1、 隧道结构健康监测的发展趋势（二）3. 国内外研究现状针对以上介绍的隧道工程监测特点，显然，传统的监测技术和方法已不能完全满足其监测要求，需要不断研发出新的监测技术和方法与之适应。随着现代电子、通讯和计算机技术的发展，各种先进的自动远程监测系统相继问世，为隧道工程的全天候、自动化远程监测创造了条件。光纤传感技术是近年来才发展起来的尖端监测技术，最初用于通讯工业，近年来在传感领域逐渐得到广泛应用。光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀、耐久性长等特点，传感器体积小、重量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小（Udd E，1995；Ansari
2、F，2003） 。光纤传感技术具有（准）分布式、长距离和实时性等优点，因而已引起隧道结构监测界的广泛重视，成为隧道结构健康监测技术的研究重点。从点式的 SOFO，到准分布式的 FBG，再到全分布式 BOTDR 的多种光纤传感技术为隧道结构健康监测提供了新一代的监测技术。准分布式的布拉格光纤光栅（FBG）是最早出现的一种光栅，也是应用最为普遍的光栅。目前，以 FBG 为传感元件的光纤光栅传感器是研发的主流，且已经在土木工程领域具有广泛的应用。它的主要优点有：（1） 、灵敏度高。FBG 的波长随着波长、温度呈现良好的线性关系。在1550nm 处其波长变化的典型值为 0.1nm/、0.3nm/100
3、MPa、10nm/1%应变。（2） 、尺寸小，易掩埋。单模光纤的典型直径为 125 ,已有直径 40 的光纤见诸报道，而 FBG 的应用长度通常小于 20mm，可意很容易埋入结构中而对结构没有影响；（3） 、对电绝缘且抗电磁干扰；（4）寿命长。初步加速老化试验证明，FBG 在适当的暴露环境和退火条件下工作周期大于 25 年也性能没有明显的退化。（5） 、复用性好。目前，利用布拉格光纤光栅为传感元件的光纤光栅传感器被用于测量工程结构的应变、温度、位移、沉降、压力等重要参数，并有很多工程应用实例，例如，瑞士联邦材料测试和研究实验室（2000）将 FBG 光纤光栅传感器安装与 Sargans 隧道中
4、，用于监测隧道的长期温度和应变变化；美国海军研究实验室光纤智能结构中心（2000）研制了一种基于 FBG 的光纤光栅压力传感器，并应用于公路的动态监测中；但是，FBG 仍然有很多问题需要解决与完善，比如说光纤光栅传感器封装技术、温度/应变效应分离、动态高速测量、光纤光栅传感器的优化布置等。分布式光纤传感主要利用光的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射效应来实现的，目前主要产品有：光时域反射计（简称 OTDR） ；拉曼散射光时域反射测量仪（简称 ROTDR） ；布里渊散射光时域反射测量仪 (简称 BOTDR)和布里渊光时域分析测量仪（简称 BOTDA）等。分布式光纤传感器具有光纤传感器所固有的抗电磁干
5、扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小和重量轻等优点，尤其是BOTDR 分布式光纤传感技术，属于目前国际上最前沿的尖端技术，在隧道监测方面与传统监测技术相比具有如下优点：（1）光纤既是传感介质，又是传感信号传输通道：光纤上任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可进行空间上的连续检测，光纤像人的神经一样对被测对象进行感知和监视；（2）分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，也不需要定制传感器，只需十分廉价的普通通讯光纤，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高
6、监测成功率；（3）长距离：现代的大型隧道结构工程通常长达数公里到数十公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设传感光纤，光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离（目前可达 80 公里） 、全方位监测和实时连续控测；（4）耐久性：传统的工程监测一般采用电测式监测技术，传感器易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性；（5）抗干扰。光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤；（6）轻细柔韧。光纤的这一特
7、性，使它在埋入构筑物的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。因此，研究、开发和应用基于 BOTDR 的隧道工程分布式监测技术具有重要意义。分布式光纤传感监测技术的上述优点，可以弥补目前在隧道工程中常用的检测和监测技术存在的不足，是新一代检测和监测技术的发展方向。由于分布式光纤传感监测技术的诸多优点，因此它已成为国际上一些主要发达国家如日本、瑞士、加拿大、美国、法国、英国等国的研发热点和重大研究课题，研发工作的重点主要集中分布式光纤传感技术的性能改善和应用技术的研发。近年来，光纤传感技术在隧道工程的研究和应用逐渐增多：Ishii H 等对分布式温度监测系统在隧道火灾探测中应用的几个相关问题进行
8、分析和探讨；Shiba K 等应用 BOTDR 分布式光纤传感技术采用新奥法施工的铁路隧道的喷射混凝土、支撑内力进行监测，传感光纤的监测结果与传统传感器相比，在精确度方面能够满足要求，在预测应力分布方面具有一定的优越性。丁勇等介绍了光纤结构监测（SOFO） 、布拉格光纤光栅（FBG ）和分布式光纤传感器（BOTDR）等 3 种光纤传感技术的基本原理、功能及其在隧道结构健康监测系统中的作用，并应用 BOTDR 分布式应变测量技术，对隧道拱圈截面变形进行了分布式应变监测；日本 NTT 公司开发了基于 BOTDR 的共同沟隧道监测系统，通过应变测量对日本名古屋的共同沟隧道进行损伤探测，10 km 范
9、围内其变形测量误差仅为 0.1 mm，并通过室内试验对共同沟隧道监测系统的可靠性、抗震性和测量精度进行了验证。4. 隧道结构健康监测的前景随着经济的发展，人们对结构安全的重视，特别是大型隧道类大型公共建筑的安全性，引起了政府部门的高度重视，隧道结构的健康监测将具有良好的市场前景。下面是从三个方面说明结构健康监测的应用前景。1）政府对隧道结构的安全性日益重视隧道垮塌事故的频发，引起了政府部门的高度重视，国家逐渐加大了对隧道结构安全检测与维修加固的投入。对很多新建的隧道都做了结构健康监测系统，可以预见，随着经济水平的提高，国家对隧洞扫构健康监测的投入将会继续加大。2）过去偏低的安全可靠度面临新的挑战过去由于经济原因，建筑的荷载取值偏低。2001 新建筑结构荷载规范颁布之前，一些荷载的标准值比建国前还低，其可靠度水平很低。隧洞的设计也存在同样的问题，过去按偏低的设计标准设计的隧道，急切需要进行监测与加固。3）隧道结构受力的复杂性随着许多计算软件的面市，隧道的理论分析取得了长足的发展，但地质的复杂性难以进行模拟，导致理论分析及实际受力存在很大的差异，通过监测手段能有效的解决理论分析的盲区。
