1. 健康監測的目的意義和必要性 
  
　　隧道安全關係著人（rén）類（lèi）生命安全和社會經濟活動，由於隧道地（dì）質條件惡化、火災、結構損（sǔn）傷、退化（huà）和失穩等造成的（de）事故，嚴（yán）重威脅著隧道的正常運（yùn）營。隧道施工（gōng）的安全問題（tí）引起（qǐ）了人們的密切關（guān）注，主要表現在以下方麵： 
  
　　1）隧洞開（kāi）挖的進（jìn）口段：由於隧洞都是淺埋隧洞，且都存在邊坡，導致該段（duàn）圍岩兩麵（miàn）臨空，加上爆破的影響導致圍岩的自穩能力下降，支護結構受力存在一定（dìng）的不確定性。 
  
　　2）構造帶：由於圍岩受構造影響，節（jiē）理裂隙發育，無規律性，圍岩的自穩性能極差（chà），圍岩多呈鬆（sōng）散結構，斷（duàn）層帶的影響寬（kuān）度不確（què）定，加之水的影響，使得該段產生冒頂及垮（kuǎ）塌（tā）的可能性加大。 
  
　　3）淺埋段：潛埋段隧道圍岩，在碳酸岩地層受（shòu）水（shuǐ）體溶蝕的影響較大，加之圍（wéi）岩頂板較（jiào）薄，出現冒頂的現象（xiàng）可能（néng）性加大，加大了（le）開挖及支護過程中的難度。 
  
　　4）岩溶發育段：由於岩溶發育地段很難查清（qīng）岩溶的發（fā）育規模及範（fàn）圍，在（zài）開挖（wā）及（jí）支護過程中增加了不確定因素。 
  
　　5）地層（céng）走向不利地段：由於（yú）岩層的走向及傾角對圍（wéi）岩的（de）自穩性能影響較大（如水平岩層）。 
  
　　6）含軟弱夾層圍岩：由於夾軟弱夾層的圍岩，多會出現冒頂及垮塌現象。 
  
　　7）水影（yǐng）響段：由於水體的存在，多會對層間結構麵的力學指標有較大的不利影響，加之施工過程中（zhōng）對水體通道的改變產生的淘蝕作用，使得圍岩的自穩性能惡化。 
  
　　8）軟岩段（圍岩級別）：岩體（tǐ）自穩能力差，圍岩開挖暴露後崩（bēng）解，遇水容軟化（huà）。 
  
　　9）含水（shuǐ）層與（yǔ）相對（duì）隔水層交（jiāo）界處，而產生突湧泥現象。 
  
　　由於有以上不良地質情況（kuàng）的存在增加（jiā）了隧（suì）洞在施工期間及運營期間安全隱患。 
  
　　為了確保隧道工程安全、及時預報險情，除了對隧道進行加固、維（wéi）護之外，對隧道工程的安全（quán）和穩定狀態的監測和評估也十分重要。建立監測係統對隧道工程進（jìn）行監測、評（píng）估和（hé）預測以趨利避害，已經成為現代隧（suì）道工程發展的迫切要求。此（cǐ）外，隨著人們對工程施工過程和現役工程長期監測的重要性認識的不斷深入（rù），以及國家相關工程安全法規的實施，隧道工（gōng）程（chéng）監測得到了迅速發展，成為隧道工程的一個重（chóng）要研（yán）究課題。 
  
　　2.隧（suì）道現階段監測手（shǒu）段的弊端 
  
　　隧道工程監測一直是世（shì）界（jiè）岩（yán）土工程界的難（nán）題，也是（shì）研究的熱點，應用的理論和（hé）技術也多種多樣。理想的（de）隧道工程監測係統應具有以下特征：能及時（shí）處理監測數據，分析監測信息，隨（suí）時掌握隧道的（de）穩定（dìng）狀況（kuàng），對可能出現的險情及時進行預警；為隧道（dào）結構健康狀態的正確分析評價、預測預報及治理維護（hù）提供可靠的基礎性數據，為決策部（bù）門製（zhì）定相（xiàng）應的防災減災對策提供科（kē）學（xué）依據；監測結果也是檢（jiǎn）驗隧（suì）道（dào）設計參數、工程質量及治理工程效果的有（yǒu）效尺度，同時為進行有（yǒu）關的反（fǎn）分析和數值計算提供參數等。 
  
