一、隧道結構（gòu）健康監測的目的意義和必要（yào）性
隧道安全（quán）關（guān）係著人類生命安全（quán）和社（shè）會經濟活動（dòng），由於隧道（dào）地質條件惡化、火（huǒ）災、結構損傷、退化（huà）和失穩等造成事故，嚴重威脅著隧道的正常運營，隧（suì）道施工（gōng）的安全問題引起了人們的密（mì）切關注，主要表現在以下方（fāng）麵：
1）、隧洞開挖的進口段：由於隧洞都（dōu）是淺埋隧洞，且都在（zài）邊坡，導致該段圍岩兩麵臨空，加上爆破的影響導致圍岩自穩能力下（xià）降，支護結（jié）構受力存（cún）在一定的不確定性。
2）、構造帶（dài）：由於圍岩受構造影響（xiǎng），節理（lǐ）裂隙發育，無規律（lǜ）性（xìng），圍岩的自穩性（xìng）能極差，圍岩多呈鬆散結構，斷層帶的影響寬度不確定，加之水的影響，使得該（gāi）段產生冒頂及垮塌的可能性加大。
3）、淺埋段（duàn）：淺埋段（duàn）隧道圍岩，在碳酸岩地層（céng）受水（shuǐ）體（tǐ）溶蝕的影（yǐng）響較大，加（jiā）之圍岩頂板較薄，出現冒頂的現象可能性加大，加大了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（chá）清岩溶（róng）的發育（yù）規模（mó）及範圍，在開挖（wā）及支護過程中增加了不確定（dìng）因素（sù）。
5）、地層走向不（bú）利（lì）地段：由於岩層的走向及（jí）傾角對（duì）圍岩的自穩性能影響較大（如水平岩層）。
6）、含軟弱夾層圍岩：由於夾軟（ruǎn）弱夾層的圍岩，多會出現冒頂及垮塌現象（xiàng）。
7）、水影響段：由於（yú）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（jiā）之施工過（guò）程中對（duì）水體通道的改變產生的淘蝕（shí）作（zuò）用，使得（dé）圍岩的自穩定性能惡化。
8）、軟岩層（圍岩級別）：岩體自穩定能力差，圍岩卡瓦暴露後崩解，遇水容（róng）軟（ruǎn）化（huà）。
9）、含水層和相對隔水層交界處（chù），而產生的突湧泥現（xiàn）象。
由（yóu）於有以上（shàng）不良地質情況的存在，增加了隧洞（dòng）在施工期（qī）間及運營期（qī）間安（ān）全（quán）隱患。 為了（le）確保（bǎo）隧道工程安全，及時預報險情，除了對（duì）隧（suì）道進行加固、維護之外（wài），對隧道工程的安全和穩定狀態的監測和評估也十分重要，家（jiā）裏監（jiān）測係統對隧道工程進行監測，評估和預測以趨利避害，已（yǐ）經成為了現代隧道（dào）工程發展的迫切要求。此外，隨著人們（men）對工程（chéng）施工過程和現役工程（chéng）長期監測的重要性認識的不斷深入，一級國家相關工（gōng）程安全法規的實施，隧道工（gōng）程監測得到了迅速發展，成為（wéi）隧道工程的一個重要研究課題。
二、隧道現階段（duàn）監測手段的利弊
隧道工程監測一直是（shì）世界岩土工程（chéng）界的難題，也是研究的熱點，應用的理論和技術也多種多樣，理（lǐ）想的隧道工程監測係統應具有（yǒu）以下特征：能及時處理監測數（shù）據，分析監測信息，
隨時掌握（wò）隧道的穩定狀態，對可能出現的（de）險情及時進行預警；為隧道結構健康狀態的正確分析評價、預測預報及治理維護提供可靠的基礎性數據，為（wéi）決策部門製（zhì）定相應的防災減災對策提供科學依據；檢測結果也是檢驗隧道設計參數、工程質量及治理工程效果的有效尺度，同（tóng）事為進行有關（guān）的反分析和數值計算提供參數等。
