1. 健康監測（cè）的目的意義和必要性

隧道安全關係著人類生命安全和社會經濟活（huó）動，由於（yú）隧道地質條件惡化、火災、結構損傷、退化和失穩等（děng）造成的事故，嚴（yán）重威脅著隧道的正常運營。隧道施工的安全問題引起了人們的密切關注，主要表現（xiàn）在以下方麵：

1）隧洞開挖的進口（kǒu）段（duàn）：由於隧洞都是淺埋隧洞，且都存在邊坡，導致該（gāi）段圍岩兩麵臨（lín）空，加上爆破的影響導（dǎo）致圍岩的自穩能（néng）力下降，支護結構受力存在一定的不確定性。

2）構造帶：由於圍岩受構造影響，節理裂隙發育，無規律性，圍（wéi）岩的自穩性能極差，圍岩多呈鬆散結構（gòu），斷層帶的影（yǐng）響寬度不確定，加之水的影響，使得該段產生冒頂及垮塌的可能性加大。

3）淺埋段：潛埋（mái）段隧道（dào）圍岩，在碳酸岩地層受水（shuǐ）體溶蝕（shí）的影響較大，加之圍岩頂板較薄，出現冒頂的現象可能性加大，加（jiā）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（dì）段很難查清岩溶（róng）的發育規模（mó）及範圍，在開（kāi）挖及支護過程（chéng）中增加了不確（què）定因素。

5）地層走向不利地段：由於岩層的走向及傾角對圍岩的自穩性能影響較大（如水平岩層）。

6）含軟弱夾層圍（wéi）岩（yán）：由於夾（jiá）軟弱夾層的圍岩，多會出現冒頂（dǐng）及垮（kuǎ）塌（tā）現象。

7）水影響段：由於水體（tǐ）的存在，多會對層間結構麵的力學指標有較大的不利影響，加之施工過程中對水體通道的改變產生（shēng）的（de）淘蝕作用（yòng），使得圍岩的自穩（wěn）性能惡化。

8）軟岩段（圍岩級別）：岩體自穩能力（lì）差，圍岩開挖暴露後崩解，遇水容軟化。

9）含水層與相對隔水層交界處，而產生（shēng）突湧（yǒng）泥現象。

由於有以上不良地質情況的存在增加了隧洞在施工期間及運營（yíng）期間安全隱患。

為了確保（bǎo）隧道工（gōng）程安全（quán）、及時（shí）預報險情，除了對隧道進（jìn）行加固、維護之外，對隧道工程（chéng）的安全和穩（wěn）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行監測、評估和預測以趨利避害，已經成為現代隧道工（gōng）程發展的迫切要求。此外，隨著人們對工程施（shī）工過（guò）程和現役工程長期監測的重要性認識的不斷深入，以及國家相關工（gōng）程安全（quán）法規的實施，隧道工程監測得（dé）到了迅（xùn）速發展（zhǎn），成為隧道工程的一個重要研究課題。

2.隧道現階段監測手段的（de）弊端

隧道工（gōng）程監測一（yī）直是世界岩（yán）土工程界的難題，也是研究的（de）熱點，應用的理（lǐ）論和技術也多種多樣。理想的隧道工程監測係統應具有以下特征：能及時處理監（jiān）測數據，分析監測信息，隨時掌握隧道的穩（wěn）定狀況，對可能出現的險（xiǎn）情及時進行預警；為隧道結構健康狀態的正確分（fèn）析評價、預測預報及治理維護提供可靠的基礎性數據，為決策部門製定相（xiàng）應的（de）防災減災對策提供科學依據；監測結果也是檢驗隧道設計參數、工程（chéng）質量及治理工程效果的有（yǒu）效尺度，同時為進行有關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（zài）保（bǎo）證人力成本最低的前提下，對新建和（hé）已建（jiàn）的（de）結構物進行測量、探傷和評估（gū）（Wu Z S，2003）。隧道結構健康監測的（de）關鍵（jiàn）內（nèi）容之一就（jiù）是數據采集。當前（qián）所需要的是一個能夠從運營結構中采集數據的有效方法，並對數（shù）據進行處理和分析，做出穩（wěn）定性、可靠性等方麵（miàn）的評價（Zong Z H等，2002）。由於結構健康監測在大型基（jī）礎工程中的廣闊應用前景，各國都已經在積極開展該項技術的應用研究。在世（shì）界各國政府的支持和研究機構（gòu）的努力下，結構健康檢（jiǎn）測正逐漸成熟起來，並在航空航（háng）天、橋梁（liáng）和（hé）建築物等各領域取得（dé）了階（jiē）段性的成功，部分成果已經應用在了工程實踐當中（Whelan M P 等，2002）。

