分布式传感光纤隧道健康监测系统 【技术领域】
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及分布式传感光纤健康监测系统。
背景技术
隧道结构受复杂围岩和地质水文条件作用，其结构的安全性一直是工程建设和运营及维护中十分重要的问题。现今国内外工程界已有共识，任何一项重大工程，都存在出现事故甚至失事的风险。那么如何在事故发生前尽早的发现问题，采取必要措施，减少事故的发生、降低损失，成为工程界需要考虑解决的首要问题。公路隧道健康监测目的在于检测隧道的损伤和退化、评定其安全状况，它可以有效地预测隧道的性能变化，为隧道的修复和损伤的控制提供参考和依据，提高隧道的运营效率，减少事故的发生以及由此造成的生命财产损失。
光纤传感技术作为先进的测试技术近年来已越来越多地被用于大坝、桥梁、隧道等结构物的健康监测中，光纤传感所具有体积小、重量轻、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高、易于实现远距离多通道的遥测与控制。将光纤纵横交错铺设成网状可构成具备一定规模的监测网，实现对隧道的全方位监测，克服传统点式监测方式漏检的弊端，提高监测的成功率。因此，分布式光纤传感器的健康监测技术能够很好的满足隧道长期实时监测的要求。国内外已有采用分布式光纤传感技术对隧道结构进行健康监测，数据采集需要在隧道衬砌完成后进行，这样对隧道衬砌初始应力场无法记录，从而不能真实反映隧道衬砌结构的应力状态，也就无法对隧道衬砌结构的受力性能进行客观评价。同时，目前分布式光纤传感器只能黏贴在结构物表面，考虑到粘结剂存在老化的问题，混凝土结构物表面容易出现保护层脱落等现象，难以保证在结构物服役年限内得到可靠的监测数据。
虽然基于分布式光纤传感技术的隧道健康监测在理论上是一种非常优越的技术，而且在实际工程应用中也取得一些成果。但它应用于土木工程中的时间比较短，光纤监测网络的优化设计，分布式传感光纤快速、无损的铺设，隧道结构运营期间的健康状况的判断，检测数据的实时采集和分析等还存在一些需要解决的技术难题。
【发明内容】
本发明提供一种分布式传感光纤隧道健康监测系统，使得公路健康监测由目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实时的监测与控制。
为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种分布式传感光纤隧道健康监测系统，包括设置在隧道内的传感光纤以及用于采集、处理传感光纤数据的处理系统，所述的传感光纤分布在隧道的二衬混凝土内。
所述的传感光纤包括环向传感光纤和纵向传感光纤，所述的纵向传感光纤位于隧道的拱顶及两侧的拱腰部位，且沿隧道的长度方向全长布置，所述的环向传感光纤沿隧道的拱圈布置有若干条，相邻的环向传感光纤之间通过位于隧道的拱脚部位沿隧道的长度方向布置的过渡段传感光纤衔接。
隧道的围岩等级为V级，相邻的环向传感光纤之间的距离为5m。
隧道的围岩等级为IV级，相邻的环向传感光纤之间地距离为10m。
隧道的围岩等级为III级，相邻的环向传感光纤之间的距离为20m。
作为优选，在隧道的二衬混凝土的表面铺设有表面传感光纤。
所述的表面传感光纤可以根据现有技术铺设，作为优选本发明中表面传感光纤包括环向表面传感光纤和纵向表面传感光纤，所述的纵向表面传感光纤位于隧道的拱顶及两侧的拱腰部位，且沿隧道的长度方向全长布置，所述的环向表面传感光纤沿隧道的拱圈布置有若干条，相邻的环向表面传感光纤之间通过位于隧道的拱脚部位沿隧道的长度方向布置的过渡段表面传感光纤衔接。