　　隧道結構健（jiàn）康監（jiān）測的目標應是在保證人力成本最低的前提下，對新建和已建的結構物進行測量、探傷和評估（Wu Z S，2003）。隧道結構健康監測的關鍵（jiàn）內容之一就是數（shù）據采（cǎi）集。當前所需要的是（shì）一個（gè）能夠從運營結構中采集數據（jù）的有效（xiào）方（fāng）法，並對數據進行處理和分析，做出穩定性、可靠性（xìng）等方麵的評價（Zong Z H等，2002）。由於結構（gòu）健康監測（cè）在大型基礎工程中的廣闊應（yīng）用前景，各國都已經在積極（jí）開（kāi）展該項技術的應用（yòng）研究。在世界各國政府的支持和研（yán）究機（jī）構的努力下，結構（gòu）健康檢測正逐漸成熟起來，並在航空航（háng）天、橋（qiáo）梁和建築物（wù）等各領域取得了階段性的成功，部分（fèn）成果已經應用在了工程（chéng）實踐當中（zhōng）（Whelan M P 等，2002）。 
  
　　相比而言，結（jié）構健康監測在隧道領域的發展，則明顯滯後於橋梁等領域，這主要是隧道結構和岩土工程（chéng）條件的複雜性和監測上的難度等因素造成的。隧道工程一般規模較大（dà），屬於線狀工程，長達幾公（gōng）裏到數（shù）十公（gōng）裏，往（wǎng）往穿越許多不同的環境空（kōng）域和時域，工程條件常常比較複（fù）雜，有（yǒu）時環境十分惡劣，因此要準確、快速、長距（jù）離、實時和大範圍獲得結構體的變形（xíng）數據和變化規律（lǜ）並非易事，有賴於監（jiān）測（cè）係統的先（xiān）進性和功（gōng）能，有賴於先進理論和方法的指導。目前對於工程質量和安全監測主要是（shì）通過對（duì）岩（yán）土和結構（gòu）的應力、應變和溫度等（děng）物理指標監測（cè）來實現的，其中（zhōng）尤以岩土（tǔ）體和結構的變形監測最為重要，因為變形是結構體在內外動力（lì）作用和人類（lèi）工程活動作（zuò）用下的一種基本表現形式（shì），是結構體在受內外作用後的外在綜合反映，是分析結構體狀態和安全的基本物理量。 
  
　　隧道結（jié）構健康監測（cè）主要集中在結構的位移、應變和沉降三（sān）個方麵，常規的檢測和監測技術（shù）和方法存（cún）在（zài）以（yǐ）下局限性：（1）均為點式的:點式的檢測方法布點常帶有（yǒu）隨意性，最危（wēi）險的地方常可能被漏檢，存在監測盲區；增加監（jiān）測點數，雖然提（tí）高了結果的可靠性（xìng），但工作（zuò）量和設備成本大為增加，考慮到經濟和效率等因素，實際（jì）工程或研究項目中（zhōng）也不（bú）可能無限布設各種檢測探頭（tóu）或傳感器（qì）；（2）工程環境差異性大：傳統技術監測速度慢、效率低，需要專門的操作（zuò）人員，而隧道工程（chéng）條件常常比較（jiào）複雜，傳感器對溫度、濕（shī）度、電磁場和其它環境因素敏感，常因傳感器和（hé）儀器（qì）設備受潮、生鏽而（ér）失效，其運作和維（wéi）修成本高。因此，十分需要一種對環境因（yīn）素（sù）影響小、耐久性和長期穩定性好的遠程監測技術；（3）實時、並行和自動化監測程度不（bú）高：目前常用的檢測和監測技術實際上多為檢測技術而不是監測技術，多為靜態單點檢測，有些檢測技術具（jù）有（yǒu）多通道的檢測功能，但通道數是十分有限的，無（wú）法滿足實際結（jié）構變形的實時、並行和自動監測的要（yào）求。而隧道工程往往需（xū）要實時動（dòng）態和自動監測，如地鐵運營（yíng）期間的隧（suì）道（dào）變形監測等；（4）缺少長距離（lí）和大麵積的監測技術：隧道工程長達數公裏到數十公裏，對（duì）這鍾長（zhǎng）距離和大麵積的監測對象，傳統點式的檢測和監測技術和方法一（yī）般（bān）無能為力；（5）監測係統的集成化程度不高：各種檢（jiǎn）測和監測（cè）技術自成體係、彼此獨立，現場監測、數據處理（lǐ）和分析評價（jià）係統等環節間集成化程度不高（gāo），從而影響到監測的效率和數據分析。 
  
