分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道健康监测系统中应用

钟东

【摘要】 相比桥梁，盾构隧道结构的薄弱环节不显著，难以实施有效的全面监测。为此，本文依托南京长江隧道，研究了分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道结构健康监测系统中应用。分析表明，分布式光纤传感技术适宜应用于盾构隧道结构健康监测系统关键指标监测，且在传输距离、稳定性和耐久性等方面具有明显优势，具有广阔的应用与推广前景。

【关键词】 盾构隧道 分布式光纤传感技术 结构健康监测

前言

近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。

在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理论和实践两方面均已取得了长足的发展。然而，隧道与桥梁的结构形式、外部环境等都存在显著差异，桥梁结构健康监测技术并不能简单地移植到盾构隧道。为此，隧道领域的学者虽已开展了大量相关研究。

如：苏洁等[3]结合在建的厦门翔安海底隧道工程，提出了隧道结构健康监测系统设计的原则；

刘胜春等[4]结合南京盾构隧道工程，提出了盾构隧道结构健康监测的监测内容、监测技术、结构评估等系统设计方

前言

近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。

在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理论和实践两方面均已取得了长足的发展。然而，隧道与桥梁的结构形式、外部环境等都存在显著差异，桥梁结构健康监测技术并不能简单地移植到盾构隧道。为此，隧道领域的学者虽已开展了大量相关研究。

如：苏洁等[3]结合在建的厦门翔安海底隧道工程，提出了隧道结构健康监测系统设计的原则；

刘胜春等结合南京盾构隧道工程，提出了盾构隧道结构健康监测的监测内容、监测技术、结构评估等系统设计方法；

汪波等[5]研究了山岭隧道（新奥法隧道）的结构健康监测系统设计；

张国柱等[6]将无线传感技术引入隧道结构健康监测，建立了新型的隧道结构健康监测设计方法。

但是，相比桥梁结构，隧道结构尤其是盾构隧道结构，其薄弱环节不显著，换言之，每个截面都有可能是薄弱环节。而上述的研究均是基于传统的点式传感，重点监测若干个断面的若干个位置的结构指标，如应变、压力等，难以解决隧道结构监测难的问题。

分布式光纤传感技术具有传感距离大（一般可达到几十公里）、分布式传感、光传感稳定性好等优势，是适用于隧道结构监测的优良技术。丁勇等[7]在国内较早地探讨了分布式光纤传感技术在构建隧道结构健康监测系统方面的可能性。但是，该研究成果还远未达到应用于构建实际隧道结构健康监测系统的要求。近些年来，随着分布式光纤传感技术及其应用研究的发展[8]，为利用该技术实现盾构隧道结构健康监测系统提供了充足的理论和技术支持。

一、分布式光纤传感技术

与传统的电、磁传感技术相比，光纤传感技术具有以下几方面的特点：光波传感，不受电磁和射频干扰，稳定性好；灵敏度高、频带宽、动态范围大；无电源驱动，不影响被测结构的性能；轻巧纤细，与结构匹配度高；主材石英材质稳定，耐腐蚀，零点飘移小。因此，近年来，光纤传感技术作为一种先进的传感技术，越来越受到学术界和工程界的重视。

按不同的传感原理，光纤传感有很多种类，目前在交通土木工程上常用的有两类。一类是基于波长变化的光纤布拉格光栅（FBG：Fiber Bragg Grating）技术，另一类是基于频率漂移的布里渊时域散射技术的光纤传感技术（BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。

FBG传感技术因其具有高精度、可串联形成监测网络、与结构体兼容性较好等特点，在交通土木工程结构的健康监测和灾变预警中已有较多应用。但传统意义上的光纤布拉格光栅（FBG）传感技术是一种点式传感技术，而非分布式传感，由于隧道薄弱环节不显著，损伤出现位置的不确定性较大，故其难以以可接受代价实现对可能出现损伤部位的覆盖式监测。

