分布式光纖傳感技術在大型過江盾構隧道健康監測系統中應用

鐘東

【摘要】 相比橋梁，盾構隧道結構的薄弱環節不顯著，難以實施有效的全面監測。為此，本文依托南京長江隧道，研究了分布式光纖傳感技術在大型過江盾構隧道結構健康監測系統中應用。分析表明，分布式光纖傳感技術適宜應用于盾構隧道結構健康監測系統關鍵指標監測，且在傳輸距離、穩定性和耐久性等方面具有明顯優勢，具有廣闊的應用與推廣前景。

【關鍵詞】 盾構隧道 分布式光纖傳感技術 結構健康監測

前言

近年來，大型盾構過江隧道已經在上海、南京、廣州、深圳、武漢等地得到了廣泛應用，其具有建設周期長、投資大、隱蔽工程、地質環境復雜等特點，運營安全關系著人們生命安全和社會經濟活動的正常進行。因此，如何保障隧道結構的健康運營是地下交通安全運營研究中的關鍵問題之一。

在土木工程領域，國內外學者較早地針對橋梁結構提出了結構健康監測（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年來在理論和實踐兩方面均已取得了長足的發展。然而，隧道與橋梁的結構形式、外部環境等都存在顯著差異，橋梁結構健康監測技術并不能簡單地移植到盾構隧道。為此，隧道領域的學者雖已開展了大量相關研究。

如：蘇潔等[3]結合在建的廈門翔安海底隧道工程，提出了隧道結構健康監測系統設計的原則；

劉勝春等[4]結合南京盾構隧道工程，提出了盾構隧道結構健康監測的監測內容、監測技術、結構評估等系統設計方

前言

近年來，大型盾構過江隧道已經在上海、南京、廣州、深圳、武漢等地得到了廣泛應用，其具有建設周期長、投資大、隱蔽工程、地質環境復雜等特點，運營安全關系著人們生命安全和社會經濟活動的正常進行。因此，如何保障隧道結構的健康運營是地下交通安全運營研究中的關鍵問題之一。

在土木工程領域，國內外學者較早地針對橋梁結構提出了結構健康監測（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年來在理論和實踐兩方面均已取得了長足的發展。然而，隧道與橋梁的結構形式、外部環境等都存在顯著差異，橋梁結構健康監測技術并不能簡單地移植到盾構隧道。為此，隧道領域的學者雖已開展了大量相關研究。

如：蘇潔等[3]結合在建的廈門翔安海底隧道工程，提出了隧道結構健康監測系統設計的原則；

劉勝春等結合南京盾構隧道工程，提出了盾構隧道結構健康監測的監測內容、監測技術、結構評估等系統設計方法；

汪波等[5]研究了山嶺隧道（新奧法隧道）的結構健康監測系統設計；

張國柱等[6]將無線傳感技術引入隧道結構健康監測，建立了新型的隧道結構健康監測設計方法。

但是，相比橋梁結構，隧道結構尤其是盾構隧道結構，其薄弱環節不顯著，換言之，每個截面都有可能是薄弱環節。而上述的研究均是基于傳統的點式傳感，重點監測若干個斷面的若干個位置的結構指標，如應變、壓力等，難以解決隧道結構監測難的問題。

分布式光纖傳感技術具有傳感距離大（一般可達到幾十公里）、分布式傳感、光傳感穩定性好等優勢，是適用于隧道結構監測的優良技術。丁勇等[7]在國內較早地探討了分布式光纖傳感技術在構建隧道結構健康監測系統方面的可能性。但是，該研究成果還遠未達到應用于構建實際隧道結構健康監測系統的要求。近些年來，隨著分布式光纖傳感技術及其應用研究的發展[8]，為利用該技術實現盾構隧道結構健康監測系統提供了充足的理論和技術支持。

一、分布式光纖傳感技術

與傳統的電、磁傳感技術相比，光纖傳感技術具有以下幾方面的特點：光波傳感，不受電磁和射頻干擾，穩定性好；靈敏度高、頻帶寬、動態范圍大；無電源驅動，不影響被測結構的性能；輕巧纖細，與結構匹配度高；主材石英材質穩定，耐腐蝕，零點飄移小。因此，近年來，光纖傳感技術作為一種先進的傳感技術，越來越受到學術界和工程界的重視。