隧道的围岩等级为V级，相邻的环向表面传感光纤之间的距离为5m。
隧道的围岩等级为IV级，相邻的环向表面传感光纤之间的距离为10m。
隧道的围岩等级为III级，相邻的环向表面传感光纤之间的距离为20m。
作为进一步的优选，在隧道二衬混凝土浇注过程中，在二衬混凝土的表面设有用于铺设表面传感光纤的预留槽。
为了消除温度对结构应变测量的影响，本发明还在二衬混凝土内和表面铺设温度补偿光纤(采用松套光纤)，该温度补偿光纤包括环向温度补偿光纤和纵向温度补偿光纤。
所述的纵向温度补偿光纤位于隧道拱脚部位，一般设置在二衬混凝土表面。
所述的环向温度补偿光纤沿隧道的拱圈布置有若干条，相邻的环向温度补偿光纤之间通过位于隧道的拱脚部位沿隧道的长度方向布置的过渡段温度补偿光纤衔接。环向温度补偿光纤即可以位于二衬混凝土内也可以位于或二衬混凝土表面。
本发明的用于采集、处理传感光纤数据的处理系统可以根据现有理论和计算方法利用采集得到的数据进行隧道结构的健康监测。
传感光纤或温度补偿光纤位于隧道的二衬混凝土内时，二衬混凝土内需要预埋光纤管道，二衬混凝土浇筑完成后将传感光纤或温度补偿光纤气吹入对应的光纤管道，另外还要向铺设传感光纤的光纤管道内灌浆，以固定传感光纤。
本发明主要针对现有技术中传感光纤在隧道中的布置形式进行了改进，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。作为表征隧道健康状态的二衬混凝土，是隧道健康检测的主要对象。光纤监测网络的设计需从围岩类型、应力水平、施工可操作性及经济性等多方面出发合理设计。隧道本质上是围岩和支护结构的综合体，对于III级、IV级等地质状况较好的围岩，结构体主要是靠初期支护来平衡围岩应力，二衬结构的基本作用在于保持断面的使用净空，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安全度；对V级围岩而言，则通过二次衬砌与初期支护一起共同受力以抵抗围岩压力，且初期支护对二衬的接触压力也较大。二衬拱圈的受力较为复杂，衬砌拱顶及两侧拱腰承受较大的拉、压应力作用。为实现对隧道整体变形的全面监测，沿隧道长度方向分别在拱顶、拱腰布设纵向传感光纤，沿拱圈布设的各环向传感光纤的间距根据围岩类型、经济性及施工可操作性等各方面经优化设计后确定。
本发明分别在拱顶、两侧拱腰共三个位置铺设沿隧道全长的纵向传感光纤，沿隧道的拱圈布置若干条环向传感光纤，相邻的环向传感光纤之间通过位于隧道的拱脚部位沿隧道的长度方向布置的过渡段传感光纤衔接。环向传感光纤间距依据不同围岩等级选择，V级围岩时环向传感光纤的间距为5m，IV级围岩时环向传感光纤的间距为10m，III级围岩时环向传感光纤的间距为20m。同时，隧道的温度分布沿隧道长度不同，为得到结构精确的应变信息，必须考虑应变测量中的温度补偿问题。通过在应变传感光纤相同位置铺设光纤管道，于其内部铺设松弛状态下的温度传感光纤，作为环向传感光纤的温度补偿光纤。沿隧道长度方向在隧道拱脚位置全长布设松套光纤作为纵向传感光纤的温度补偿光纤。为获取详细的结构应变信息，在隧道二衬混凝土内部通过光纤气吹技术及真空辅助灌浆技术铺设传感光纤；在二衬混凝土表面通过预留槽的方式铺设表面传感光纤。表面传感光纤的埋设长度、线路设计同二衬混凝土内部传感光纤布置。