隧道結構健康監測的目標應是在保證人（rén）力成本最低的前提下，對新建和已建的結構物進行（háng）測量，探（tàn）傷和評估（Wu Z S2003）,隧道結構（gòu）健康監測的關鍵內容之（zhī）一就是數（shù）據采集，當前所需要的是一個能（néng）夠從運營（yíng）結構中采集數據（jù）的有效方法，並對數據進行處理和分析，做出（chū）穩定性、可（kě）靠（kào）性等（děng）方麵的評價（Zong Z H等，2002）。由於結（jié）構健康監測在大興基礎工程中廣泛應用前景，各國都在積極開展該項技術的應用研究。在世界各國政府的支持和研（yán）究機構的努力下（xià），結構健康監測正逐漸成熟起來，並在航空航天、橋梁和建築物等各領域取得了階段性的（de）成功，部分成果已經應用在工（gōng）程實踐當中（Whelan M P等2002）。
相比而言，結構健（jiàn）康監測在隧道領域的發張，則（zé）明顯滯後於橋梁等領域，這（zhè）主要（yào）是（shì）隧道結構和（hé）岩土工程條件（jiàn）的複雜性和監（jiān）測上的難度等因素造成的。隧道工程（chéng）一般規模較大，屬於（yú）線狀工程，長達幾公裏到數十公裏，往（wǎng）往穿越虛度不（bú）同的環境空域和時域。工程條件常常比較複雜，有時環境十分（fèn）惡（è）劣，因此要準確、快速、長距離、實時和大範圍獲得結構體的變形數據和變（biàn）化規律並非易事，有賴於監控（kòng）係統的先進性和（hé）功能，有賴於先進理論和（hé）方法的知道，目前對於工程質量（liàng）和安全監測主（zhǔ）要（yào）是通過對岩土和結構的應力。、應變和溫度（dù）等物理指標監測來實現（xiàn）的，其中尤（yóu）以岩土體和結構的監測最為重（chóng）要，因為變形是結（jié）構體在內外動力作用和人類工程活動作用下的一種基本表現形式，是結構體在受內外（wài）作用後的在綜合反映，是分析結構狀態和安全的基本物理量。
隧道結構健康（kāng）監測主要集中在結構（gòu）的位移（yí）、應變和沉降三個方麵，常規的檢測（cè）、監（jiān）測技術與方法存在以下局限性：（1）均為點式的：點式的檢測方法布點常帶有隨意性，最危險的（de）地方常可能（néng）被漏檢，存在監測（cè）盲區；增加監測點數，雖然提高了結果的可靠性，但工作量和設備成（chéng）本大為增加，考慮到經濟和效率等因素，實（shí）際工程或研（yán）究（jiū）項目（mù）中也不（bú）可能無限布設各種檢測探（tàn）頭或傳（chuán）感器；（2）工程環境（jìng）差（chà）異性大：傳統技術監測速度慢、效率低（dī），需要專門的操作人員，而隧道工程（chéng）條件常常（cháng）比較複雜，傳感器對溫度、濕度、電磁（cí）場和其他環境（jìng）因素敏（mǐn）感，常因傳感器和儀器設備受潮、生鏽而失效，其運作和維護成本高。因（yīn）此，十分（fèn）需（xū）要（yào）一種對環（huán）境因素影響小、耐久性和長期穩定性好的遠程監測技（jì）術；（3）實時、並行（háng）和自動化監測程度不高：目前常用的（de）檢測和檢測技術實際（jì）上多為檢測技術（shù）而不（bú）是監測技術，多為靜態單點（diǎn）檢（jiǎn）測，有些檢測技術（shù）具有多通道的檢測功能，但通道數是十分有（yǒu）限的，無法滿足實際結構變
形的（de）實時、並行和自動監測的要（yào）求，而（ér）隧道工程往往需要實時動（dòng）態和自動監測，如地鐵運營期間的隧道變形監測等；（4）缺少長距離和大麵積的檢測技術：隧道工程長達數公裏到數十公裏，對這種長距離和大麵積的（de）監測對象，傳（chuán）統點式的檢（jiǎn）測和監測技術和（hé）方法一般無能為力；
（5）監測係統的集成化程度不高：各種檢測（cè）和監測技（jì）術自成體係，彼（bǐ）此獨立（lì），現場監測、數據處理和分析評價係統等環境間集成化程度不高，從而（ér）影響到監（jiān）測的（de）效率和數據分析。