相比而言，結構健康監測在隧道領域的發展（zhǎn），則（zé）明顯（xiǎn）滯後於橋梁等領域，這主要是隧道結（jié）構和岩土（tǔ）工程條件的複雜性和監測上的難度等因素（sù）造成的。隧道工（gōng）程一般規模較大，屬於線狀工程，長達幾公裏到數十公裏，往往穿越許多不（bú）同的（de）環境空域和時域，工程（chéng）條件常常比較複雜，有時環境十分惡劣，因此要準確、快（kuài）速（sù）、長距離、實時和（hé）大範圍獲得結構（gòu）體的變形數據和變化規律並非易事，有賴於監測係統的（de）先進性和功能，有賴於先進理論和方法的指（zhǐ）導。目前對於工程質量和安全監測主要是通過對岩土和結構的應力（lì）、應變和溫度等物（wù）理指（zhǐ）標（biāo）監（jiān）測來實現的（de），其中尤（yóu）以岩土（tǔ）體和（hé）結構的變形監測最為重要，因為（wéi）變形是結構體在內外動力作用和人類工程活動作（zuò）用下的一種基本表現形式，是（shì）結構體在受內外作用後的外在綜合反映，是分析（xī）結構（gòu）體狀態和（hé）安（ān）全的基本（běn）物理量。

隧（suì）道結構健康監測主要集中在結構的位移、應變和沉降三個方麵，常規的檢測和監（jiān）測技術和方法存在以（yǐ）下局限性（xìng）：（1）均為點式的（de）:點式的檢測方法布點常帶有隨意性，最危（wēi）險的地方常可能被漏檢，存在監（jiān）測盲區；增加監測（cè）點數，雖然提高了結果的可靠（kào）性，但工（gōng）作量和設備成本大為增加，考慮到經濟和效率等因（yīn）素，實際工程或研究項目（mù）中也不可能無限（xiàn）布設各種檢測探頭或傳感器；（2）工程環境差異性大：傳統技術監測（cè）速度慢、效率（lǜ）低，需要專門的操作人（rén）員，而隧道工程條（tiáo）件常（cháng）常比較複雜（zá），傳感器對溫度、濕度、電（diàn）磁場和其它環境因素敏感（gǎn），常因傳感器和儀器設備受潮、生鏽而失效，其運作和維修成本高。因此，十分需要一種對環境因素影響小（xiǎo）、耐久性和長期穩定性好的遠（yuǎn）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（shù）而不是監測技術，多為靜態單點檢（jiǎn）測，有些檢（jiǎn）測技術具有多通道的檢測功能，但通（tōng）道（dào）數是十分有限的，無法滿足實際結構（gòu）變（biàn）形的實時、並行和自動監測的（de）要求。而隧道工程往往需（xū）要實時動態和自動監測，如地鐵運（yùn）營期間的隧道（dào）變形監測等；（4）缺少長距離和大麵積的監測技術：隧道工程長達數公裏到（dào）數十公裏，對這鍾長距（jù）離和大麵積的監測對象，傳統點式的檢測（cè）和監測技術和方法一般（bān）無能為力；（5）監測係統的集成化程度（dù）不高：各種檢測和監測技術自成體係、彼此獨立，現場監測、數據處（chù）理和分析（xī）評價係統等環節間集成化程度不高，從而影（yǐng）響到（dào）監測的效率和數據分析。