分布式光纤传感器测得的应变数据是相对值，即相对于隧道结构的初始应力场。因此为得到隧道二衬混凝土的健康状态指标，需在施工过程中就在二衬混凝土内部埋入传感元件(压力传感器、钢筋应变计、混凝土应变计)，获取隧道结构的初始应力应变场，并在二衬主体施工完成后立即埋入传感光纤进行监测，通过上述布置可获取隧道全寿命期间的完整健康监测数据。即作为优选，本发明隧道健康监测系统还包括用于采集隧道结构的初始应力应变场的传感元件。
本发明具有的有益效果如下：
隧道二衬混凝土内的传感光纤及二衬混凝土表面的表面传感光纤铺设完成后，将其连接成一个整体监测网络，并进行实时监测。实现隧道二衬混凝土应变的全面、稳定、长期健康监测，实时分析和存储隧道拱圈全截面、拱腰、拱顶应变数据，并实现应变数据查询、应变图形查看，通过长期监测数据的分析判断隧道健康状况，为隧道结构的长期健康运营提供全面、可靠的分析数据。
本发明合理设计了光纤健康检测网络，并利用光纤气吹技术及管道真空辅助灌浆技术将分布式传感光纤埋入二衬混凝土内部，并以留设预埋槽的方式将分布式传感光纤粘帖在隧道结构物表面，通过施工期间埋入传感元件获取了初始应力场，实现了隧道结构的在线、动态、实时健康监测。
【附图说明】
图1隧道内环向传感光纤的布置图。
图2隧道断面处所显示的传感光纤的布置图。
图3 BOTDA光纤分析仪中的软件系统结构示意图。
【具体实施方式】
本发明分布式传感光纤隧道健康监测系统包括设置在隧道内的传感光纤以及用于采集、处理传感光纤数据的处理系统。
处理系统包括：
a)数据采集系统，具有实时采集应变及温度的功能；
b)BOTDA光纤分析仪(Omnisens公司的DITEST STA-R型BOTDA)，用于发射激光信号，获取光信号并得到结构应变、温度信息。
c)数据处理与健康诊断系统，用于实时分析和存储应变数据，并诊断隧道的健康状况；
根据地质勘察报告，本实施例隧道V级围岩长度约为150m。为实现隧道整体变形的全面监测，在二衬混凝土内部布设纵向传感光纤和环向传感光纤，在二衬混凝土表面布设表面纵向传感光纤和表面环向传感光纤。在拱顶及两侧拱腰共3个位置铺设沿隧道长度方向的纵向传感光纤。沿拱圈全断面铺设环向传感光纤，各环向传感光纤的间距依据不同围岩类型选择，V级围岩间距5m，IV级围岩间距10m，III级围岩间距20m。
二衬混凝土内部的若干条环向传感光纤1及二衬混凝土的若干条表面环向传感光纤2的布设如图1所示，相邻的环向传感光纤之间通过拱脚部位的过渡段传感光纤3衔接，相邻的表面环向传感光纤之间通过拱脚部位的过渡段表面传感光纤4衔接。
隧道洞口是受力复杂区域，因此在距离洞门20m以内环向传感光纤的间距为5m。该隧道全长790m，隧道内各位置温度变化明显，为得到结构精确的应变信息，必须考虑二衬混凝土内部的环向传感光纤1和二衬混凝土的表面环向传感光纤2应变测量中的温度补偿问题，分别在距离隧道进口100m、出口100m以及隧道中部通过光纤气吹技术铺设传感光纤，但不使用管道真空辅助灌浆技术固定该环向传感光纤，作为各环向传感光纤的温度补偿光纤。二衬混凝土内部的纵向传感光纤5和二衬混凝土的表面纵向传感光纤6的布设如图2所示，二衬混凝土的表面纵向传感光纤6布设在二衬混凝土表面的拱顶及两侧拱腰；二衬混凝土内部的纵向传感光纤5布设在二衬混凝土内部的拱顶及两侧拱腰。为得到结构精确的应变信息，需铺设纵向传感光纤应变测量中的温度补偿问题，因此在拱脚位置布设松套光纤作为温度补偿光纤7。