現階段應用於隧道工程監測技術（shù）和方法正在向自動化、高精度及遠程監測的方向發（fā）展（zhǎn），常規監測方法技術趨於成熟，設備精度（dù）、設備性能都具有較高水平，但主要采用人工采集（jí）數據的方法，其監測工（gōng）作量大、效率低和監測周（zhōu）期長，無法實現實時監（jiān）測，尤（yóu）其是在運營期間，監測時間短、工作量巨大，常規監測技術的弊病更加明顯。結構變形的常規監測和監測技術的上述不足，嚴重的阻礙了人們對（duì）結構變形機（jī）理和規律的認識，影響了人（rén）們在工程災害和工程管理中的正確判斷和相關措施的實時。因此，十分需（xū）要改變（biàn）目前結構變形監測的現狀，應用新的理論和方（fāng）法，實現岩土體變形的（de）分布式監測，以（yǐ）彌補上述的不足。
分布式監測量指利用相關的監測技術（shù）獲（huò）得被測量在空間和時間上的連續分布信息，而結構變形的分布式監控就是在結構體中布（bù）設線形傳感器元件，形成一個傳感監測網絡，利用相關的調製解調技術，連續監測傳感網絡沿（yán）線（xiàn）結構體的變形信息，這些傳感網絡就像在結構體內部植入了能感知的神經網絡，當結（jié）構發生任（rèn）何變形時，監測係統就能感知它們的大小和分布狀態，從而獲得結構的變形（xíng）和發展規律。這（zhè）種監測方法的突出（chū）優點就是改（gǎi）變了傳統的點式監（jiān）測方式，彌補了（le）點式監測的不足（zú），實（shí）現（xiàn）了實時、長距（jù）離和分布式的監測目標。
隧道結構在其壽命周期內的監控狀（zhuàng）態與其沿線的工程地質、水文（wén）地質條件有著密（mì）切的關係，地（dì）質數據庫是隧道運營（yíng）管理數據庫管理係統的一個重要組成部（bù）分。
三、國（guó）內（nèi）外研究現（xiàn）狀
針對（duì）以上（shàng）介紹的隧道工程監測特點，顯然，傳（chuán）統的監測技術和方法已不能完全（quán）滿足（zú）其監測要求，需要不斷研（yán）發出新的監測（cè）技術和方（fāng）法與之適應。隨著現代電子、通（tōng）訊和計算機（jī）技術的發展，各種先進的自動遠程監測係統相繼問世，為隧道工程的全天候、自動化（huà）遠程監測創造了條件。
光纖傳感器技術是近（jìn）年來才發展起來的尖端監測技術，最初（chū）用於通訊工業，近年來在傳感器領域逐漸得到廣泛（fàn）應用。光纖傳感器具有抗電磁幹擾、防水、抗腐蝕、耐久性長等（děng）特點，傳感器體積小、重量（liàng）輕、便於鋪設安裝，將其植入監測對象中不存在匹配的問題，對監測對象（xiàng）的性（xìng）能（néng）和力學參數等影響較小（Udd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感器技（jì）術具有（準）分布式、長距離和實時性等優（yōu）點，因而已引起隧道結構監測界的廣泛重視，成為隧道結構健
康監測技術的研究重點，從點式的（de）SOFO，到準分布（bù）式的FBG，再到全（quán）分布式BOTOR的（de）多種光纖傳感技術為隧道結（jié）構健康監測提供（gòng）了（le）新一代的監（jiān）測技術。
準（zhǔn）分布式的布拉格光纖光柵（FBG）是（shì）最早出現的一（yī）種光柵，也（yě）是應用（yòng）最為普遍的光柵，目前，以FBG為傳感元件（jiàn）的光纖光柵傳感器是研發的主流，而且已經在土木工程（chéng）領（lǐng）域具有廣泛的應用，它的主要優點有：
（1）、靈敏度高，FBG的波長隨著波長、溫度呈現良好的線性關係（xì），在1550nm處其波長變化的（de）典型值為0.1nm/℃、0.3nm/100MPa、10nm/1%應變；