　　現階段應用於隧道工（gōng）程監測技術和方（fāng）法正在向自動化、高（gāo）精度及遠程監測的方向發展。常規監測方法技術趨於成熟，設備精度、設備性能都具有較高（gāo）水平，但主要采用人工采集（jí）數據的方法（fǎ），其監測工作（zuò）量大、效率低和監測周（zhōu）期長，無法實現實時監測，尤其是在運（yùn）營期間（jiān），監測時間短、工（gōng）作量巨大（dà），常規（guī）監測技術的弊端（duān）更加明顯。結構變形的常規檢測（cè）和監測技術的上述不足，嚴重地阻礙了人們（men）對結構變形機（jī）理和規律的認識，影響了人們在工程災害防治和工程管理中的（de）正確判斷（duàn）和相關措施的實施。因此（cǐ），十分需要改（gǎi）變目前結構變形監測的現狀，應用新的理論和方法（fǎ），實現岩土體變（biàn）形的分布式監測，以彌補上（shàng）述的（de）不足。 
  
　　分布式（shì）監測是指（zhǐ）利（lì）用相關的監測技術獲得被測量在空間和時（shí）間（jiān）上的連續分布信息。而結構變形的分布式監（jiān）測就是在結構體（tǐ）中布設線形傳感元件，形成一個傳感監測網絡，利用相關的調製（zhì）解調技術，連續（xù）監測傳感網絡沿線（xiàn）結構體的變形信息（xī），這些傳感網絡就像在結構體內部（bù）植入了能感知的（de）神經網絡，當結構發生任何（hé）變形時，監測係統就能（néng）感知（zhī）它們（men）的（de）大小和分布狀況，從而獲得結構的變形和發展規律。這種監（jiān）測方法的突（tū）出優點就是改變了傳統（tǒng）的點式監測方式，彌補了點式監測的不足，實現了實時、長距離和分布式的監測目標（biāo）。 
  
　　隧道結構在其壽命期內的健康狀況與其（qí）沿線的工程地質、水（shuǐ）文地質條件有著密切的關係，地質數據庫是隧道運營管理數據（jù）庫管理係統的一（yī）個重要組成部份。


3. 國內（nèi）外研究（jiū）現狀
 
　　針對以上介紹的（de）隧道工程監測特點，顯然，傳（chuán）統的監測技術和方法已不能完（wán）全滿足其監測要求（qiú），需要不斷研發出新（xīn）的監測（cè）技術和方法與之適應。隨著現（xiàn）代電子、通訊和計算機技術的發展，各種先進的自動遠程（chéng）監測係統相繼問世，為隧（suì）道工程（chéng）的全天候、自動化遠程監測創造了條件。
 
　　光纖傳感技術是近年來才發展起來（lái）的尖端監測技術，最初用於通訊工業，近年來在傳感領域逐漸得到廣泛應用。光纖傳感器具有抗電磁幹擾、防水、抗腐蝕、耐（nài）久（jiǔ）性長（zhǎng）等特點（diǎn），傳（chuán）感器（qì）體積小、重量輕，便於鋪設安裝，將其植入監（jiān）測對象中不存在匹配的問題，對監測對象（xiàng）的性能（néng）和力學參數等影響較小（Udd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感技術具有（準）分布式、長距離（lí）和實時性等優（yōu）點，因而已引起隧（suì）道結（jié）構監測界的廣泛重視，成（chéng）為隧道結構健康監測技（jì）術（shù）的研究重點。從點式的（de）SOFO，到（dào）準分布式的FBG，再到全分布式（shì）BOTDR的多種（zhǒng）光纖傳感技術為隧道結構健康監測提供了新一代的監測（cè）技術。
 
　　準分布式的布拉格光纖（xiān）光（guāng）柵（FBG）是最早出現的一種光柵，也是應用最為（wéi）普遍的光柵。目前，以FBG為傳感元件的（de）光（guāng）纖光柵傳感器（qì）是研發的主（zhǔ）流，且已經在土木工程領域具有廣（guǎng）泛的應用。它的主要（yào）優點有：
 
