包明浩 夏华林 于 超
(山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学) 青岛 266590)
国内隧道结构健康监测新技术的研究
包明浩 夏华林 于 超
(山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学) 青岛 266590)
随着传感器技术和互联网物联网等技术的迅速发展,在隧道结构健康监测理念的背景下,由于传统隧道监测方法缺点的限制,新的监测技术在隧道结构健康监测中有显示出优异的优点:三维激光扫描技术能实现快速数据采集和数据处理,并且数据误差小;光纤传感器能够耐腐蚀,图像分辨率高,结果精度高,自动化水平高等,这些新技术表现出日益蓬勃的生机。本文着重介绍国内新监测技术的研究及其现状并指出他们将是隧道变形监测未来重要的发展方向。
隧道结构健康监测系统;三维激光扫描;光纤传感器
随着我国经济发展迅速加快,对隧道建设的需求越来越大。对我国5000座铁路隧道统计中,大约有1/3的隧道有衬砌结构裂缝和渗水漏水的情况[1]。隧道结构健康监测成为隧道安全运营的当务之急。“隧道结构健康监测”这个概念自 1997年[2]提出发展到现在,隧道结构健康监测已经取得了阶段性成功。结构健康监测现在较流行的定义是Housner提出来的:利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特征分析,达到检测结构损伤或退化的目的。这个概念在国内被广泛接受。
本文侧重介绍了隧道监测新技术及其优点,高效、快速、精确的特点使得这些新技术将成为隧道健康监测未来的发展趋势。
就目前而言,之前隧道变形监测采用的设备大多是经纬仪、水准仪、钢尺式收敛计[3]等。这些测量设备具有成本低、操作简单、通用性好等优点,但是对于现代化隧道结构健康监测的要求而言其缺点[4]也是醒目的:(1)取点是点式的。(2)环境差异大使得设备测量结果不准确。(3)自动化程度不高。(4)不具备长距离、三维监测能力。
下面主要就目前重要的新技术的发展现状做一介绍。
3.1 多传感器变形监测系统
在传统测量方法的基础上发展来的多传感器的发展和应用大大提高了隧道监测的精度和效率。
刘正根、黄宏伟第一次在国内采用由静力水准仪、直线位移计、钢筋腐蚀传感器、应变计以及裂缝计组成的沉管隧道健康监测系统对沉管隧道做了实时监测。通过同步的结构分析与安全评定,对隧道的变形情况作了预警,为沉管隧道的监测开辟了道路。张成平运用远程自动监测系统对北京地铁5号线施工做了实时动态监测。该监测系统的成功应用,不但证明了新一代远程多传感器监测技术具有可以在高密度行车区间内实施监测作业的优势,而且其具有便捷性、实时行、有效性和可靠性。周奇才使用误差分析理论对系统测量误差进行分析,并指出满足1km的测量长度上获得±3毫米的精度时,图像传感器应满足的精度条件,为提高监测系统的精确度提供了根据。
刘洪震推导出了全站仪固定测站三角高程测量精度公式,依照很多实测数据并且使用全站仪三角高程法与NA2水准仪法结果对比分析得出使用全站仪固定测站进行地表沉降观测,解决了因为各种原因不易立尺的问题。陈龙浩利用静力水准仪高精度、实时监测等优点,获取实验区域地表建筑物变形数据,并建立了各影响因素改正模型,对变形体微变形实时远程监测。戴加东通过对静力水准系统在某工程中的初步应用,将静力水准与光学水准的监测数据进行比较,总结了静力水准系统应用经验。
多传感器变形监测技术是传统设备全站仪、水准仪等和别的技术加以结合成的技术,有远程控制、数据采集和传输等特点,克服了传统监测方法的缺陷,能高效、动态、全天候、高精度地实现变形监测。不仅测量精度增加了,而且工作繁琐程度大大降低了。此技术,在隧道结构健康监测中应用很广泛,具有不错的实用价值。
3.2 三维激光扫描变形监测技术
被称为“实景复制技术”的三维激光扫描技术可以获取到任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息,被认为是从点测量到面测量的技术性改革。