BOTDR技术具有传感距离大（一般可达到几十公里）、分布式传感、光传感稳定性好等优势，但对于普通BOTDR光纤传感技术，空间分辨率和测量精度是制约其广泛应用的因素。其空间分辨率为1m，应变的测量精度为±50με，因而应用该技术很难对结构的损伤进行精确的定位而且应变的测量精度也不够。如：丁勇等[7]在国内较早地探讨了分布式光纤传感技术在构建隧道结构健康监测系统方面的可能性，但该研究成果还远未达到应用于构建实际隧道结构健康监测系统的要求。

不过，近年来，无论是FBG技术还是BOTDR技術均取得了一系列突破性进展。如：东南大学吴智深教授及其课题组针对目前FBG传感技术所存在的缺陷，开发了FBG的长标距化和分布传感技术，从而使FBG技术具备了一定意义上的分布式特性。日本光纳株式会社（Neubrex Co. Ltd.）开发了PPP-BOTDA光纤测量和应用技术。该技术不仅可以进行长距离分布式监测，同时将空间分辨率和应变测量精度分别提高到10cm和±25με，从而大大提高了基于布里渊时域散射光纤技术的传感性能。这就使采用分布式光纤传感技术对大型过江盾构隧道进行健康监测成为了可能。

1.1 光纤传感原理

布里渊散射可以看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光频率不同于入射光。在不同条件下布里渊散射又分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种。在探测光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，其在光纤中传播时会引起光纤折射率变化，从而对入射光产生自发散射作用，这种散射称为自发布里渊散射。目前基于自发布里渊散射的测量系统是BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）。电致伸缩效应会产生一个声波，声波的产生激发出更多布里渊散射光，散射光又进一步加强声波，如此反复作用就会产生很强的散射，当泵浦光和探测光的频率差恰好等于光纤的布里渊频率时，散射功率将达到最大值，这种散射称为受激布里渊散射，BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）测试系统正是基于此原理。在BOTDA或BOTDR技术中，通过测量散射光到达探测器的时刻距离脉冲光开始向光纤传播时刻的时间差△t，可以知道该时刻所探测到的散射光的散射空间位置。在这个时间差内，光波完成了从光源-散射点-探测器的一次往返，因此，散射点的空间位置等于△t/2时间内光在光纤中所传播的距离。这样通过对散射光的定时，实现了对散射点的空间定位，从而实现了布里渊频率的空间分布测量。基于普通BOTDA技术，日本光纳株式会社（Neubrex Co.， Ltd.）开发了PPP-BOTDA（Pre-Pump Pulse Brillouin Optical Time Domain Analysis）技術，基本原理如图1.1所示。该技术通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出前增加一段预泵浦脉冲波来激发声子，可以同时获得较高的空间分辨率和测试精度。

1.2 光纤传感特征

光纤的布里渊频率由折射率、材料弹性模量、泊松比和密度决定，而这些参量会因光纤的温度和应变改变而产生变化，从而导致布里渊频率发生变化。理论研究表明，布里渊中心频率的变化（简称布里渊频移）与温度变化与应变变化分别成线性关系，可表达成 （1.1）式中ε、T分别为光纤受到外界作用后的应变和温度，、分别为光纤的初始应变和初始温度，Cε、分别为光纤应变系数和温度系数，为某一温度和应变条件下的布里渊中心频率，为初始状态下的布里渊中心频率。对于普通光纤，应变系数和温度系数的理论值一般是49.7MHz/0.1%和1.07MHz /°C，但是针对不同类型的光纤需要检测实际系数。

1.3 传感解调系统

目前，分布式光纤传感技术是指基于布里渊散射机理的光时域解析技术，其基本原理是：入射光在光纤中传播时会不断发生布里渊散射，而布里渊散射光的中心频率与光纤的应变和温度变化成线性关系，因此，通过捕捉每个位置反射回来的布里渊散射光并解析其频率变化，就能实现光纤每个位置的应变和温度的分布式测量。依据解调技术的不同，主要有BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）和BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）两大类传感系统。由于各自采用的原理不完全相同，性能指标也有差异，其中基于BOTDR的AQ8603性能相对较差，而基于的PPPBOTDA的NBX-6050A的测试精度和速度均大幅提高，甚至可实现小范围的动态测试，逐渐显示出技术的优势。