　　（1）、靈敏度高。FBG的波長隨著波長、溫度呈現良好的線性關係。在1550nm處（chù）其波長變化的典型（xíng）值為0.1nm/℃、0.3nm/100MPa、10nm/1%應變。
 
　　（2）、尺寸小（xiǎo），易掩（yǎn）埋。單模（mó）光纖的典型直徑為125 ,已有直徑40 的光纖見諸報道（dào），而FBG的應用長度通常小於20mm，可意很（hěn）容易埋入結構中（zhōng）而對結構沒有影響；
 
　　（3）、對電絕緣且抗電磁幹擾；
 
　　（4）壽命長。初步加速老化試驗證明，FBG在適當（dāng）的（de）暴露環境和退火條件下工（gōng）作周期大於25年也性能沒有明顯的退化（huà）。
 
　　（5）、複用性好。目前，利用布拉格光纖光柵為傳感（gǎn）元件的光（guāng）纖光柵傳感器被用於測量工程結構的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參（cān）數，並有很多工程應用實例，例如，瑞士聯邦材料測試和（hé）研（yán）究實（shí）驗（yàn）室（2000）將FBG光纖光柵傳感器安裝與Sargans隧道中，用於監測隧道的長期（qī）溫度和應變變化；美國海軍研（yán）究實驗室（shì）光（guāng）纖智能結構中心（2000）研製（zhì）了一種基於FBG的光（guāng）纖光柵壓力傳感器，並（bìng）應用於（yú）公路的（de）動態監測中；但是，FBG仍然有很多（duō）問題需要解決與完善，比如（rú）說光纖光柵傳（chuán）感器封裝技術、溫度/應（yīng）變效應分離、動態高速測量（liàng）、光纖光柵傳感器的優化布置等。
 
　　分布式光纖傳感（gǎn）主要利用光（guāng）的瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散（sàn）射效應來實現的（de），目前主（zhǔ）要產品有：光時域反射計（簡稱OTDR）；拉（lā）曼散射光時域反射（shè）測量儀（簡稱ROTDR）；布裏淵散射光時域反射測量（liàng）儀(簡稱BOTDR)和布裏淵光時（shí）域分析測量（liàng）儀（簡（jiǎn）稱BOTDA）等。分布式光纖傳感器具有光纖傳感器所固有的（de）抗電磁幹（gàn）擾、耐腐蝕（shí）、耐久（jiǔ）性好、體積小和重（chóng）量輕等優點（diǎn），尤其是BOTDR分布（bù）式光纖（xiān）傳感技術，屬於目前國際上最前沿的尖端技術，在隧道監測方麵與傳統監測（cè）技術相比具有如（rú）下優點：（1）光纖既是傳感介質，又是傳（chuán）感信號（hào）傳（chuán）輸（shū）通道：光纖上（shàng）任意一段既（jì）是敏感單元又是其它敏感單元的信息傳（chuán）輸通道，可進行空間上的連續檢（jiǎn）測，光纖像（xiàng）人的神（shén）經一樣對被測對象進行感知和監視；（2）分布式（shì）：自光纖的一端就可以準確測出光纖沿線任（rèn）一點上的應力、溫度、振動和損（sǔn）傷（shāng）等信息，無需（xū）構成回路，也不需要定製傳感（gǎn）器（qì），隻（zhī）需十（shí）分廉價的普通通訊光纖，如（rú）果（guǒ）將光纖縱（zòng）橫交錯鋪設成網狀即可構成具備一定規（guī）模的監測網，實現對監測對象的全方位監測（cè），克服傳統點式（shì）監測漏檢的（de）弊端，提高（gāo）監測成功率；（3）長距離：現代（dài）的大型隧道（dào）結構工程（chéng）通常長達數公裏到數十公裏，要通（tōng）過傳統的監測技術實現全方位的監測是相當困難的，而通過（guò）鋪設傳感光纖，光纖既（jì）作（zuò）為傳感體又作為傳輸體就可以實現長距（jù）離（目前可達80公裏）、全方位監（jiān）測和實（shí）時連續控測；（4）耐久性：傳統的工（gōng）程監測一般采用（yòng）電測式監測技術，傳感器易受潮濕失效，不能適應一些大型工程（chéng）長（zhǎng）期（qī）監測的需要。光纖的主要（yào）材料是石英玻璃，與金屬傳感器相比具有更大的耐久性；（5）抗幹擾。光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等幹擾，況且電磁幹擾噪聲的頻率與光頻相比很低，對光波無幹擾。此外，光波易於屏蔽，外界光的幹擾也（yě）很難進入光纖；（6）輕細柔韌。光纖的這一特性，使它在埋入構築物的過程中，避免了匹配的問題（tí），便於安裝埋設。因此，研究、開發和應用（yòng）基於（yú）BOTDR的隧道工（gōng）程分布式監測技術具有重要意義。
 