冯发杰、刘会武结合三维激光扫描技术,在隧道的变形分析中提出变形分析方法,通过对比分析变形前后异常点的变化情况可实现隧道的变形分析。康志忠利用三维激光扫描技术结合高精度、高空间分辨率的多时相点云数据,实现地铁隧道连续形变监测数据分析处理,为城市地铁交通安全提供强有力的技术支持。刘绍堂、潘国荣采用误差分析理论和工程实验应用研究方法,研究三维激光扫描技术应用于隧道环境进行变形监测的误差来源和影响规律,为三维激光扫描技术结果的精确度提升了一个高度。
李万莉分析了新型监测车上的激光探头分布形式以及截面拟合的算法进行探讨并提出新型的算法,防止监测事故的发生,有很重要的现实意义。陈欣将高速公路隧道监测与三维激光扫描技术结合,探索了一套从三维激光扫描点云中提取横纵断面、与隧道断面设计对比、多期点云数据全断面变形检测的理论方法。
可见三维激光扫描技术使得数据收集加快了,提高数据处理效率降低了作业强度,将是未来隧道健康监测的重要手段之一。另外笔者认为,三维激光扫描技术还将在三维建模和轴线变化及趋势预测方面得到更好的发展。
3.3 光纤传感技术
光纤传感技术包括SOFO点式光纤传感器、光纤光栅传感器FBG、分布式光纤传感器BOTDA,具有抗电磁干扰、响应快、精度高、耐腐蚀等优势。
张帅军通过对钢筋应变计、混凝土应变规律、温度的监测结果分析,指出光纤传感器反应灵敏且数据稳定,能够反映出各种变化。但因为光纤传感器首次被应用在地下工程监测还存在一些不足之处。刘绍堂采用文献分析和比较分析方法,研究了布设形式,讨论了数据处理方法。研究指出此技术具有动态、实时、精度高等优点,在地铁和隧道工程安全监测领域有一定的应用前景。
张娟针对目前青藏高原的冻土区域,探索了低温条件下分布式布里渊光纤技术空间分辨率和测量精度的关系,弥补了BOTDA在低温条件下中长距离传感范围研究的空白。史彦新等在整个巫山残联滑坡体上放置监测光纤,利用布里渊得到了滑坡体的变形数据。宋震运用BOTDA对锚杆的轴向应变做了数据监测,并进行数值模拟与实测数据,结果验证了基于布里渊的锚杆应变分布监测的可行性。沈圣将静力水准沉降监测系统与准分布式光纤光栅传感器相结合,提出基于改进共轭梁法的盾构隧道纵向沉降分布监测策略,最后通过试验结果表明策略监测沉降的最大误差仅为10%,保证了长距离监测的精度。
在建隧道监测中常遇到的封装保护、温度补偿及系统集成问题,魏广庆以具体工程案例对FBG纤细脆弱、交叉敏感的问题进行了分析。指出通过一定的措施可以大幅提高埋入式FBG传感器的成活率。关袁玉通过FBG传感器对隧道断面的应变情况进行了分析。结果表明数据的曲线走势在一定程度上反映了隧道二次衬砌的变化,为进一步的病害预报提供了有效的支持,保证了隧道健康运营。
光纤监测技术的发展能够为隧道结构健康监测系统打下坚实的技术基础,一个真正意义上的TSHMS将建立并将不断得到完善。
新技术的发展大大推动了TSHMS发展,这些新技术表现出日益旺盛的生命力,为TSHMS的发展增添新的活力,他们将为隧道结构健康监测带来新生机。
[1]方利成, 杜彬,张晓峰.隧道工程病害防治图集[M].北京:中国电力出版社, 2001.
[2]HousnerGW,BergmanLA, CaugheyTK, etc. Al. StructuralControl:Past, Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997(9): 897-971.
[3]刘绍堂,王志武.隧道围岩收敛监测方法及其特点[J].铁道建筑,2008(7): 44-46.
[4]施斌,张丹,王宝军. 地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其发展[A]. 中国地质学会工程地质专业委员会.工程地质力学创新与发展暨工程地质研究室成立50周年学术研讨会论文集[C].中国地质学会工程地质专业委员会,2008:8.
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1007-6344(2016)07-0011-01