城市地下重點設施安全狀態監測技術現狀及發展方向分析

邵彥超

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城市地下重點設施安全狀態監測技術現狀及發展方向分析

邵彥超

（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

隨著社會經濟的飛速發展，城市地下重點設施數量快速增長，其面臨的潛在危害直接影響到整個城市經濟社會的運行。針對新時期的城市地下重點設施安全狀態監測需求，以應力應變、振弦式傳感、裂縫標志監測等技術為代表的傳統監測手段雖滿足基本要求，但在使用中存在諸多實際問題。光纖傳感技術的引入為城市地下重點設施的狀態監測提供了新的途徑。立足于城市地下重點設施狀態監測的現狀，對光纖傳感的優勢及未來發展方向進行了分析。

地下重點設施；狀態監測；光纖傳感；分布式光纖

我國城市重點地下區域設施事故造成的事故傷亡人數僅低于道路交通事故和煤礦事故，居第三位，在全國重特大事故中，土木工程領域的事故約占10%，每年因城市地下設施事故造成直接經濟損失數十億元計，這些事故不僅造成了巨大的人員傷亡和財產損失，也造成了極其惡劣的社會影響。城市重點地下區域安全事故的嚴峻形勢已成為影響構建和諧社會的重要因素。面對城市重點地下區域設施安全事故頻發的嚴峻形勢，國內在相關生產領域積極推進城市設施安全管理體系建設，并進行了一系列的技術改造，使得城市重點地下區域設施安全事故整體監管水平有了明顯的提高，但與發達國家相比依然存在較大差距，從統計數字來看，生產過程的事故率依然是發達國家的5～6倍。地下工程與地下空間建設、運維過程中事故（異常）偵測、分類、評估、修復等工作一直是國內外專家關注的重中之重。

1 地下重點設施安全狀態監測的必要性

城市地下重點設施是對社會生產和居民生活以及整個城市經濟社會運行起服務作用的設施，大體可以分為大型公共建筑和地下設施兩部分，前者包括高層建筑、橋梁、機場、火車站、高速公路、鐵路等，后者包括隧道、地下管廊、地鐵等。監測城市地下重點設施安全狀態的目的是及時發現潛在危害，比如沉陷、傾斜、塌方、泄漏等，保證建筑安全，從而避免人民重大生命、財產損失。建筑危險事故的發生是一個緩慢的過程，一般發端于微小的破損，比如形變、裂縫、沉降等。所以城市地下重點設施監測的目標就是針對這些微小破損，進行長期穩定觀測，預測其發展變化趨勢，評估潛在危險等級，及時采取適當措施修復破損。

2 地下重點設施安全狀態監測傳統技術方法

城市地下重點設施安全狀態監測是土木工程領域的難點和熱點，監測重點是建筑物形變、沉降、鋼結構疲勞、裂隙產生、泄漏等問題。傳統方法通過提前埋設在設施表層或內部的接觸式傳感器（比如應變片、應力計、加速度傳感器、土壓力盒、聲波計、傾角儀、裂縫儀等）采集應變、應力、頻率、振動等信息；通過常規大地測量儀器（比如經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等）采集位移、傾斜、撓度、沉降等信息，測定建筑變形值。國內外普遍采用的傳統監測方法有以下幾種。

2.1 應力傳感器（應變片）法

應變片用于測量物體應力與應變，當被測部件受外力變形時，敏感柵隨之變形，敏感柵的電阻值會產生相應變化。該方法廣泛應用于建筑物應力監測中，但需要預埋使用，更換維護比較煩瑣。

2.2 振弦式傳感器法

當被測量變化時，通過轉換元件引起振動系統等效剛度變化，改變振弦的固有頻率，形成諧振頻率隨被測量變化而變化的頻率特性，通過測量頻率的變化，即可得知被測物理量的變化。該方法穩定性好，結構簡單，適用于建筑物的形變和裂縫監測，但安裝使用比較煩瑣。

2.3 裂縫標志監測法

通過觀測標志監測裂縫變化：①石膏標志，在裂縫兩端抹一層石膏，待干固后用紅漆噴一層跨越裂縫兩側且垂直于裂縫的橫線，如果裂縫擴張，石膏就會開裂，則可以觀察紅線處裂縫的寬度；②金屬標志，在裂縫的兩側打孔埋設金屬標志點，定期用游標卡尺量出兩點間的距離變化，精確測得裂縫寬度的變化情況。對于面積較大且不便于人工測量的多裂縫，宜采用近景攝影測量方法；當需要連續觀測裂縫變化情況時，還可以采用裂縫計或傳感器自動測記方法。裂縫標志監測法可用于建筑地上部分監測，但無法對建筑地下部分進行監測。

2.4 超聲波監測法

該方法多用于混凝土結構物變形監測和裂縫監測，可通過直接測量超聲波在混凝土結構中的波速比，進而推測混凝土結構的強度及變形性能。該方法不需開挖安裝，但設備成本較高，不適合作長期、持續觀測。

2.5 常規大地測量儀器測量法

該方法常用于位移、撓度、傾斜、沉降觀測，主要使用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規測量儀器測定點的變形值。該方法能夠提供變形體整體的絕對變形信息，但布點受地形條件影響，不易實現自動化監測。

2.6 聽漏儀

聽漏儀用于地下管線泄漏監測，包括薄膜聽漏儀、電子聽漏儀。儀器采用在沿管線或配件處拾取泄漏聲的方法，確定泄漏地點。泄漏聲受環境影響大，通常是大致確定泄漏位置，作人工精確輔助定位用。

