感传输。

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图1系统布置示意图

隧道健康监测系统

2.1.2张开量监测设计

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图2光纤敷设示意图

光纤敷设基本面为管片的内壁。以管片间隙为中心两边间隔250mm各安装

隧道健康监测系统

一个光纤固定件在管片内壁上，再把传感光纤固定在光纤固定件上。当管片接缝 张开量增大时，传感光纤左右两个固定点距离也会增大， 这样传感光纤就能够测 量到这个变化。

光纤在管片上环绕一周，然后沿隧道行进方向走线，到下一块管片时，再环 绕一周。若为已建成的隧道，则只能在管片上环绕半周。

对于相邻管片环差异沉降监测 的传感光缆的铺设，这里给出初步考虑，沿隧 道两壁过管片缝隙呈交叉方式敷设，两壁光纤以串联的方式相连接形成两个通道 直线。在项目中可以试点进行试验来验证该铺设方法是否可行。

2.1.3隧道内温度监测设计

公路隧道项目常用对隧道空间的温度探测方法是将感温光缆吊装于隧道顶 部中央，这样的话，可以保证感温光纤至两根车道上的行驶车辆相等， 也就是说， 可以保证分布式感温光纤对两根车道空间的探测灵敏度一致。

光缆悬吊安装在隧道顶部，距离顶部 150mm，以保持良好的通风与快速响 应时间。

探测光缆每隔1到1.5米用线夹固定，施工简单。

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1.5m \\ Z型〕 支架 图3隧道内探测光缆安装示意图（1）

另外一种安装方式：感温光缆还可以采用钢丝绳吊装方式， 此时只需要每隔

隧道健康监测系统

io米左右钉一个吊钩，张紧钢丝绳固定于吊钩，感温光缆可以采用扎带或是电 缆挂钩与钢丝绳固定在一起，此时感温光缆的安装如下图所示：

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\\吊架 、 2.2光纤敷设

图4隧道内探测光缆安装示意图（

整个施工以不影响正常营运为原则，安装时间安排在晚间地铁停运期间，并 安全有序的进行施工，具体步骤如下：

信号光缆铺设：从现场监测站出一根多芯光缆沿隧道壁到监测点； 确定光纤固定件的安装点：按照路由设计确定光纤固定件的安装点，管 片接缝张开量变化监测的光纤固定件的安装点是以隧道纵向管片与管 片之间的间隙缝为中心；

安装光纤固定件：在已经打好的钻孔内或基座上安装膨胀螺栓并在螺栓 上均匀的涂抹上铸工胶水，把光纤固定件的底座用螺丝拧固在膨胀螺栓 或基座上；

接缝张开量变化监测光纤的铺设：光纤固定在沿隧道纵向安装的夹具上 并把光纤拉直呈受力状态；

光缆连接：把传感光纤与多芯光缆连接并用光缆接续盒保护好连接点； 线路测试：安装完毕后测试出光纤初始状态的数据并保存。

2.3数据处理及通信

DSTS的采集文件被转换并输出到文件夹中。表格的每一栏都代表了传感光 缆线路上一个地理位置点的不同温度值。 每一行都显示了一个获取数据的空间温

隧道健康监测系统

度/应变曲线分布。以这个表格为基础，绘制两种类型的图表用做进一步的分析 一种是显示光缆线路上温度/应变与空间分布曲线图，另一种显示某一特定点的 温度/应变随时间变化曲线图。如下图示：

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图5软件界面

DSTS把实时收到的温度信号通过 USB、RS232、内置继电器、MODBUS 等多种输出形式与PC、PLC、消防报警系统、SCADA等其他控制设备进行互 连，可与报警控制器等系统进行联网，提供信号进行声光报警。通过互联网，还 可提供全球定位系统定位，无线通讯，服务电话，

SMS短信等服务。

2.3.1预警

监测结果将分别传输到设在现场和设在研究中心内的计算机上。 根据监测结 果，采用有限元程序 ANSYS、FLAC等对结果进行分析，对衬砌结构是否会开 裂给出预警，给出结构破坏趋势的预测，分析结构变形可能对结果造成的影响和 影响范围。

依据上述分析结果和安全度分析结果，给出分级预警报告。

上述监测结果，还可用于对设计模型的修正，提高设计水平，加快技术进步。 考虑到现阶段对监测数据的分析尚需进一步的积累，本监测系统将在研究机 构设研究中心，在研究中心将利用监测结果，通过荷载反演、损伤识别、可靠性 分析、时间序列分析、数据融合等手段，对监测结果作进一步分析，得到更高精 度和

隧道健康监测系统

更多参量的监测结果。

本系统的另一个优点就是在施工初期就开始安装监测系统， 除能监测施工期 安全外，还能将初始状态的监测结果作为健康监测系统的初值，减少监测系统的 误差。通过施工期的安全监测的运行，检验监测系统的可靠性。

每30分钟检测一次，自动记录数据，施工期间每天出报告一份，如遇特殊 问题，可视具体情况，缩短报告时间；正常使用期间，对结构进行实时分析，定 期出结构健康报告。

3小结

利用光纤布里渊散射原理，对隧道的结构变形、应变进行监测，对隧道可能 出现的异常变形进行长期在线监测目前在国内还鲜有实际应用。

以DSTS为核心

监测设备，对隧道的结构及温度分布进行监测，可以有效的降低事故的发生概率， 同时也能够填补隧道变形监测这一领域目前的空白状况。

而基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术（

DSTS）在技术指标上较

突出的

DTS/BOTDR要更胜一筹。将会是未来分布式光纤传感系统的发展方向。 性能指标具体表现为：

超长的可监测距离，达到100公里

高温度及应变分辨率，温度达 0.005 C,应变达0.1 — 测量时间短，最低1秒即可完成整个回路的测量 便于对待监测的区域进行集中管理

禾I」用相同的监测技术，我公司已经成功的在上海临港新城的新建海堤设计、 实施了针对海堤软土地基的沉降分布监测项目。 目前正在进行的还有深圳土层沉 降项目。监测结果得到了一些业内专家的认可，也为监测隧道结构健康状况积累 了技术经验。