按不同的傳感原理，光纖傳感有很多種類，目前在交通土木工程上常用的有兩類。一類是基于波長變化的光纖布拉格光柵（FBG：Fiber Bragg Grating）技術，另一類是基于頻率漂移的布里淵時域散射技術的光纖傳感技術（BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。

FBG傳感技術因其具有高精度、可串聯形成監測網絡、與結構體兼容性較好等特點，在交通土木工程結構的健康監測和災變預警中已有較多應用。但傳統意義上的光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術是一種點式傳感技術，而非分布式傳感，由于隧道薄弱環節不顯著，損傷出現位置的不確定性較大，故其難以以可接受代價實現對可能出現損傷部位的覆蓋式監測。

BOTDR技術具有傳感距離大（一般可達到幾十公里）、分布式傳感、光傳感穩定性好等優勢，但對于普通BOTDR光纖傳感技術，空間分辨率和測量精度是制約其廣泛應用的因素。其空間分辨率為1m，應變的測量精度為±50με，因而應用該技術很難對結構的損傷進行精確的定位而且應變的測量精度也不夠。如：丁勇等[7]在國內較早地探討了分布式光纖傳感技術在構建隧道結構健康監測系統方面的可能性，但該研究成果還遠未達到應用于構建實際隧道結構健康監測系統的要求。

不過，近年來，無論是FBG技術還是BOTDR技術均取得了一系列突破性進展。如：東南大學吳智深教授及其課題組針對目前FBG傳感技術所存在的缺陷，開發了FBG的長標距化和分布傳感技術，從而使FBG技術具備了一定意義上的分布式特性。日本光納株式會社（Neubrex Co. Ltd.）開發了PPP-BOTDA光纖測量和應用技術。該技術不僅可以進行長距離分布式監測，同時將空間分辨率和應變測量精度分別提高到10cm和±25με，從而大大提高了基于布里淵時域散射光纖技術的傳感性能。這就使采用分布式光纖傳感技術對大型過江盾構隧道進行健康監測成為了可能。

1.1 光纖傳感原理

布里淵散射可以看作是入射光在移動的光柵上的散射，多普勒效應使得散射光頻率不同于入射光。在不同條件下布里淵散射又分為自發布里淵散射和受激布里淵散射兩種。在探測光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運動將產生聲學噪聲，其在光纖中傳播時會引起光纖折射率變化，從而對入射光產生自發散射作用，這種散射稱為自發布里淵散射。目前基于自發布里淵散射的測量系統是BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。電致伸縮效應會產生一個聲波，聲波的產生激發出更多布里淵散射光，散射光又進一步加強聲波，如此反復作用就會產生很強的散射，當泵浦光和探測光的頻率差恰好等于光纖的布里淵頻率時，散射功率將達到最大值，這種散射稱為受激布里淵散射，BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）測試系統正是基于此原理。在BOTDA或BOTDR技術中，通過測量散射光到達探測器的時刻距離脈沖光開始向光纖傳播時刻的時間差△t，可以知道該時刻所探測到的散射光的散射空間位置。在這個時間差內，光波完成了從光源-散射點-探測器的一次往返，因此，散射點的空間位置等于△t/2時間內光在光纖中所傳播的距離。這樣通過對散射光的定時，實現了對散射點的空間定位，從而實現了布里淵頻率的空間分布測量。基于普通BOTDA技術，日本光納株式會社（Neubrex Co.， Ltd.）開發了PPP-BOTDA（Pre-Pump Pulse Brillouin Optical Time Domain Analysis）技術，基本原理如圖1.1所示。該技術通過改變泵浦光的形態，在測量的脈沖光發出前增加一段預泵浦脈沖波來激發聲子，可以同時獲得較高的空間分辨率和測試精度。

1.2 光纖傳感特征

光纖的布里淵頻率由折射率、材料彈性模量、泊松比和密度決定，而這些參量會因光纖的溫度和應變改變而產生變化，從而導致布里淵頻率發生變化。理論研究表明，布里淵中心頻率的變化（簡稱布里淵頻移）與溫度變化與應變變化分別成線性關系，可表達成 （1.1）式中ε、T分別為光纖受到外界作用后的應變和溫度，、分別為光纖的初始應變和初始溫度，Cε、分別為光纖應變系數和溫度系數，為某一溫度和應變條件下的布里淵中心頻率，為初始狀態下的布里淵中心頻率。對于普通光纖，應變系數和溫度系數的理論值一般是49.7MHz/0.1%和1.07MHz /°C，但是針對不同類型的光纖需要檢測實際系數。