二、工程背景

南京长江隧道位于南京长江大桥和长江三桥之间，北起浦口区的宁合高速公路入口，南至南京市主城区的滨江快速路与纬七路互通立交，是江苏省南京市城市总体规划确定的“五桥一隧”过江通道中的隧道工程。隧道为双向6车道城市快速路、设计速度80km/h，起止里程K3+599～K6+621，长度3022m，采用直径14.93m的泥水平衡盾构施工，衬砌管片外径14.5m，厚度0.6m。其结构与所处环境具有以下特点：

直径超大，外径达14.5m，是当今世界上直径最大的盾构机之一

水压最高，隧道最低点位于江底60多米深处，水土压力高达6.5kg/cm2

地质复杂，隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砂砾、卵石和风化岩等

透水性强，透水层占隧道总掘进长度的85%以上

覆土超薄，浅埋段覆土厚度仅为5.5m、江中局部段覆土厚度仅为11.5m。

三、基于分布式光纤传感技术的盾构隧道健康监测系统

南京长江隧道在建设初期建设方即委托国内某单位以FBG技术构建了健康监测系统。

3.1 健康监测系统设计框架

南京长江隧道构建隧道结构健康监测系统的基本理念是：以分布式光纤传感为核心传感技术，监测隧道横向和纵向应变分布，并反演缝宽、收敛和沉降，再结合检测数据和有限元模型，对结构多层次的安全评估。

针对BOTDA和长标距FBG技术的比较分析表明（如表1所示），BOTDA适合大规模应用，但是其测量精度、采样频率及解调系统成本方面的劣势明显；长标距FBG具有高精度的测试性能，且仪器成本低，但传感器成本、安装等方面具有劣势。从比较结果看，将BOTDA和FBG两类技术合理搭配使用，将会收到更好的效果。

基于上述分析，监测系统实施单位采用了以分布性更好的BOTDA技术监测环向收敛和纵向沉降，以精度更高的长标距FBG监测接缝应变和变形的总体思路。并在此基础上提出了盾构隧道健康监测系统的设计框架，如图1所示。健康监测系统主要由光纤传感硬件系统、数据采集、存储与预处理系统、结构评估系统和评估报告发布系统。

3.2 光纤传感器的设计与布设

选择江心段（LK5+199）作为监测断面，同时，左右合计约90m的范围进行纵向传感布设，即从LK5+177～ LK5+267如图2所示。

光纤传感器在隧道中的布设方案如图3所示。横向沿隧道内壁约过80%的周长布设光纤传感器，下部由于行车道板结构等设施无法布设；纵向光纤布设在距隧道底部约2.5m的位置，长度为90m。光纤在管片接缝处采用长标距布设的方式，标距长度为0.3m，管片表面全面粘贴，并且通过预留自由光纤设置温度监测区段，详细如图4所示。

传感器在现场布设采用以下主要工序：

（1） 混凝土表面处理，用钢刷和打磨机将表面灰尘、凸起砂浆块去处，并用酒精清洗、晾干；

（2） 光纤布线，按照设计位置将光纤布置到指定位置，并适当张拉，然后用快速固化胶水临时固定光纤；

（3） 浸胶成型，在传感器表面浸渍环氧树脂，在自然环境下固化成型；

（4） 连线成网，将各横向和纵向光纤连接成一条光路，并与采集仪器连接、调试。

3.4 结构评估系统

结构评估系统包括一级评估系统和二级评估系统。将评估系统分为两级，主要是考虑到评估的经济性问题。在一级评估系统内，结构一般处于完好或轻微损伤，不影响其正常运营和安全；一旦结构损伤严重，需要对其进行深入、细化分析，实施全面健康评估。