初始应力场建立：影响隧道结构安全性因素很多，从理论上尚不能完全揭示出开挖后隧道围岩本身受力和变形，从而也就不能准确确定出隧道衬砌、二次衬砌上的应力。所以对隧道工程不论是施工过程还是运营过程的研究，需要采用理论分析与现场监测两种手段对隧道围岩和隧道结构进行分析。隧道现场监测既可以保证隧道施工阶段的安全性，也为后继运营阶段安全性评估提供初始应力变形状态，与后继光纤监测结果进行叠加便能反应出隧道衬砌结构的真实受力状态。所以本发明采用传统监测手段对隧道施工阶段进行监测，除了可以对光纤测量数据进行验证外，实现了基于衬砌结构初始应力状态的全寿命隧道结构健康监测。
预埋光纤管道布设：各纵向及环向需布设传感光纤的位置布设两根光纤管道，一方面用以铺设温度补偿光纤，另一方面作为备用光纤管道防止光纤管道堵塞、弯折。隧道分布有III、IV、V共三种围岩等级，各围岩段二衬结构形式不同，在地质条件相对较差的V级围岩段二衬为钢筋混凝土结构，而在III、IV级围岩段二衬为素混凝土结构。因此光纤管道采用两种固定方式，在设置钢筋网架的V级围岩段将光纤管道拌扎在二衬钢筋网上，而未设置钢筋网的其他围岩段设置预埋件固定光纤管道。为形成整体监测网，各环向光纤管道需通过墙角光纤管道连接，因此在环向光纤管道和墙角光纤管道之间设置线盒以便后续光纤气吹技术及管道真空辅助灌浆技术中连接各光纤管道。
表面预留槽留设：铺设表面分布式传感光纤的预留槽在隧道主体施工过程中留设，其中纵向预留槽在二衬台车顶部、两侧腰部各焊接10mm光圆钢筋留设，环向预留槽根据环向光纤传感器的设计间距在二衬台车表面通过固定钢丝绳留设。
光纤气吹：气吹敷设传感光纤是利用机械推进器把带保护层的光纤推进光纤管道，同时空气压缩机把强大的气流通过密封仓送入光纤管道内。当压缩空气进入光纤管道以后，光纤能借助空气动力悬浮在管内，并随空气涡流作用向前飘行，因此光纤在光纤管道中是被气流推动前进而不是被拉进光纤管道。气吹过程中纤芯没有方向性，光纤在光纤管道中的前进方向只是取决于压缩空气的吹动方向，并且光纤端头没有应力，光纤不易受到损伤。
光纤管道真空辅助灌浆：真空灌浆固定传感光纤是利用高压灌浆机和真空泵将浆料灌入结构内预埋光纤管道中，水泥浆硬化后固定传感光纤。一直处于工作状态的真空泵使光纤管道内空气、水分及灌浆料中气泡被消除，同时在光纤管道两端正负压力差作用下，提高了浆体的饱满度和密实度。整个灌浆过程连续、迅速，缩短了敷设光纤传感器的施工时间。
表面光纤粘贴：采用掺合建筑胶水的水泥净浆在预留槽内粘帖传感光纤。为保证分布式光纤传感器与二衬混凝土粘结牢固，在正式粘帖之前需完成预留槽打磨、清洗等工序，所有分布式传感光纤的粘帖都属于高空作业，因此需搭设脚手架施工。表面粘帖属于人工施工，诸多因素都可能造成光纤破坏，如来往人员及车辆、扣件安装、移动脚手架等都可能挤压传感光纤，造成光纤损坏。因此一方面需协调各施工工种一起作业时间，另一方面要在施工过程中要使用OTDR跟踪检测线路。
实时健康监测：实时健康监测由BOTDA光纤分析仪完成，BOTDA光纤分析仪中的软件系统结构可参见图3，包括：
系统模块为用户提供开始监测、停止监测、导出数据以及退出的功能；
查看模块为用户提供了导出数据、安全报告的功能；
设置模块为用户提供参数设置功能。主要包括应变颜色梯度设置，临界应变取值设置等功能；
判据模块提供用户绝对应变及稳定性两个判据，将两个勾打上以后监测过程中将判断各光纤采样点的绝对应变及应变变化趋势是否超出预定值；
帮助模块提供用于软件版本信息及帮助菜单，以帮助用户更有效的使用该软件。