基于多參量光纖傳感技術的京雄城際隧道形位感測系統應用研究

葉少敏

(中國鐵路設計集團有限公司，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，結構安全易受影響。一旦隧道結構發生破壞，不僅會導致整個交通干線停頓，還將對社會、人民的生命財產造成巨大損失。因此，無論是隧道建設期還是運營期，都需進行隧道結構健康監測[2]，以確保隧道全生命周期內安全運行。傳統的隧道結構監測主要依賴人工，采用常規監測技術和傳統電傳感器采集數據，不僅監測范圍小、效率低、操作繁瑣，且監測的數據繁雜而抽象，無法保證其準確性、實時性，難以滿足現代隧道施工監測的要求[3]。因此，隧道結構的監測技術亟待創新，應由點式向分布式、自動化、高精度的方向發展，以適應現代隧道結構監測與評價的需要。

光纖既是傳感介質，又是傳輸通道[4]。與其他技術相比，光纖具有體積小、質量輕、幾何形狀適應性強、抗電磁干擾、電絕緣性好、化學穩定性好、頻帶寬、靈敏度高等諸多優點[5-6]。此外，通過光纖建立監測傳感網絡，可實現待測參量長距離、長時間的分布式組網監測[7-8]。近年來，光纖傳感技術發展迅速，受到了隧道結構監測領域的廣泛關注。Mohamad等[9]將分布式光纖監測技術應用到臨近隧道的開挖對隧道環形收斂變形規律的研究，證明了分布式光纖監測技術的優越性。王飛等[10]將BOTDA技術運用到管片接縫的變形監測模型試驗中，對管片結構張開、轉動及隧道變形進行分析。

分布式光纖傳感技術包括準分布式和全分布式2種感測方式。準分布式主要是光纖光柵感測技術，即利用1根信號傳導光纖，將許多光纖或其他傳感器串聯起來，通過波分復用和時分復用等感測原理，將多個傳感器的感測信號區分而獲得各個傳感器的感測信息； 全分布式光纖傳感監測用的主要調制解調技術包括光時域反射計(簡稱OTDR)、拉曼散射光時域反射測量技術(簡稱ROTDR)、布里淵散射光時域反射測量技術(簡稱BOTDR)和布里淵光時域分析測量技術(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。根據用途可將光纖封裝成不同的傳感器或光纜，連接對應的解調設備，即可監測隧道結構健康的不同參量。

20世紀90年代后，國內隧道的運營期健康監測系統得到了發展，但多為基于自動化全站儀的隧道位移監測。近10年開始小范圍應用分布式光纖監測技術。公路隧道對于分布式光纖監測技術的應用較為廣泛，但主要采用基于成熟光纖測溫技術的防火預警系統或基于光纖傳感傳輸的水土壓力、結構壓力、變形等項目中的一兩個項目，監測的項目較少。國內鐵路隧道采用分布式光纖技術較少，自動化安全監測系統的應用還處于發展初期。

本文基于光纖傳感技術，介紹了京雄高鐵隧道全生命周期滲漏水、火災、環向內力、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的應用研究情況，以期為明挖高鐵隧道智能監測發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段地下區間隧道，如圖1所示。其中，1號隧道全長2 200 m，速度目標值為250 km/h，整座隧道位于北京市大興區范圍內；機場2號隧道北端接機場地下站，經過永定河后露出地面，隧道全長8 388.651 m，速度目標值為350 km/h。隧道設計為單洞雙線隧道，線間距5 m，洞身段結構覆土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區域不均勻沉降較為嚴重，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致隧道開裂、錯臺，影響隧道結構健康安全。此外，近年來京張、京沈等鐵路城市隧道相繼發生了異物侵入事件(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期規劃區，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 基于光纖傳感技術的京雄城際隧道形位感測系統架構

光纖傳感系統主要由傳感元件、調制解調設備、系統軟件和客戶端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； 調制解調設備用于對光信號的調制及解調，從而獲得對應的信號； 系統軟件根據應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。光纖傳感系統架構如圖3所示。