1.3 傳感解調系統

目前，分布式光纖傳感技術是指基于布里淵散射機理的光時域解析技術，其基本原理是：入射光在光纖中傳播時會不斷發生布里淵散射，而布里淵散射光的中心頻率與光纖的應變和溫度變化成線性關系，因此，通過捕捉每個位置反射回來的布里淵散射光并解析其頻率變化，就能實現光纖每個位置的應變和溫度的分布式測量。依據解調技術的不同，主要有BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）和BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）兩大類傳感系統。由于各自采用的原理不完全相同，性能指標也有差異，其中基于BOTDR的AQ8603性能相對較差，而基于的PPPBOTDA的NBX-6050A的測試精度和速度均大幅提高，甚至可實現小范圍的動態測試，逐漸顯示出技術的優勢。

二、工程背景

南京長江隧道位于南京長江大橋和長江三橋之間，北起浦口區的寧合高速公路入口，南至南京市主城區的濱江快速路與緯七路互通立交，是江蘇省南京市城市總體規劃確定的“五橋一隧”過江通道中的隧道工程。隧道為雙向6車道城市快速路、設計速度80km/h，起止里程K3+599～K6+621，長度3022m，采用直徑14.93m的泥水平衡盾構施工，襯砌管片外徑14.5m，厚度0.6m。其結構與所處環境具有以下特點：

直徑超大，外徑達14.5m，是當今世界上直徑最大的盾構機之一

水壓最高，隧道最低點位于江底60多米深處，水土壓力高達6.5kg/cm2

地質復雜，隧道在江底穿越淤泥、粉細砂、砂礫、卵石和風化巖等

透水性強，透水層占隧道總掘進長度的85%以上

覆土超薄，淺埋段覆土厚度僅為5.5m、江中局部段覆土厚度僅為11.5m。

三、基于分布式光纖傳感技術的盾構隧道健康監測系統

南京長江隧道在建設初期建設方即委托國內某單位以FBG技術構建了健康監測系統。

3.1 健康監測系統設計框架

南京長江隧道構建隧道結構健康監測系統的基本理念是：以分布式光纖傳感為核心傳感技術，監測隧道橫向和縱向應變分布，并反演縫寬、收斂和沉降，再結合檢測數據和有限元模型，對結構多層次的安全評估。

針對BOTDA和長標距FBG技術的比較分析表明（如表1所示），BOTDA適合大規模應用，但是其測量精度、采樣頻率及解調系統成本方面的劣勢明顯；長標距FBG具有高精度的測試性能，且儀器成本低，但傳感器成本、安裝等方面具有劣勢。從比較結果看，將BOTDA和FBG兩類技術合理搭配使用，將會收到更好的效果。

基于上述分析，監測系統實施單位采用了以分布性更好的BOTDA技術監測環向收斂和縱向沉降，以精度更高的長標距FBG監測接縫應變和變形的總體思路。并在此基礎上提出了盾構隧道健康監測系統的設計框架，如圖1所示。健康監測系統主要由光纖傳感硬件系統、數據采集、存儲與預處理系統、結構評估系統和評估報告發布系統。

3.2 光纖傳感器的設計與布設

選擇江心段（LK5+199）作為監測斷面，同時，左右合計約90m的范圍進行縱向傳感布設，即從LK5+177～ LK5+267如圖2所示。

光纖傳感器在隧道中的布設方案如圖3所示。橫向沿隧道內壁約過80%的周長布設光纖傳感器，下部由于行車道板結構等設施無法布設；縱向光纖布設在距隧道底部約2.5m的位置，長度為90m。光纖在管片接縫處采用長標距布設的方式，標距長度為0.3m，管片表面全面粘貼，并且通過預留自由光纖設置溫度監測區段，詳細如圖4所示。

傳感器在現場布設采用以下主要工序：

（1） 混凝土表面處理，用鋼刷和打磨機將表面灰塵、凸起砂漿塊去處，并用酒精清洗、晾干；

（2） 光纖布線，按照設計位置將光纖布置到指定位置，并適當張拉，然后用快速固化膠水臨時固定光纖；

（3） 浸膠成型，在傳感器表面浸漬環氧樹脂，在自然環境下固化成型；

（4） 連線成網，將各橫向和縱向光纖連接成一條光路，并與采集儀器連接、調試。

3.4 結構評估系統

結構評估系統包括一級評估系統和二級評估系統。將評估系統分為兩級，主要是考慮到評估的經濟性問題。在一級評估系統內，結構一般處于完好或輕微損傷，不影響其正常運營和安全；一旦結構損傷嚴重，需要對其進行深入、細化分析，實施全面健康評估。