（2）尺寸小、易掩埋，單模光纖的典型直徑為125，已有直徑40的光纖見（jiàn）諸報道，而FBG的應用長度通常小於20nm，可以（yǐ）很容（róng）易埋入結構中而對（duì）結構沒有影響（xiǎng）；
（3）對電絕緣且（qiě）抗電磁幹擾；
（4）壽（shòu）命長，初步加速老化試驗證明，FBG在適當（dāng）的暴露環境和退火條件下工作（zuò）周期大於25年也性能沒（méi）有明顯（xiǎn）的退化；
（5）複（fù）用性好，目前，利用布拉格光纖光柵為傳感元件的光纖光柵傳感器（qì）被（bèi）用於測量工程結構的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數（shù），並（bìng）有很（hěn）多工程應用實例，例如，瑞士聯邦材料測試和（hé）研究實驗（yàn）室（2000）將FBG光纖光柵傳（chuán）感器安裝於Sargans隧道中，用於監測隧道的長期溫度和應變變化；美（měi）國海軍研究實驗室光纖隻能結構中心（xīn）（2000）研（yán）製了一種基於FBG的光纖光柵（shān）壓力傳感器，並應（yīng）用於公路的動態監測中；但是FBG仍然有（yǒu）很多問題需要解決與完善，比如說光纖光柵（shān）傳感器封裝技術，溫度/應變效應分離、動態高速測（cè）量（liàng）、光纖光柵傳感器的優化布置等。
分（fèn）布式光纖傳感器主要利用（yòng）的瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散射效應來實（shí）現的，目前主要產品有：光時（shí）域反射計（簡稱OTOR）；拉（lā）曼散射光時域反射測量儀（簡稱ROTOR）等。;布裏淵散射光時（shí）域反射測量儀（簡稱BOTOR）和布裏淵光時域分析測量儀（yí）（簡稱BOTDA）等。分布式光纖傳感器具有光纖傳（chuán）感器所固有的抗電磁（cí）幹擾、耐腐蝕（shí）、耐久性好、體積小和重量輕等優（yōu）點，尤其是BOTDR分布式（shì）光纖傳感器，屬於目前國際（jì）上最前沿的尖端技術，在隧道監測方麵與傳統（tǒng）監測技術相比具有如下優點：（1）光（guāng）纖既有傳感介質，又是傳感（gǎn）信號傳輸通（tōng）道：光纖上任（rèn）意一段既是敏感單元（yuán）又是其它敏感單元的信（xìn）息傳（chuán）輸通道，可進行空間上的連（lián）續（xù）檢測，光纖像人的神經一樣對被測（cè）對象京信感知和監（jiān）視；（2）分布式：自光纖（xiān）的一端就可以準確測（cè）出光纖沿線任一點上的應力、溫度、振動和（hé）損傷等信息，無需（xū）構（gòu）成回路，也不需要（yào）定製傳感器，秩序十分廉價的普通通訊光纖，如果將光纖縱橫交錯鋪設成網（wǎng）狀即可構成具備一（yī）定規模（mó）的監測網，實現對監測對象的全方位監測（cè），客服傳統點式監（jiān）測漏檢（jiǎn）的弊端（duān），提（tí）高測和維修加固的（de）投入，對很（hěn）多新建的隧道（dào）都做（zuò）了結構健康監測係統，可以預見（jiàn），隨著經濟水平的提高，國家（jiā）對隧洞結構健康監測的投入（rù）將（jiāng）會繼續加大。
2）過（guò）去偏低的安全科靠度麵臨新的挑戰
過（guò）去由（yóu）於經濟原因，建築的荷載取值偏（piān）低，2001新《建築結構荷載規範》頒布之前，一些荷載的標準值建國前還低，其可（kě）靠（kào）度水平低，隧洞的設（shè）計也存在同（tóng）樣的問（wèn）題，過去按偏低的設計標準設計隧道，急切需（xū）要進（jìn）行監測與加固。
3）隧道結構受力的複雜性
隨（suí）著許多（duō）計算機軟件的麵世，隧道的理論分析取得了長足的發展，但地質的複雜性難以進行模擬，導致理論分（fèn）析及實際受力存在很大的差異（yì），通過監測手段能有效的解（jiě）決理論分析的盲（máng）區。