分布式光纤传感技术与工程应用研究(24)
本章将重点介绍分布式光纤传感技术在国内工程领域的应用实例。
5.2 分布式光纤传感技术在隧道工程领域的应用
隧道修建在岩土介质中,属于半隐蔽工程,受运营年限、地质条件、设计施工等因素的影响,运营隧道中出现病害的隧道数量越来越多。衬砌结构劣化是影响隧道健康运营的最主要病害,具体表现在变形侵限、裂缝、错台、掉块、坍塌、渗漏水、边墙下沉等方面。这些病害不仅降低了隧道结构的安全性、耐久性以及使用性能,还会诱发其他类型的病害,直接缩短隧道的使用寿命。据对我国5000座铁路隧道的统计,约1/3的隧道存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。而公路隧道由于其跨度大,衬砌结构形式种类多,所穿越的地质条件复杂多变,出现病害的情况更多、更严重。因此,开发一种全面、稳定、长期的健康监测方法,以实现对运营隧道的长期监测非常必要。
隧道结构具有距离长、围岩类型复杂、病害出现位置不确定等特点,采用传统的点式或准分布式监测方法,如电阻应变片、钢弦应变计、光纤光栅技术及地质雷达法,无法满足隧道全面、稳定、长期监测的要求。
分布式光纤传感技术具有分布式、长距离、高精度、耐久性和实时性等特点,适用于隧道结构的长期变形监测。光纤作为应变、温度信号获取和传递的介质,具有精巧、纤细等特点。
5.2.1 隧道结构健康监测
隧道安全是关系着人类生命安全和社会经济活动的重大问题，由隧道地质条件恶化、结构失稳和退化所造成的崩塌、火灾等事故，是威胁隧道安全的主要隐患。
隧道的构成体系，尤其是以新奥法为代表的现代隧道构成体系，并不是纯粹的混凝土结构，围岩在隧道结构健康中扮演了极为重要的角色，这也正是隧道结构健康监测区别于其它如桥梁结构健康监测的一个明显特点。
隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体[125]。在通常情况下，围岩是主要的承载单元，而支护结构是辅助性，但也是不可缺少的，在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元。支护结构的基本作用在于：保持坑道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使隧道支护体系有足够的安全度[110]。
因此，在进行隧道结构健康监测时，要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用，这是隧道结构健康监测的主要对象，而判断隧道结构健康的标准便是隧道的稳定性。
所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零，其最终位移不侵入限界，支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损．更不能发生大范围的坍塌。因此，“隧道稳定性”是指由人工支护结构与其周围一定范围内的地层（围岩）组成的“支护系统”的稳定程度[125]。
根据以上隧道支护系统的特点以及隧道结构健康的标准，得出隧道结构健康监测（Tunnel Structural Health Monitoring, TSHM）的定义：利用现场的无损传感技术，通过隧道系统的特征分析，以达到检测隧道支护系统损伤或退化的目的。那么，按照这个定义，一个完整的隧道结构健康监测系统（Tunnel Structural Health Monitoring System,简称TSHMS）就应当由监测、诊断和状态评价等三个部分组成，见图5.1。
图5.1. 隧道结构健康监测系统的基本组成[128]
从这个定义不难发现，隧道结构健康监测与一般构筑物有着明显的不同，它的范围不再仅仅局限于结构的损伤或退化，而是扩大至整个支护系统。对于桥梁、建筑这类构筑物而言，其结构主要由钢筋、混凝土等材料组成，因而质地均一、排布有序，便于监测和分析。但对于隧道而言，其支护体系中除了支护结构是人工材料之外，围岩完全是自然地层的一部分，成分复杂难以分析，并且常常伴有断层存在。