基于多参量光纤传感技术的京雄城际隧道形位感测系统应用研究

叶少敏

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

截至2020年底，我国铁路运营里程达14.5万km。其中，铁路隧道有16 798座，总长19 630 km[1]。隧道在运营时由于长期受到荷载及其他外力的作用，结构安全易受影响。一旦隧道结构发生破坏，不仅会导致整个交通干线停顿，还将对社会、人民的生命财产造成巨大损失。因此，无论是隧道建设期还是运营期，都需进行隧道结构健康监测[2]，以确保隧道全生命周期内安全运行。传统的隧道结构监测主要依赖人工，采用常规监测技术和传统电传感器采集数据，不仅监测范围小、效率低、操作繁琐，且监测的数据繁杂而抽象，无法保证其准确性、实时性，难以满足现代隧道施工监测的要求[3]。因此，隧道结构的监测技术亟待创新，应由点式向分布式、自动化、高精度的方向发展，以适应现代隧道结构监测与评价的需要。

光纤既是传感介质，又是传输通道[4]。与其他技术相比，光纤具有体积小、质量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高等诸多优点[5-6]。此外，通过光纤建立监测传感网络，可实现待测参量长距离、长时间的分布式组网监测[7-8]。近年来，光纤传感技术发展迅速，受到了隧道结构监测领域的广泛关注。Mohamad等[9]将分布式光纤监测技术应用到临近隧道的开挖对隧道环形收敛变形规律的研究，证明了分布式光纤监测技术的优越性。王飞等[10]将BOTDA技术运用到管片接缝的变形监测模型试验中，对管片结构张开、转动及隧道变形进行分析。

分布式光纤传感技术包括准分布式和全分布式2种感测方式。准分布式主要是光纤光栅感测技术，即利用1根信号传导光纤，将许多光纤或其他传感器串联起来，通过波分复用和时分复用等感测原理，将多个传感器的感测信号区分而获得各个传感器的感测信息； 全分布式光纤传感监测用的主要调制解调技术包括光时域反射计(简称OTDR)、拉曼散射光时域反射测量技术(简称ROTDR)、布里渊散射光时域反射测量技术(简称BOTDR)和布里渊光时域分析测量技术(简称BOTDA)等，一般不需要任何传感探头，普通的通信光纤就可以作为感测光纤。根据用途可将光纤封装成不同的传感器或光缆，连接对应的解调设备，即可监测隧道结构健康的不同参量。

20世纪90年代后，国内隧道的运营期健康监测系统得到了发展，但多为基于自动化全站仪的隧道位移监测。近10年开始小范围应用分布式光纤监测技术。公路隧道对于分布式光纤监测技术的应用较为广泛，但主要采用基于成熟光纤测温技术的防火预警系统或基于光纤传感传输的水土压力、结构压力、变形等项目中的一两个项目，监测的项目较少。国内铁路隧道采用分布式光纤技术较少，自动化安全监测系统的应用还处于发展初期。

本文基于光纤传感技术，介绍了京雄高铁隧道全生命周期渗漏水、火灾、环向内力、差异变形、异常侵入以及地层分层沉降等多物理量的隧道综合形位感测系统的应用研究情况，以期为明挖高铁隧道智能监测发展以及智能高铁隧道探索提供参考。

1 工程概况

北京至雄安新区城际铁路机场隧道是北京大兴国际机场地下站首尾相连的2段地下区间隧道，如图1所示。其中，1号隧道全长2 200 m，速度目标值为250 km/h，整座隧道位于北京市大兴区范围内；机场2号隧道北端接机场地下站，经过永定河后露出地面，隧道全长8 388.651 m，速度目标值为350 km/h。隧道设计为单洞双线隧道，线间距5 m，洞身段结构覆土3～18 m，均采用明挖法施工。

图1 京雄城际机场隧道平面示意图

京雄城际机场隧道隧址区区域不均匀沉降较为严重，尤其在穿永定河段2 km长段落，沉降速率为30～45 mm/年，沉降速率差为15 mm/年，且永定河段百年洪水冲刷高程为16.46 m，河底最大冲刷坑深达5.8 m，冲刷线离隧道洞顶最小净距为2.05 m,在极端冲刷情况下会导致隧道开裂、错台，影响隧道结构健康安全。此外，近年来京张、京沈等铁路城市隧道相继发生了异物侵入事件(如隧道衬砌被地面钻杆击穿，见图2)，危及高铁运营安全。而京雄城际机场隧道大范围下穿大兴机场近远期规划区，洞顶覆土较浅，隧道地表均为临时征地，运营期间高铁隧道异常侵入的风险尤为突出。