圖3 光纖傳感系統架構

京雄城際隧道形位感測系統所監測的參量包括溫度、沉降、應變、振動。使用的光纖傳感器包括光纖光柵分層沉降計、光纖光柵靜力水準儀和光纖光柵混凝土應變計；傳感光纜包括銅網內加熱溫度感測光纜、塑封鎧裝溫度感測光纜和振動感測光纜；所用的解調設備包括光纖光柵解調儀、分布式溫度解調儀和分布式振動解調儀。

分布式解調儀通過物理方式連接采集服務器，通過4G網絡將數據發送到中心服務器上，后端管理系統向客戶端提供服務。其中，光纖光柵采集設備無需通過采集服務器，而是直接通過4G網絡將數據發送中心服務器上。

3 京雄城際隧道光纖傳感系統設計及實施情況

京雄城際隧道光纖傳感系統包括6個監測子系統，分別為分層沉降感測系統、襯砌環向應變感測系統、隧道滲漏水感測系統、火災感測系統、隧道異常侵入感測系統和隧道變形縫不均勻變形感測系統。

由于高速鐵路隧道內列車風壓大，拱部懸掛安裝光纜有掉落風險。綜合考慮感測元件的布設位置、安裝方式、施工組織、感測效果等因素，確定感測元件優先預埋于隧道結構襯砌內的原則，無法預埋的則安裝于隧道仰拱附屬結構預留溝槽或拱頂外側，盡可能在保證感測精度的同時，確保鐵路運營安全。各監測子系統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的位置、數量、長度等，各個感測元件構成監測網絡，從而監測隧道的結構健康。

圖4 感測元件布設

3.1 分層沉降監測系統

分層沉降的監測孔位于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，在監測孔內布設多點分層沉降計(光纖光柵位移計、剛性桿、基座、錨頭)，測點數有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，基巖標實際施工終孔深度達1 017 m，固標于無側限抗壓強度15 MPa基巖層。分層沉降計頂與基巖標通過2個光纖光柵靜力水準儀連接，實時感測分層沉降計頂面的絕對高程，如圖5所示。光纖光柵解調儀直接通過4G網絡將數據發送到中心服務器上。

(c) 分層沉降監測元件布設 (單位： m)

中心服務器獲取到的數據分為相同的2個部分，一部分用作實時的流處理，另一部分存到歷史數據庫進行數據存檔。實時處理數據并進行分析，通過預先設置好的閾值來進行預警。產生預警信息后，調用消息隊列來給相關負責人員進行消息提醒，并將相關預警信息、日志存入管理數據庫，以便進行后臺操作管理。其他子系統的數據處理過程與此類似，下文不再贅述。

3.2 襯砌環向應變感測系統

隧道襯砌環向應變監測斷面共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26個光纖光柵應變計(見圖7(a))，布設位置見圖7(b),與襯砌內外主筋綁扎。應變計采用并聯的連接方式(見圖7(c))，光纖引線和數據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儀，通過網絡將監測數據傳輸至中心服務器。

圖6 光纖光柵應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) 隧道斷面應變計布設示意圖 (c) 應變計安裝示意圖

3.3 滲漏水感測系統

使用加熱控制設備對銅網內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和滲流場之間產生人為溫差。由于滲流在流動過程中會持續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]，滲漏區域的升溫速度較未滲漏區域慢。光纜布設在DK49+430～DK50+430和DK50+430～DK51+430，共2 km，并引入DK50+430處疏散豎井內連接至分布式測溫解調儀。2條獨立感測光纜綁扎在線路中線正上方拱部分布筋內側，穿越變形縫后以U形折返回拱頂，埋入變形縫另一側隧道結構，光纜位于變形縫中埋式橡膠止水帶及環向透水盲管內側，如圖8所示。

3.4 火災感測系統

塑封鎧裝溫度感測光纜布設在隧道DK46+092～DK53+300，共6 890 m，用于監測隧道火災情況。感測光纜綁扎于隧道拱頂距中點兩側各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、總圈數為1、節距為0。襯砌拱頂端根據彈簧狀鋼套管的縱向投影位置，預留直徑30 cm、深1 cm的圓形凹槽。