現階段應用於隧（suì）道工程監測技術和方法正在向自動化、高精度及（jí）遠程監（jiān）測的方向發展。常規監測方法技術趨於成熟，設（shè）備精度、設備性能都具有較高水（shuǐ）平，但主要采用（yòng）人工采集數據（jù）的（de）方（fāng）法，其監測工作量大、效（xiào）率低和監（jiān）測周期長，無法實現實時監測，尤其是在運（yùn）營期間，監測時間（jiān）短、工作量巨大，常（cháng）規監測（cè）技（jì）術的弊端更加明顯。結構變形的常規（guī）檢測和（hé）監測技術的上（shàng）述不足，嚴重地阻（zǔ）礙了人們對結構變形機（jī）理（lǐ）和規律的（de）認識，影響了人們在工程災害防治和工程管理中的正確判斷和相關措施的實施。因（yīn）此，十分（fèn）需要改變目前（qián）結構（gòu）變形監測的現狀，應用新的（de）理論和方法，實現岩土（tǔ）體變形的分布式監測，以彌（mí）補上述（shù）的不足。

分布式監測是指利用相關（guān）的（de）監測（cè）技術獲（huò）得被測量在空間（jiān）和時間上（shàng）的連續分布（bù）信息。而結構變形的分布式監測就是在結構體（tǐ）中（zhōng）布設線形傳感（gǎn）元件，形成一個（gè）傳感監測網絡，利用相關的調製解調技（jì）術，連續監測傳感網絡沿線結構體的變形信息，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，當結構發（fā）生任何變（biàn）形時（shí），監（jiān）測（cè）係統就能感知它們（men）的（de）大小和分（fèn）布狀況，從而獲得結構（gòu）的變形和發展規律。這種監測方（fāng）法的突出優點就是改變了傳統的點式監測方式（shì），彌補了點式監測（cè）的不足，實（shí）現了實時、長距離（lí）和分布式的監測目標。

隧道結（jié）構在其壽命期內的健康狀況與其沿線的工程地質（zhì）、水文地（dì）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（lǐ）係統的（de）一個重要組成部份（fèn）。

3. 國內外研究現狀

針對（duì）以上介（jiè）紹的隧道工程監測特點，顯然，傳統的監（jiān）測技（jì）術和方法已不能完全滿足其監測（cè）要求，需要不斷（duàn）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、通訊和計算機技術的發展，各種先（xiān）進的自動遠程監（jiān）測係統（tǒng）相（xiàng）繼問世，為隧道工程的全天候、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的尖端監測（cè）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、耐久性長等特點，傳感器體（tǐ）積小（xiǎo）、重量輕，便於鋪設安裝，將其植入（rù）監測對象（xiàng）中不存在匹配的問題，對監測對象的（de）性能和力學參數（shù）等影響（xiǎng）較小（Udd E，1995；Ansari F，2003）。光纖傳感技術具有（準）分布式、長距離和實時性等優點，因而已引（yǐn）起隧（suì）道結構監測界的廣泛重（chóng）視，成為隧道結構健康監測技術的研究重點。從點式的SOFO，到準分布式的FBG，再到全分布（bù）式BOTDR的多種光纖傳感技術為隧道結構健康監測（cè）提供了新一代的監測技術。

準分布式的布（bù）拉格光纖光柵（FBG）是最早（zǎo）出現的一種光柵，也是應用最為普遍的光柵。目前，以（yǐ）FBG為傳感元件的（de）光纖光柵傳感器是研發的主流（liú），且已經在土木工程（chéng）領域具有廣泛的（de）應用。它的主要優點（diǎn）有：