图2 隧道衬砌被地面钻杆击穿

2 基于光纤传感技术的京雄城际隧道形位感测系统架构

光纤传感系统主要由传感元件、调制解调设备、系统软件和客户端4部分组成。传感元件主要用于感知及传输外界信号，如温度[11-12]、变形[13]、振动[14]等参量； 调制解调设备用于对光信号的调制及解调，从而获得对应的信号； 系统软件根据应用需求对信号进行解析、模式识别、展示；客户端用于用户操作。光纤传感系统架构如图3所示。

图3 光纤传感系统架构

京雄城际隧道形位感测系统所监测的参量包括温度、沉降、应变、振动。使用的光纤传感器包括光纤光栅分层沉降计、光纤光栅静力水准仪和光纤光栅混凝土应变计；传感光缆包括铜网内加热温度感测光缆、塑封铠装温度感测光缆和振动感测光缆；所用的解调设备包括光纤光栅解调仪、分布式温度解调仪和分布式振动解调仪。

分布式解调仪通过物理方式连接采集服务器，通过4G网络将数据发送到中心服务器上，后端管理系统向客户端提供服务。其中，光纤光栅采集设备无需通过采集服务器，而是直接通过4G网络将数据发送中心服务器上。

3 京雄城际隧道光纤传感系统设计及实施情况

京雄城际隧道光纤传感系统包括6个监测子系统，分别为分层沉降感测系统、衬砌环向应变感测系统、隧道渗漏水感测系统、火灾感测系统、隧道异常侵入感测系统和隧道变形缝不均匀变形感测系统。

由于高速铁路隧道内列车风压大，拱部悬挂安装光缆有掉落风险。综合考虑感测元件的布设位置、安装方式、施工组织、感测效果等因素，确定感测元件优先预埋于隧道结构衬砌内的原则，无法预埋的则安装于隧道仰拱附属结构预留沟槽或拱顶外侧，尽可能在保证感测精度的同时，确保铁路运营安全。各监测子系统在隧道中布置范围如图4所示。从图4中可初步了解各感测元件布设的位置、数量、长度等，各个感测元件构成监测网络，从而监测隧道的结构健康。

图4 感测元件布设

3.1 分层沉降监测系统

分层沉降的监测孔位于DK50+430处，在京雄机场隧道疏散竖井附近，孔径约200 mm，孔深70 m，在监测孔内布设多点分层沉降计(光纤光栅位移计、刚性杆、基座、锚头)，测点数有6个，测点锚头分别布置于距地表10、15、20、30、50、70 m深处土层，从而获得不同层位的沉降情况。在分层沉降孔边埋置基岩标，基岩标实际施工终孔深度达1 017 m，固标于无侧限抗压强度15 MPa基岩层。分层沉降计顶与基岩标通过2个光纤光栅静力水准仪连接，实时感测分层沉降计顶面的绝对高程，如图5所示。光纤光栅解调仪直接通过4G网络将数据发送到中心服务器上。

(c) 分层沉降监测元件布设 (单位： m)

中心服务器获取到的数据分为相同的2个部分，一部分用作实时的流处理，另一部分存到历史数据库进行数据存档。实时处理数据并进行分析，通过预先设置好的阈值来进行预警。产生预警信息后，调用消息队列来给相关负责人员进行消息提醒，并将相关预警信息、日志存入管理数据库，以便进行后台操作管理。其他子系统的数据处理过程与此类似，下文不再赘述。

3.2 衬砌环向应变感测系统

隧道衬砌环向应变监测断面共25个，以5个为1组(间距2 m)的形式(见图6)分布在DK49+193～+202，DK50+408～+417，DK50+997～DK51+006，DK51+898～DK52+907和DK52+765～+774。每个断面布设26个光纤光栅应变计(见图7(a))，布设位置见图7(b),与衬砌内外主筋绑扎。应变计采用并联的连接方式(见图7(c))，光纤引线和数据传输线从隧道仰拱引出至中央排水沟，沿中央排水沟连接至疏散竖井处的光纤光栅解调仪，通过网络将监测数据传输至中心服务器。