　　分布式光纖（xiān）傳感監測（cè）技術的上述優點，可以彌補目前在隧道工（gōng）程中常用的檢測和監測技術存在的不足，是新一代檢測和（hé）監測技術的發展方向。由於分布式光纖傳（chuán）感監測（cè）技術的諸多優點，因此它已成為國際上一些主要發達國家如日本、瑞士、加（jiā）拿大、美國（guó）、法國、英國等國的（de）研發熱點和重大研究課（kè）題，研發工作的重點主要集中分布式光纖（xiān）傳感技術的（de）性能改（gǎi）善和應用技術（shù）的研（yán）發。
 
　　近年來，光纖傳感技（jì）術在隧道工程的研究（jiū）和應用（yòng）逐漸增多：Ishii H等（děng）對分布（bù）式溫度監測係統在隧道火災探測中（zhōng）應（yīng）用的幾個（gè）相關問題進行分析和探討；Shiba K等應用BOTDR分布式光纖傳感技術采用新奧法施工的鐵路隧（suì）道的噴射混凝土、支撐內力進（jìn）行監測，傳感光纖（xiān）的（de）監（jiān）測（cè）結果與傳統（tǒng）傳感器相比，在精確度方麵（miàn）能夠滿足要求，在預測應力分布方麵具有一（yī）定的優越性。丁勇等介（jiè）紹了（le）光纖結（jié）構監測（SOFO）、布拉格光纖光柵（FBG）和分布（bù）式光纖傳感器（BOTDR）等3種光（guāng）纖傳感技術的基本原（yuán）理、功能及其（qí）在隧道（dào）結構健康監（jiān）測係統中的作用，並應（yīng）用（yòng）BOTDR分布式應變測量技術，對隧道拱圈截麵變形進行了分布式應變監測；日本NTT公司開發了（le）基於BOTDR的共同溝隧道監測係統，通過應變（biàn）測量對日本名古屋的共同溝隧道進行損傷探測，10 km範圍內其變形測（cè）量誤差僅為0.1 mm，並通過室內試驗對共同溝隧（suì）道監測係統的可靠性、抗（kàng）震性和（hé）測量精度進行了驗證。
 
　　4. 隧道結構健康（kāng）監測的（de）前景
 
　　隨著經濟的發展（zhǎn），人們對（duì）結構安全的重視，特別（bié）是（shì）大型隧道類大型公共（gòng）建築的安全性，引起了政府部（bù）門（mén）的（de）高度重視，隧道結構的健康（kāng）監測將具有（yǒu）良好的市場前景。下麵是從三個（gè）方麵說明（míng）結構（gòu）健康監測的（de）應用（yòng）前景（jǐng）。
 
　　1）政府對（duì）隧道結構的安全性日益重視
 
　　隧道垮塌事故的頻發，引（yǐn）起了政府部門的高度重視，國家逐漸加大了對隧道結（jié）構安全檢測與維修加固的投入。對很多新建的隧道都做了結構健康監測係統，可以（yǐ）預（yù）見，隨著經濟水（shuǐ）平的提高，國家對隧洞掃構健（jiàn）康監測的投入將會繼續加大（dà）。
 
　　2）過去偏低的安全可靠度麵臨新的（de）挑戰
 
　　過去由於經濟原因，建（jiàn）築的（de）荷載取值偏低。2001新《建築結構荷載規範》頒布之前，一些荷載的標準值比（bǐ）建國前（qián）還低，其可靠度水平很低。隧洞的設計也存在（zài）同樣的問題，過去按偏低的設計（jì）標準設計的隧（suì）道（dào），急切需要進行監測與加固。
 
　　3）隧道結構受力的複雜性
 
　　隨著（zhe）許多計算（suàn）軟件的（de）麵市，隧道的理論分析取得了（le）長（zhǎng）足的發展，但地質的複雜性難以進行（háng）模擬，導致理（lǐ）論分析（xī）及實際受力存在很大的差異，通過監測手段能有效的解（jiě）決理論分析的盲區。