（1）、靈敏度高。FBG的（de）波長隨（suí）著波長、溫度呈現（xiàn）良好的（de）線性關係。在（zài）1550nm處其波（bō）長變化的典型值（zhí）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（xiān）見諸報道（dào），而FBG的應（yīng）用長度通常小於20mm，可意很容易埋入結構中而對結構沒有影響；

（3）、對電絕緣且抗電磁幹擾；

（4）壽（shòu）命長。初步加（jiā）速老化試驗證明，FBG在適當的暴露環境和退火條件下工作周期大於25年也性能沒有（yǒu）明顯的退（tuì）化。

（5）、複用性（xìng）好。目前，利用（yòng）布拉格光纖光柵為傳（chuán）感元件的光纖光柵傳感器（qì）被用於測量工程結（jié）構的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數，並有很多工程（chéng）應用實例，例如，瑞士聯邦材料測試和研究實驗室（2000）將FBG光纖（xiān）光柵傳感器安裝（zhuāng）與Sargans隧（suì）道中，用於監測隧道的長期溫度和應（yīng）變變（biàn）化；美國海軍研究實驗室光纖智能結構中心（2000）研製了一種基於FBG的光纖光柵壓力傳感器，並應用於公路的動態監測中；但是，FBG仍然有很多問題需要解決與完善，比如說光纖光柵傳感器封裝技術、溫度/應變效（xiào）應分離（lí）、動態高速測量、光纖光柵傳感器的優化（huà）布置等。

分布式光纖（xiān）傳感主要利用光的瑞利散射、拉曼散射（shè）和布裏淵（yuān）散射效應來實現的，目前主要產品有：光（guāng）時域反射計（簡稱OTDR）；拉曼散射（shè）光時域反射測量儀（簡稱ROTDR）；布裏淵散射光（guāng）時（shí）域反射測量儀（簡稱BOTDR）和布裏淵（yuān）光時域（yù）分析測量儀（簡稱BOTDA）等。分布式光纖傳感器具有光纖傳感器所固有的抗電磁幹擾、耐腐蝕、耐久性好、體積小（xiǎo）和重量輕等優點，尤其是BOTDR分布式光纖傳感（gǎn）技術，屬於目前國際上最前沿的尖端技術，在隧道監（jiān）測方麵與傳統監測技術相比具有如下優點：（1）光纖（xiān）既是傳感介質，又是傳感（gǎn）信號傳（chuán）輸通道：光纖上任（rèn）意一（yī）段既是敏感單元（yuán）又是其（qí）它敏感單元的信息傳輸通（tōng）道，可進行空間上的連續檢測，光纖像人的神經一樣對被測對象進行感知和監視；（2）分布式：自光纖的一端就可以準確測出光纖沿線任（rèn）一點上的應（yīng）力（lì）、溫度、振動和損傷等信息，無需構成回路（lù），也不需要定製傳感器，隻需十分廉價（jià）的（de）普通通訊光纖，如果將光纖縱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，克服傳統點式監測漏檢的（de）弊端，提高監測成功率；（3）長（zhǎng）距離：現代的大型隧道結構工程通常長達數公裏到數十公裏，要通過傳統的（de）監測技術實現全方位的監測是相當困難的，而通（tōng）過鋪設（shè）傳感光纖，光（guāng）纖既作（zuò）為傳感體又作為傳（chuán）輸（shū）體就（jiù）可以實現長距離（目前可達80公裏）、全方位監測和實時連續控測；（4）耐久（jiǔ）性：傳統的工程（chéng）監測一般采用電測式監測技術，傳感器易受潮濕失效，不能適應一些大型工程長期（qī）監測的需要。光纖（xiān）的主要材料是石（shí）英玻璃，與金屬傳感器相比具有更大的耐久性；（5）抗幹（gàn）擾。光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等幹擾，況且（qiě）電磁幹擾噪聲的頻率與光（guāng）頻相比（bǐ）很低（dī），對光波無幹擾。此（cǐ）外（wài），光波易於（yú）屏蔽，外界光的幹擾也很難進入光纖；（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，便於安裝埋設（shè）。因此，研究、開發和應用基於BOTDR的隧道工（gōng）程分布式監測技術具有重要意（yì）義。