(a) 塑封鎧裝溫度感測光纜

(b) 火災感測光纜布設圖

(c) 火災感測光纜布設縱面圖

3.5 隧道異常侵入感測系統

將振動感測光纜連接至分布式振動解調儀，可實時感測隧道內人員走動、列車振動、設備掉落、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。在中央排水溝側槽內和拱頂外側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，單條光纜布設長度為7 208 m，如圖10所示。拱頂外側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，并保護于隧道細石混凝土保護層外側。溝槽內光纜在中央水溝澆筑完成后一次性布設。

(a) 振動感測光纜

(b) 振動感測光纜布設圖

由于振動感測光纜在隧道主體結構施工完成后分別在拱頂外和中央水溝側壁鋪設，光纜未在建設期受到破壞，在隧道覆土回填后進行了洞外和洞內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，在隧道內進行了掉塊測試，感測到的振動波形和能量有顯著區別，各事件在時頻上的特征信息如表1所示。當事件發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。目前該系統正對正常維修養護、上道行人、列車行駛等常見事件進行識別和記憶學習，以達到對異常侵入進行智能化預警的目的。

表1 各事件在時頻域上的特征信息

圖11 事件的準確定位圖

3.6 隧道變形縫變形感測系統

在隧道主體結構及仰拱填充、溝槽等附屬結構施工完成后，將變形感測系統一次性串聯布設在隧道中央排水溝測槽中，每處變形縫設置2個光纖光柵位移傳感器，通過設置支架和定位鋼板測量變形縫兩側結構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圖

變形縫雙向位移傳感器在隧道主體結構施工完成后在中央水溝側壁專用槽中安裝，隧道每間隔60 m左右設置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接，數據最終匯入疏散豎井服務器中。

4 京雄城際隧道形位感測三維展示管理平臺系統

根據京雄城際隧道自動化感測系統構建了基于BIM平臺的三維可視化監測系統，該系統實時數據來源于分層沉降、異常侵入、混凝土應變、變形縫相對位移感測數據，可視化系統與感測數據監測分析系統對接，間接地對接光纖調制。BIM 側重于對隧道、傳感器的結構框架和內部詳細組成的三維表達，為隧道結構安全提供了可視化的三維環境。

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，數據通訊服務器開發語言為Node.js，通過socket.io與展示端通訊。數據采集器通過HTTP協議與傳感器系統對接實時數據，采用MySQL數據庫，簡單易用且支持開放式數據庫連接。

三維展示系統模型可自主選擇巡游、自主和監控3種模式，并標明監測測線和測點的位置，實時顯示分層沉降、變形、火災、應變感測子系統的監測情況，并展示預警和報警信息。系統提供了豐富的可視化設計組件，包括常用的數據圖表、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據源的統一管理，同時可根據業務需要，進行實時的數據管理，并為企業中的不同角色分配對應的使用權限。三維展示系統模型如圖13所示。

圖13 三維展示系統模型

4.1 分層沉降展示系統及實測數據

圖13中的分層沉降展示系統可以通過地質模型展示測孔內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個監測點的歷史沉降值，當沉降位移超閾值可進行預警和報警，點擊按鈕即可進入界面查看數據。

分層沉降監測模塊展示如圖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月后基本趨于穩定。主壓縮層位于0～-25 m，隧道基底壓縮量較小。由于區域沉降是一個長時間的發展過程，需要在鐵路運營期持續監測。本監測系統對于持續深入研究區域沉降對隧道長期運營安全影響具有重要意義。

圖14 分層沉降監測模塊展示

4.2 火災報警展示系統及實測數據

感測光纜的溫度數據通過熱力圖功能展現出不同區域的溫度差異，可在三維模型中查看溫度云圖和曲線圖，當測點溫度超過閾值，發出火災警報。

如圖15選取DK50+008～+130共122 m，對2021年3月9日9:00～23:00溫度感測數據進行展示。可以看出，由于此處距離洞口約3 km，溫度變化隨洞外氣溫變化較小，最高溫出現在15:00～17:00，12:00～13:00、18:00～22:00溫度較低。本系統除了隧道火災預警功能外，還可用于研究京津冀地區此類隧道內溫度梯度變化規律。