3 地下重點設施安全狀態光纖傳感監測技術

傳統的建筑安全監測方法成熟可靠，但存在監測設備安裝復雜、維護煩瑣（比如應力片、振弦式傳感器）、監測成本高、不易實現自動化監測等問題。近年來，為彌補傳統監測方法的不足，國內外建筑監測的研究重點都轉向分布式光纖傳感器。與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有一系列優點：耐腐蝕、耐久性好；體積小、質量輕、結構簡單，埋入建筑工程結構中對基體材料幾乎沒有影響；能避免電磁場的干擾，電絕緣性好；信號可多路傳輸，便于與計算機連接，易于實現分布式測量；單位長度上信號衰減小、傳輸距離很長；靈敏度與精度高，頻帶寬，信噪比高等。所以，自1989年美國布朗大學的Mendez等人首次將光纖傳感器埋入混凝土結構中進行安全監測后，美國、日本等國家的一些學者開始將這一高新技術應用于建筑工程研究中，取得了很好的成果。現在光纖傳感技術在建筑工程中已經廣泛應用。

光纖傳感器一般分為強度調制光纖傳感器、干涉型光纖傳感器、布拉格光柵傳感器和分布式光纖傳感器。

3.1 強度調制光纖傳感器

強度調制光纖傳感器是通過監測由待測量引起的光強變化實現對被測量的測量。在建筑工程中，由于其粗放式特點，常用基于微彎的光模式強度調制傳感器，可以制作溫度、壓力、振動、位移、應變等光纖傳感器。其優點是簡單、可靠、經濟。

3.2 干涉型光纖傳感器

干涉型光纖傳感器通過干涉監測技術測得由被測量引起的光波相位變化來測得待測量，其最大的優點是靈敏度高，適用于局部測量。常用的傳感器為馬赫-澤德（Mach-Znhnder）干涉型光纖傳感器、麥克爾遜（Michelson）光纖干涉儀和法布里-珀羅（Fabry-Perot）應變傳感器（FPI）。

3.3 布拉格光柵傳感器

布拉格（Bragg）光柵（FBG）傳感器是在一根光纖的纖面刻出一個光柵，通過應變與衍射條紋的變化之間的關系得到這一微小區域的應變值。在光纖的長度上可分布一系列不同波長的光柵，從而可以獲得多個點的測量信息，因而FBG傳感器可進行準分布式測量。

3.4 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器是將傳感光纖沿場分布，并采用獨特的探測技術去感知光纖傳輸路徑上待測場的空間分布和隨時間變化的信息。由于它探測的是場的分布，比點測量更有意義。為此，國內外非常重視這項技術，并取得了很大的進展。分布式光纖傳感器廣泛應用于建筑物的應力監測、強度測量、裂縫監測、腐蝕監測中。Fuhr和Huston等在美國佛蒙特州Winooski河上的一個大壩中埋入10個多模光纖傳感器并用OTDR技術來監測大壩的壓應力。Hendriek等將單模光纖埋入混凝土和土壤的飛行跑道上，監測其應力分布。美國多倫多大學Measure等人在建于1993年Calgurg市的世界首座預應力碳纖維高速公路橋上埋入Bragg光柵傳感器，并對其內部的應力變化狀況進行了監測。Wolff和Miesselert在一座53 m長的橋梁上將光纖傳感器埋入橋面內，測量了延伸率和拉應力。光纖延伸率的測量揭示了橋梁內溫度和蠕變的影響因素。美國Vermont大學的Huston和Fuhr等人在該校的一棟6 000 m2大樓的建造過程中埋入光纖傳感器，用來監測結構的安全狀況。他們還在一些人行天橋、州際公路橋、鐵路橋及大壩中埋入光纖傳感器，監測其應力應變、結構振動、結構損傷程度、裂紋的發生與發展等內部狀態，取得了較好的測試效果。

在國內，這項新技術也被應用于許多重要工程中。上海紫珊公司將光纖光柵傳感器成功應用于上海盧浦大橋；香港理工大學的研究人員將設計和建立的光纖光柵傳感網絡用于香港青馬大橋；三峽工程中也使用了分布式光纖傳感器來監測裂縫和大體積混凝土的溫度。另外，在古洞口面板堆石壩和重慶魚跳電站混凝土面板堆石壩中均應用了分布式光纖傳感器監測壩體裂縫。

城市地下重點設施安全狀態監測中，分布式光纖的應用應考慮典型光纖信號的特性分析與特征提取，通過選取的高重要性變量建立識別模型，進而支撐區域設施狀態的評估工作，力求滿足實際需求，使得對城市重點地下區域設施狀態的識別與評估更加準確，保證地下區域的安全生產。

4 結束語

綜上所述，現行的建筑監測方法多是從建筑物內部、地面進行觀測，而從地下觀測建筑物狀態是建筑觀測的一個全新視角。但地下觀測方法處于發展階段，雖然有一些方法見諸文獻，但還未成熟，尚未在土木工程行業中大規模應用，具有廣闊的市場前景。

［1］張錦龍，王擁軍，田鳳，等.光纖傳感的后起之秀——分布式傳感［J］.南京信息工程大學學報（自然科學版），2017，9（2）：174-178.

［2］徐衛軍，侯建國，周元春.光纖傳感技術在土木工程健康監測中的應用［J］.水電能源科學，2006，24（5）：75-79.

2095－6835（2018）18－0016－03

TU94

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.016

〔編輯：劉曉芳〕