國內隧道結構健康監測新技術的研究

包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學） 青島 266590）

國內隧道結構健康監測新技術的研究

包明浩 夏華林 于 超

（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學） 青島 266590）

隨著傳感器技術和互聯網物聯網等技術的迅速發展，在隧道結構健康監測理念的背景下，由于傳統隧道監測方法缺點的限制，新的監測技術在隧道結構健康監測中有顯示出優異的優點：三維激光掃描技術能實現快速數據采集和數據處理，并且數據誤差小；光纖傳感器能夠耐腐蝕，圖像分辨率高，結果精度高，自動化水平高等，這些新技術表現出日益蓬勃的生機。本文著重介紹國內新監測技術的研究及其現狀并指出他們將是隧道變形監測未來重要的發展方向。

隧道結構健康監測系統；三維激光掃描；光纖傳感器

1 前言

隨著我國經濟發展迅速加快，對隧道建設的需求越來越大。對我國5000座鐵路隧道統計中，大約有1/3的隧道有襯砌結構裂縫和滲水漏水的情況[1]。隧道結構健康監測成為隧道安全運營的當務之急。“隧道結構健康監測”這個概念自 1997年[2]提出發展到現在，隧道結構健康監測已經取得了階段性成功。結構健康監測現在較流行的定義是Housner提出來的：利用現場的無損傳感技術，通過包括結構響應在內的結構系統特征分析，達到檢測結構損傷或退化的目的。這個概念在國內被廣泛接受。

本文側重介紹了隧道監測新技術及其優點，高效、快速、精確的特點使得這些新技術將成為隧道健康監測未來的發展趨勢。

2 傳統隧道變形監測

就目前而言，之前隧道變形監測采用的設備大多是經緯儀、水準儀、鋼尺式收斂計[3]等。這些測量設備具有成本低、操作簡單、通用性好等優點，但是對于現代化隧道結構健康監測的要求而言其缺點[4]也是醒目的：（1）取點是點式的。（2）環境差異大使得設備測量結果不準確。（3）自動化程度不高。（4）不具備長距離、三維監測能力。

下面主要就目前重要的新技術的發展現狀做一介紹。

3 隧道健康監測新技術的發展現狀

3.1 多傳感器變形監測系統

在傳統測量方法的基礎上發展來的多傳感器的發展和應用大大提高了隧道監測的精度和效率。

劉正根、黃宏偉第一次在國內采用由靜力水準儀、直線位移計、鋼筋腐蝕傳感器、應變計以及裂縫計組成的沉管隧道健康監測系統對沉管隧道做了實時監測。通過同步的結構分析與安全評定，對隧道的變形情況作了預警，為沉管隧道的監測開辟了道路。張成平運用遠程自動監測系統對北京地鐵5號線施工做了實時動態監測。該監測系統的成功應用，不但證明了新一代遠程多傳感器監測技術具有可以在高密度行車區間內實施監測作業的優勢，而且其具有便捷性、實時行、有效性和可靠性。周奇才使用誤差分析理論對系統測量誤差進行分析，并指出滿足1km的測量長度上獲得±3毫米的精度時，圖像傳感器應滿足的精度條件，為提高監測系統的精確度提供了根據。

劉洪震推導出了全站儀固定測站三角高程測量精度公式，依照很多實測數據并且使用全站儀三角高程法與NA2水準儀法結果對比分析得出使用全站儀固定測站進行地表沉降觀測，解決了因為各種原因不易立尺的問題。陳龍浩利用靜力水準儀高精度、實時監測等優點，獲取實驗區域地表建筑物變形數據，并建立了各影響因素改正模型，對變形體微變形實時遠程監測。戴加東通過對靜力水準系統在某工程中的初步應用，將靜力水準與光學水準的監測數據進行比較，總結了靜力水準系統應用經驗。

多傳感器變形監測技術是傳統設備全站儀、水準儀等和別的技術加以結合成的技術，有遠程控制、數據采集和傳輸等特點，克服了傳統監測方法的缺陷，能高效、動態、全天候、高精度地實現變形監測。不僅測量精度增加了，而且工作繁瑣程度大大降低了。此技術，在隧道結構健康監測中應用很廣泛，具有不錯的實用價值。