一級評估系統：

依據常用、規范規定的指標及其相應的閥值，判斷結構的健康、安全狀況；采用的評估方法是比較法，將收斂、沉降、縫寬與相應的閥值比較，判斷出病害等級。

二級評估系統：如果一級系統評估后，發現某些指標接近或超過規定的健康等級（如超過二級，表明存在顯著損傷），需要進一步深入實施結構健康評估，為此，需要借助常規檢測手段，獲得砼劣化、鋼筋/螺栓銹蝕、滲水情況，并和監測的應變、縫寬、收斂、沉降一起輸入隧道結構的有限元模型，計算結構的內力分布，判斷結構健康狀況。

以南京長江隧道為例，建立結構健康等級表，如表2所示。

其中，1級的上限是結構健康運營極限（滲漏、防滲等）；2級的上限是結構正常使用極限；3級的上限是80%的設計承載力；4級的上限是設計承載力。

四、測試結果分析

4.1接縫縫寬測試

橫向接縫縫寬監測結果如圖5所示，縱向接縫的編號為從小里程號至大里程號，依次從小到大編號。將接縫處長標距光纖傳感器的應變代入接縫縫寬計算模型，可獲得各接縫縫寬的變化。

橫向和縱向各接縫的計算結果分別如圖6所示。

結果表明，縱向管片接縫的縫寬變化要大于橫向管片的接縫，前者最大值達到了0.088mm，而后者最大值為0.028mm；同時，縫寬變化基本在正常變化范圍內。

4.2 沉降測試

將縱向應變監測結果輸入應變-沉降模型計算沉降分布，結果如圖7所示。

其中，兩端處的沉降為零，是參考點。實際中，可設置高精度坐標觀測點，用以提高沉降計算精度。在圖中，正值表示位移向下，負號表示位移向上。結果表明，最大正沉降為0.119mm，最大負沉降為0.04mm。

通過對隧道既有檢測數據的調查，發現監測區間附近檢測點LK5+158.54、LK5+187、LK5+342的沉降變形累計分別達到了12.4mm、11.4mm和3.7mm，以線性插值的方法，獲得監測區間兩端點（即LK5+177和LK5+267）的沉降累計值分別為11.7mm和7.4mm，則10m的相對沉降約為0.478mm。光纖監測的最大沉降發生在監測段80m左右，其值為0.119mm，該點處每10m的附加沉降是0.015mm，合計為0.493mm。

人工檢測與光纖傳感器結果相差為0.015mm，可以認為光纖傳感器監測結果與人工檢測結果基本一致。

4.3 隧道結構健康評估

參 考 文 獻

[1] 繆長青，李愛群，韓曉林，等. 潤揚大橋結構健康監測策略[J]. 東南大學學報（自然科學版），2005，35（5）： 780-785.

[2] 李惠，周文松，歐進萍，等. 大型橋梁結構智能健康監測系統集成技術研究[J]. 土木工程學報，2006，39（2）： 46-52.

[3] 蘇潔，張頂立，牛曉凱，等. 海底隧道結構健康監測設計研究[J]. 巖石力學與工程學報2007，26（2）：3785-3792.

[4] 劉勝春，張頂立，黃俊，等. 大型盾構隧道結構健康監測系統設計研究[J]. 地下空間與工程學報，2011，7（4）： 741-748.

[5] 汪波，何川，吳德興. 隧道結構健康監測系統理念及其技術應用[J]. 鐵道工程學報，2012，160（1）： 67-72.

[6] 張國柱，童立元，劉松玉，等. 基于無線傳感網絡的隧道健康監測系統[J]. 地下空間與工程學報，2013，9（2）： 2006-2010.

[7] 丁勇，施斌，隋海波. 隧道結構健康監測系統與光纖傳感技術[J]. 防災減災工程學報，2005，25（4）： 375-380.

[8] 沈圣，吳智深，楊才千，等. 基于分布式光纖應變傳感技術的盾構隧道橫截面收斂變形監測方法[J]. 土木工程學報，2013，46（09）： 104-116.