图6 光纤光栅应变计布置断面纵向示意图 (单位： m)

(a) 光纤光栅分层沉降计 (b) 隧道断面应变计布设示意图 (c) 应变计安装示意图

3.3 渗漏水感测系统

使用加热控制设备对铜网内加热温度感测光缆进行加热，即可实时感测隧道拱部和变形缝内的渗漏水情况。通过通电加温，对感测光缆人为叠加1个温度场，使感测光缆与岩土介质和渗流场之间产生人为温差。由于渗流在流动过程中会持续带走感测光缆周围的热量，而热量的变化直接影响到感测光缆的温度[14]，渗漏区域的升温速度较未渗漏区域慢。光缆布设在DK49+430～DK50+430和DK50+430～DK51+430，共2 km，并引入DK50+430处疏散竖井内连接至分布式测温解调仪。2条独立感测光缆绑扎在线路中线正上方拱部分布筋内侧，穿越变形缝后以U形折返回拱顶，埋入变形缝另一侧隧道结构，光缆位于变形缝中埋式橡胶止水带及环向透水盲管内侧，如图8所示。

3.4 火灾感测系统

塑封铠装温度感测光缆布设在隧道DK46+092～DK53+300，共6 890 m，用于监测隧道火灾情况。感测光缆绑扎于隧道拱顶距中点两侧各30 cm纵向分布筋上，如图9所示。穿越变形缝时，采用弹簧状钢套管进行保护，保证光缆对于变形缝变形的适应性。外径10 mm、厚1 mm的套管,弯曲加工成弹簧状,线径10 mm、外径200 mm、总圈数为1、节距为0。衬砌拱顶端根据弹簧状钢套管的纵向投影位置，预留直径30 cm、深1 cm的圆形凹槽。

(a) 塑封铠装温度感测光缆

(b) 火灾感测光缆布设图

(c) 火灾感测光缆布设纵面图

3.5 隧道异常侵入感测系统

将振动感测光缆连接至分布式振动解调仪，可实时感测隧道内人员走动、列车振动、设备掉落、衬砌掉块、隧道覆土异常扰动、永定河超百年洪水冲刷异常振动等。在中央排水沟侧槽内和拱顶外侧混凝土保护层外分别沿隧道纵向通长布置1条振动感测光缆，单条光缆布设长度为7 208 m，如图10所示。拱顶外侧光缆在隧道拱顶防水板及保护层施作完成后，通过水泥砂浆固定，并保护于隧道细石混凝土保护层外侧。沟槽内光缆在中央水沟浇筑完成后一次性布设。

(a) 振动感测光缆

(b) 振动感测光缆布设图

由于振动感测光缆在隧道主体结构施工完成后分别在拱顶外和中央水沟侧壁铺设，光缆未在建设期受到破坏，在隧道覆土回填后进行了洞外和洞内的异常事件原位测试，在隧道洞顶进行钻孔、重车碾压、挖机挖土测试，在隧道内进行了掉块测试，感测到的振动波形和能量有显著区别，各事件在时频上的特征信息如表1所示。当事件发生时信号局部强度变大，通过寻找局部强度最大位置，确定事件位置，如图11所示。最终可得光缆皮长定位精度为±4 m。目前该系统正对正常维修养护、上道行人、列车行驶等常见事件进行识别和记忆学习，以达到对异常侵入进行智能化预警的目的。

表1 各事件在时频域上的特征信息

图11 事件的准确定位图

3.6 隧道变形缝变形感测系统

在隧道主体结构及仰拱填充、沟槽等附属结构施工完成后，将变形感测系统一次性串联布设在隧道中央排水沟测槽中，每处变形缝设置2个光纤光栅位移传感器，通过设置支架和定位钢板测量变形缝两侧结构沿隧道纵向和竖向的相对位移。变形缝相对位移感测元件布设如图12所示。