3.2 三維激光掃描變形監測技術

被稱為“實景復制技術”的三維激光掃描技術可以獲取到任何復雜的現場環境及空間目標的三維立體信息，被認為是從點測量到面測量的技術性改革。

馮發杰、劉會武結合三維激光掃描技術，在隧道的變形分析中提出變形分析方法，通過對比分析變形前后異常點的變化情況可實現隧道的變形分析。康志忠利用三維激光掃描技術結合高精度、高空間分辨率的多時相點云數據，實現地鐵隧道連續形變監測數據分析處理，為城市地鐵交通安全提供強有力的技術支持。劉紹堂、潘國榮采用誤差分析理論和工程實驗應用研究方法，研究三維激光掃描技術應用于隧道環境進行變形監測的誤差來源和影響規律，為三維激光掃描技術結果的精確度提升了一個高度。

李萬莉分析了新型監測車上的激光探頭分布形式以及截面擬合的算法進行探討并提出新型的算法，防止監測事故的發生，有很重要的現實意義。陳欣將高速公路隧道監測與三維激光掃描技術結合，探索了一套從三維激光掃描點云中提取橫縱斷面、與隧道斷面設計對比、多期點云數據全斷面變形檢測的理論方法。

可見三維激光掃描技術使得數據收集加快了，提高數據處理效率降低了作業強度，將是未來隧道健康監測的重要手段之一。另外筆者認為，三維激光掃描技術還將在三維建模和軸線變化及趨勢預測方面得到更好的發展。

3.3 光纖傳感技術

光纖傳感技術包括SOFO點式光纖傳感器、光纖光柵傳感器FBG、分布式光纖傳感器BOTDA，具有抗電磁干擾、響應快、精度高、耐腐蝕等優勢。

張帥軍通過對鋼筋應變計、混凝土應變規律、溫度的監測結果分析，指出光纖傳感器反應靈敏且數據穩定，能夠反映出各種變化。但因為光纖傳感器首次被應用在地下工程監測還存在一些不足之處。劉紹堂采用文獻分析和比較分析方法，研究了布設形式，討論了數據處理方法。研究指出此技術具有動態、實時、精度高等優點，在地鐵和隧道工程安全監測領域有一定的應用前景。

張娟針對目前青藏高原的凍土區域，探索了低溫條件下分布式布里淵光纖技術空間分辨率和測量精度的關系，彌補了BOTDA在低溫條件下中長距離傳感范圍研究的空白。史彥新等在整個巫山殘聯滑坡體上放置監測光纖，利用布里淵得到了滑坡體的變形數據。宋震運用BOTDA對錨桿的軸向應變做了數據監測，并進行數值模擬與實測數據，結果驗證了基于布里淵的錨桿應變分布監測的可行性。沈圣將靜力水準沉降監測系統與準分布式光纖光柵傳感器相結合，提出基于改進共軛梁法的盾構隧道縱向沉降分布監測策略，最后通過試驗結果表明策略監測沉降的最大誤差僅為10%，保證了長距離監測的精度。

在建隧道監測中常遇到的封裝保護、溫度補償及系統集成問題，魏廣慶以具體工程案例對FBG纖細脆弱、交叉敏感的問題進行了分析。指出通過一定的措施可以大幅提高埋入式FBG傳感器的成活率。關袁玉通過FBG傳感器對隧道斷面的應變情況進行了分析。結果表明數據的曲線走勢在一定程度上反映了隧道二次襯砌的變化，為進一步的病害預報提供了有效的支持，保證了隧道健康運營。

光纖監測技術的發展能夠為隧道結構健康監測系統打下堅實的技術基礎，一個真正意義上的TSHMS將建立并將不斷得到完善。

4 結束語

新技術的發展大大推動了TSHMS發展，這些新技術表現出日益旺盛的生命力，為TSHMS的發展增添新的活力，他們將為隧道結構健康監測帶來新生機。

[1]方利成, 杜彬,張曉峰.隧道工程病害防治圖集[M].北京:中國電力出版社, 2001.

[2]HousnerGW,BergmanLA, CaugheyTK, etc. Al. StructuralControl:Past, Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997(9): 897－971．

[3]劉紹堂,王志武.隧道圍巖收斂監測方法及其特點[J].鐵道建筑,2008(7): 44-46.

[4]施斌,張丹,王寶軍. 地質與巖土工程分布式光纖監測技術及其發展[A]. 中國地質學會工程地質專業委員會.工程地質力學創新與發展暨工程地質研究室成立50周年學術研討會論文集[C].中國地質學會工程地質專業委員會,2008:8.

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1007-6344（2016）07-0011-01