分布式光纖傳感監測（cè）技術的上述優點，可以彌補目前在（zài）隧道工（gōng）程中常用的檢測和監測技術存在的（de）不足，是新一代檢測和監（jiān）測技術的發展方（fāng）向。由於分布式光纖傳感監測技（jì）術的諸多優點，因此它已成為（wéi）國際上一些（xiē）主要發達國家如（rú）日（rì）本、瑞士、加拿（ná）大、美國、法國、英國等國的研發熱點和重大（dà）研（yán）究課題，研發工（gōng）作的重（chóng）點主要集（jí）中分布式光（guāng）纖傳感技術的性能改善和應用（yòng）技術的研發。

近年來，光纖傳感技術在隧道工程的研（yán）究和應用逐漸增（zēng）多：Ishii H等對分布式溫度監測係統在隧（suì）道火災探測中應用的幾個相關問題進行分析和探討（tǎo）；Shiba K等應用BOTDR分布式光纖傳感技術采（cǎi）用新奧法（fǎ）施工的鐵（tiě）路隧道（dào）的噴射混（hún）凝土、支撐內力進行監測，傳感光（guāng）纖（xiān）的監（jiān）測結果與傳統傳感器相比，在精確度方麵能夠滿足要求，在預測應力分布方麵具有一定（dìng）的優越性（xìng）。丁勇等介紹了光纖結（jié）構（gòu）監測（SOFO）、布拉格光纖光柵（FBG）和分布式光纖傳感器（BOTDR）等3種光纖（xiān）傳（chuán）感技術的基本（běn）原理、功能及其在隧道結構健康（kāng）監測（cè）係統中的作用，並應用BOTDR分布式應（yīng）變測（cè）量技術，對隧道拱圈截麵變形進行了分布式應（yīng）變監測；日本NTT公司開發了基於BOTDR的共同溝隧道（dào）監測係統，通過應變測量對日本名古屋的共同溝隧道進行損傷探（tàn）測，10 km範圍內其變形測（cè）量（liàng）誤差僅為0.1 mm，並通過室內試驗對共（gòng）同溝隧道監測係統的可（kě）靠性（xìng）、抗震性和測量精度進行了驗證。

4. 隧道結構健康監測的前景

隨著經濟（jì）的發展，人們對結構安全的重視，特別是大型隧道類（lèi）大型公共建築的安全性，引起了政府部門的高（gāo）度重視，隧道結構的健康監測將具有良好的市場前景。下麵是從三（sān）個方麵說（shuō）明結構健（jiàn）康（kāng）監測的應（yīng）用前景。

1）政府對（duì）隧道結構的安全性日益重（chóng）視

隧（suì）道垮塌（tā）事故的頻發，引起了政府部（bù）門的高度重視，國家逐漸加大了對隧道結構安全檢測與維修加固（gù）的投入。對（duì）很（hěn）多新建的隧道都做了（le）結構健康監測係（xì）統，可以預（yù）見，隨著（zhe）經濟水平的提高，國家對隧洞掃構健康監測的投入將會（huì）繼續加（jiā）大。

2）過去偏低的安全（quán）可靠度麵臨新的挑戰

過（guò）去由於經濟原因，建築的荷載取值（zhí）偏低。2001新《建（jiàn）築結構荷載（zǎi）規範》頒布之前，一些荷載的標準值（zhí）比（bǐ）建國前還低，其可靠（kào）度水平很低。隧洞的設計也存在同樣的問題，過去按（àn）偏低的設計標準設計的隧道，急切（qiē）需要進行監測與加固。

3）隧道結構受力的複雜性

隨著許多（duō）計算軟（ruǎn）件的麵市，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，導致理論分析及實際受力存在很大的差異，通過監測手段能有效的解決理論分（fèn）析的盲區。