(a) 光纤光栅位移计

(b) 变形缝相对位移感测元件布设图

变形缝双向位移传感器在隧道主体结构施工完成后在中央水沟侧壁专用槽中安装，隧道每间隔60 m左右设置1道变形缝，每道变形缝安装1套传感器，共安装120套双向位移传感器，所有传感器通过通长传输光缆联接，数据最终汇入疏散竖井服务器中。

4 京雄城际隧道形位感测三维展示管理平台系统

根据京雄城际隧道自动化感测系统构建了基于BIM平台的三维可视化监测系统，该系统实时数据来源于分层沉降、异常侵入、混凝土应变、变形缝相对位移感测数据，可视化系统与感测数据监测分析系统对接，间接地对接光纤调制。BIM 侧重于对隧道、传感器的结构框架和内部详细组成的三维表达，为隧道结构安全提供了可视化的三维环境。

本模型使用Unity 3D进行渲染，该平台界面友好、易操作，可快速、清晰地加载BIM模型。介于Node.js对socket.io的友好支持特性，数据通讯服务器开发语言为Node.js，通过socket.io与展示端通讯。数据采集器通过HTTP协议与传感器系统对接实时数据，采用MySQL数据库，简单易用且支持开放式数据库连接。

三维展示系统模型可自主选择巡游、自主和监控3种模式，并标明监测测线和测点的位置，实时显示分层沉降、变形、火灾、应变感测子系统的监测情况，并展示预警和报警信息。系统提供了丰富的可视化设计组件，包括常用的数据图表、图形、控件以及具有三维显示效果的实景组件等；支持管理员对用户和公共数据源的统一管理，同时可根据业务需要，进行实时的数据管理，并为企业中的不同角色分配对应的使用权限。三维展示系统模型如图13所示。

图13 三维展示系统模型

4.1 分层沉降展示系统及实测数据

图13中的分层沉降展示系统可以通过地质模型展示测孔内各地层的竖向位移相对值与绝对值，并具备输出展示二维云图和曲线图的功能。通过折线图展示6个监测点的历史沉降值，当沉降位移超阈值可进行预警和报警，点击按钮即可进入界面查看数据。

分层沉降监测模块展示如图14所示。从图14可以看出，-30～-70 m深层土体变形已基本稳定，0～-30 m土体12月尚有轻微的沉降和隆起变化，进入1月后基本趋于稳定。主压缩层位于0～-25 m，隧道基底压缩量较小。由于区域沉降是一个长时间的发展过程，需要在铁路运营期持续监测。本监测系统对于持续深入研究区域沉降对隧道长期运营安全影响具有重要意义。

图14 分层沉降监测模块展示

4.2 火灾报警展示系统及实测数据

感测光缆的温度数据通过热力图功能展现出不同区域的温度差异，可在三维模型中查看温度云图和曲线图，当测点温度超过阈值，发出火灾警报。

如图15选取DK50+008～+130共122 m，对2021年3月9日9:00～23:00温度感测数据进行展示。可以看出，由于此处距离洞口约3 km，温度变化随洞外气温变化较小，最高温出现在15:00～17:00，12:00～13:00、18:00～22:00温度较低。本系统除了隧道火灾预警功能外，还可用于研究京津冀地区此类隧道内温度梯度变化规律。

图15 DK50+008～+130隧道拱顶衬砌实测温度变化情况

4.3 隧道异常侵入展示系统及实测数据

通过振动监测传感器获取振动数据，震动区块将隧道作为标尺，配合折线图展示隧道顶部与底部排水沟处2个振动感测光缆的实时信息。当列车经过会显示警示图标，根据采集振动数据在图13的三维模型中展示列车在隧道中的行进画面，模型中列车行进位置与实际位置基本相符，并显示列车的速度、位置、方向。对于隧道异常振动(包括异常侵入、隧道周围施工扰动、设备掉落及混凝土掉块)具有报警的高亮提示功能。

在运营测试中，隧道内通长布设的运营光缆能实时感测到列车运行位置，如2021年3月9日由大兴机场站开往雄安站的C2707次列车于11:09开行，11:10到达机场2号隧道洞内，并向南持续行进。其振动感测情况如图16所示。由图中可推算出，列车速度约为190 km/h，处于出站加速状态，该系统对于振动能量变化监测十分敏感。

(a)

(b)

(c)

(d)