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及實測數據

通過振動監測傳感器獲取振動數據，震動區塊將隧道作為標尺，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。當列車經過會顯示警示圖標，根據采集振動數據在圖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，隧道內通長布設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，并向南持續行進。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，該系統對于振動能量變化監測十分敏感。

(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0～1 000 m在隧道疏散豎井內余長光纜(700 m)和豎井北側中央水溝內(300 m)，由于豎井內風機持續工作噪聲很大，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有較大的環境振動噪聲。該系統可實現對隧道沿線異常振動感測，具有靈敏度高、定位精度高、數據處理簡單快速的優點，尤其適用于機場隧道這類在規劃密集區的淺埋城市隧道的結構保護。

4.4 混凝土應變展示系統及實測數據

混凝土應變展示系統可根據數據生成隧道環向的內力云圖，并輸出二維軸力圖和彎矩圖，且可以瀏覽歷史數據，具有預警和報警的高亮提示功能。

取隧道穿永定河北堤處實測數據進行分析，隧道實測彎矩雷達圖及環向內力實測數據與計算值對比分別見圖17和表2。從圖17和表2可以看出： 除拱頂實測值與設計值接近外，其余部位監測值均較設計值小，這與傳統設計中將明挖隧道兩側的圍護結構當作臨時結構，不計算圍護樁的存在對地層抗力系數的影響有關。從實測數據看，現行傳統的明洞不考慮圍護樁計算模型或偏于保守，相關理論研究需多種監測手段、充分的多樣本分析進一步完善。該系統對隧道從澆筑混凝土、混凝土養護、隧道洞頂逐步回填、洞頂土層固結全生命周期進行監測，獲得相關數據可對明挖隧道計算模型和設計理論的進一步發展提供技術支撐，目前后續研究正在長期監測進行中。

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及實測數據

在三維系統展示模型上可體現各隧道段落的相對位移，可按一定比例放大位移，也可以根據需要查看任意一處變形縫兩側結構相對位移實時情況和歷史數據，具有預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據見圖18。

表2 環向內力實測數據與計算值對比

(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。主要是因為監測時段為冬季，隧道混凝土結構因低溫影響收縮，變形縫拉伸對防水構件暫無影響。該系統具有實時性和精確性，在穿越活動斷裂帶、區域沉降區以及穿江過海的隧道上有廣闊的應用場景。

由于滲漏水模塊數據正在收集中，本文不作詳細介紹。

5 結論與討論

1)基于光纖傳感技術的隧道全生命周期分層沉降、襯砌環向應變、襯砌滲漏水、火災、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，集數據采集、監測預警、安全評估以及可視化展示于一體，能夠實時反映隧道所處的安全狀況，并實時預警、報警，為高鐵隧道安全運營提供有力保障。

2)系統可以提供全生命周期長距離、分布式、高精度監測，可為高填方明挖隧道計算模型與設計理論研究、明挖隧道沉降變形、區域沉降對高鐵隧道運營的影響、隧道溫度梯度變化、變形縫伸縮與環境溫度的關系等后續研究提供一系列數據支撐。

3)研發的基于BIM模型的隧道監控三維可視化系統平臺將實時監控數據源和感測數據分析、處理及傳輸系統相結合，解決了傳統手段難以實現的隧道健康及運營安全分析、評價問題，實現了監測結果和事件預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，同時也是在高鐵隧道數字化、智能化運維上的創新與實踐，為“智能京雄”工程提供了強有力技術支撐。

目前，系統實現了基于光纖傳感技術的多參量數據采集、可視化展示、預警等功能，但關于預警指標確定、預警準確性保障問題仍需進一步研究。下一步將基于長期運營數據的積累，結合人工智能技術的發展，逐步優化預警指標，尤其是滲漏、入侵事件的判識指標，建立預警準確度、保障性更高的安全監測系統。