一级评估系统：

依据常用、规范规定的指标及其相应的阀值，判断结构的健康、安全状况；采用的评估方法是比较法，将收敛、沉降、缝宽与相应的阀值比较，判断出病害等级。

二级评估系统：如果一级系统评估后，发现某些指标接近或超过规定的健康等级（如超过二级，表明存在显著损伤），需要进一步深入实施结构健康评估，为此，需要借助常规检测手段，获得砼劣化、钢筋/螺栓锈蚀、渗水情况，并和监测的应变、缝宽、收敛、沉降一起输入隧道结构的有限元模型，计算结构的内力分布，判断结构健康状况。

以南京长江隧道为例，建立结构健康等级表，如表2所示。

其中，1级的上限是结构健康运营极限（渗漏、防渗等）；2级的上限是结构正常使用极限；3级的上限是80%的设计承载力；4级的上限是设计承载力。

四、测试结果分析

4.1接缝缝宽测试

横向接缝缝宽监测结果如图5所示，纵向接缝的编号为从小里程号至大里程号，依次从小到大编号。将接缝处长标距光纤传感器的应变代入接缝缝宽计算模型，可获得各接缝缝宽的变化。

横向和纵向各接缝的计算结果分别如图6所示。

结果表明，纵向管片接缝的缝宽变化要大于横向管片的接缝，前者最大值达到了0.088mm，而后者最大值为0.028mm；同时，缝宽变化基本在正常变化范围内。

4.2 沉降测试

将纵向应变监测结果输入应变-沉降模型计算沉降分布，结果如图7所示。

其中，两端处的沉降为零，是参考点。实际中，可设置高精度坐标观测点，用以提高沉降计算精度。在图中，正值表示位移向下，负号表示位移向上。结果表明，最大正沉降为0.119mm，最大负沉降为0.04mm。

通過对隧道既有检测数据的调查，发现监测区间附近检测点LK5+158.54、LK5+187、LK5+342的沉降变形累计分别达到了12.4mm、11.4mm和3.7mm，以线性插值的方法，获得监测区间两端点（即LK5+177和LK5+267）的沉降累计值分别为11.7mm和7.4mm，则10m的相对沉降约为0.478mm。光纤监测的最大沉降发生在监测段80m左右，其值为0.119mm，该点处每10m的附加沉降是0.015mm，合计为0.493mm。

人工检测与光纤传感器结果相差为0.015mm，可以认为光纤传感器监测结果与人工检测结果基本一致。

4.3 隧道结构健康评估

参 考 文 献

[1] 缪长青，李爱群，韩晓林，等. 润扬大桥结构健康监测策略[J]. 东南大学学报（自然科学版），2005，35（5）： 780-785.

[2] 李惠，周文松，欧进萍，等. 大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究[J]. 土木工程学报，2006，39（2）： 46-52.

[3] 苏洁，张顶立，牛晓凯，等. 海底隧道结构健康监测设计研究[J]. 岩石力学与工程学报2007，26（2）：3785-3792.

[4] 刘胜春，张顶立，黄俊，等. 大型盾构隧道结构健康监测系统设计研究[J]. 地下空间与工程学报，2011，7（4）： 741-748.

[5] 汪波，何川，吴德兴. 隧道结构健康监测系统理念及其技术应用[J]. 铁道工程学报，2012，160（1）： 67-72.

[6] 张国柱，童立元，刘松玉，等. 基于无线传感网络的隧道健康监测系统[J]. 地下空间与工程学报，2013，9（2）： 2006-2010.

[7] 丁勇，施斌，隋海波. 隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J]. 防灾减灾工程学报，2005，25（4）： 375-380.

[8] 沈圣，吴智深，杨才千，等. 基于分布式光纤应变传感技术的盾构隧道横截面收敛变形监测方法[J]. 土木工程学报，2013，46（09）： 104-116.