红框为列车振动引起的隧道振动能量峰值位置。

图16 列车行进过程中隧道振动感测情况

Fig. 16 Tunnel vibration sensing during train passing

目前感测光缆坐标0～1 000 m在隧道疏散竖井内余长光缆(700 m)和竖井北侧中央水沟内(300 m)，由于竖井内风机持续工作噪声很大，竖井附近隧道中央水沟水声较大，因此在感测光缆0～1 000 m有较大的环境振动噪声。该系统可实现对隧道沿线异常振动感测，具有灵敏度高、定位精度高、数据处理简单快速的优点，尤其适用于机场隧道这类在规划密集区的浅埋城市隧道的结构保护。

4.4 混凝土应变展示系统及实测数据

混凝土应变展示系统可根据数据生成隧道环向的内力云图，并输出二维轴力图和弯矩图，且可以浏览历史数据，具有预警和报警的高亮提示功能。

取隧道穿永定河北堤处实测数据进行分析，隧道实测弯矩雷达图及环向内力实测数据与计算值对比分别见图17和表2。从图17和表2可以看出： 除拱顶实测值与设计值接近外，其余部位监测值均较设计值小，这与传统设计中将明挖隧道两侧的围护结构当作临时结构，不计算围护桩的存在对地层抗力系数的影响有关。从实测数据看，现行传统的明洞不考虑围护桩计算模型或偏于保守，相关理论研究需多种监测手段、充分的多样本分析进一步完善。该系统对隧道从浇筑混凝土、混凝土养护、隧道洞顶逐步回填、洞顶土层固结全生命周期进行监测，获得相关数据可对明挖隧道计算模型和设计理论的进一步发展提供技术支撑，目前后续研究正在长期监测进行中。

图17 隧道实测弯矩雷达图(单位： kN·m)

4.5 变形缝变形感测展示系统及实测数据

在三维系统展示模型上可体现各隧道段落的相对位移，可按一定比例放大位移，也可以根据需要查看任意一处变形缝两侧结构相对位移实时情况和历史数据，具有预警和报警的高亮提示功能。永定河段变形缝相对位移感测数据见图18。

表2 环向内力实测数据与计算值对比

(a) 变形缝相对位移(竖向错动)

(b) 变形缝相对位移(水平拉伸/压缩)

从图18可以看出，变形缝竖向错动量均在2 mm以下，变形缝沿隧道纵向变形主要为拉伸变形，拉伸量小于5 mm。主要是因为监测时段为冬季，隧道混凝土结构因低温影响收缩，变形缝拉伸对防水构件暂无影响。该系统具有实时性和精确性，在穿越活动断裂带、区域沉降区以及穿江过海的隧道上有广阔的应用场景。

由于渗漏水模块数据正在收集中，本文不作详细介绍。

5 结论与讨论

1)基于光纤传感技术的隧道全生命周期分层沉降、衬砌环向应变、衬砌渗漏水、火灾、异常侵入、变形缝变形等多物理量多因素的综合形位感测系统，集数据采集、监测预警、安全评估以及可视化展示于一体，能够实时反映隧道所处的安全状况，并实时预警、报警，为高铁隧道安全运营提供有力保障。

2)系统可以提供全生命周期长距离、分布式、高精度监测，可为高填方明挖隧道计算模型与设计理论研究、明挖隧道沉降变形、区域沉降对高铁隧道运营的影响、隧道温度梯度变化、变形缝伸缩与环境温度的关系等后续研究提供一系列数据支撑。

3)研发的基于BIM模型的隧道监控三维可视化系统平台将实时监控数据源和感测数据分析、处理及传输系统相结合，解决了传统手段难以实现的隧道健康及运营安全分析、评价问题，实现了监测结果和事件预警的三维可视化展出，为运营单位及时做出处理决策提供了有力依据，同时也是在高铁隧道数字化、智能化运维上的创新与实践，为“智能京雄”工程提供了强有力技术支撑。

目前，系统实现了基于光纤传感技术的多参量数据采集、可视化展示、预警等功能，但关于预警指标确定、预警准确性保障问题仍需进一步研究。下一步将基于长期运营数据的积累，结合人工智能技术的发展，逐步优化预警指标，尤其是渗漏、入侵事件的判识指标，建立预警准确度、保障性更高的安全监测系统。