1. 健康監測的目的意義和必要（yào）性

隧道安全關係著人類（lèi）生命安全（quán）和社會經濟活動，由於隧道地質條件惡化、火災、結構損傷、退化和失穩等造成的事故（gù），嚴重威脅著隧道的正常運營。隧道施（shī）工的安全問題（tí）引起了（le）人們的密（mì）切關注，主要表現在以（yǐ）下方麵：

1）隧洞開挖的進口段（duàn）：由於隧洞都是（shì）淺埋（mái）隧（suì）洞，且都存在邊（biān）坡，導致該段圍岩兩麵臨（lín）空，加上爆破的影響導致圍岩（yán）的自穩能力下降，支護結構受力存在一定的不確定性。

2）構（gòu）造帶（dài）：由於（yú）圍岩受構造影響，節理裂隙發育，無規律性，圍岩的自穩性能極（jí）差，圍岩多呈（chéng）鬆散結構，斷層帶的影響寬（kuān）度不確（què）定（dìng），加之水的影響，使得該（gāi）段（duàn）產生冒頂及垮塌（tā）的可能性加大。

3）淺埋段：潛埋段隧道圍岩，在碳酸岩地層受水體溶蝕的影響較大，加之圍岩頂板較薄，出現冒頂的現象可能性加大，加大了開挖（wā）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岩溶的（de）發育規模及範圍，在開挖及支（zhī）護過程中增加了不確（què）定因素。

5）地層走向不利地段：由於岩層的走向（xiàng）及傾角對圍岩的自穩性（xìng）能影響較大（如水平（píng）岩（yán）層）。

6）含軟弱夾層（céng）圍岩：由於夾軟弱夾層（céng）的圍岩，多會出現冒頂及垮塌現象。

7）水（shuǐ）影響段：由於水（shuǐ）體的存在，多會（huì）對層（céng）間（jiān）結構麵的（de）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的淘蝕作用，使得圍岩的自穩性能（néng）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（huà）。

9）含水層與相對隔水層（céng）交界處，而產（chǎn）生突湧泥現象。

由於（yú）有以上不良地質情況的存在增加了隧洞（dòng）在施工（gōng）期間及運營期（qī）間安全隱患。

為了確保（bǎo）隧道工程安全、及時預報險情，除了對隧道進行加固、維護（hù）之外，對隧道工程的安全和穩定狀態的監測和評（píng）估也十分重要。建立（lì）監測係統對隧（suì）道工程進（jìn）行監測、評估和預測以趨利避害，已經成為現代隧道工程發展的迫切要（yào）求（qiú）。此外，隨著人們對工程（chéng）施工過程和現役工程長期監測的重要性（xìng）認（rèn）識的不斷深（shēn）入，以及國家相關工（gōng）程安全法規的實施，隧道工程（chéng）監測得到了迅速發展，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弊端

隧道工程監測一直是世界岩土工程界的難題，也是研究的熱點，應（yīng）用的理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（chù）理監測數據，分析監測信息，隨時掌握隧道的穩定狀（zhuàng）況（kuàng），對（duì）可能出（chū）現的險情及時進行預警；為隧道結構健康狀態的正確分析（xī）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（zhì）定相應的防災減災對策提供科學依據；監測（cè）結果也是檢驗（yàn）隧道設計參數、工程質量及治理工程（chéng）效果的有效（xiào）尺度，同時為進行有關的反分析和數值計算提供參數（shù）等。

隧道結構（gòu）健康監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（jiàn）的結構物進行測量（liàng）、探傷和評（píng）估（Wu Z S，2003）。隧道結構健康監（jiān）測的關鍵內容之一就是數據采集。當前所需（xū）要的是一個能夠從運營結構中采集數（shù）據的有效方法，並對數據（jù）進行處（chù）理和分析，做出穩定性、可靠性等方麵（miàn）的評價（Zong Z H等，2002）。由於結（jié）構健康監測在（zài）大型基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（shù）的應用研究。在世界各國政府的支持和研究機構的努力下，結構健康檢測正逐漸（jiàn）成熟起來，並在航空航天、橋梁和（hé）建築物等各領域取得了階段性的成功，部（bù）分成果已經應用在了工程實踐當中（zhōng）（Whelan M P 等（děng），2002）。

相比而言，結構健（jiàn）康監（jiān）測在隧道（dào）領域（yù）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條件的複雜性（xìng）和監測（cè）上的難度等因（yīn）素造成的。隧道工（gōng）程一（yī）般規模較大，屬於線狀工程，長（zhǎng）達幾公（gōng）裏到數十公裏，往往穿越許多（duō）不同的環境空域和時域，工程條（tiáo）件（jiàn）常常比較複（fù）雜，有時環境十（shí）分惡劣，因此要準確、快速（sù）、長距離、實時（shí）和大範圍（wéi）獲得結構體的變形數據和變化規律並非易事，有賴（lài）於監測係統（tǒng）的先進性和功能，有賴於（yú）先進理論（lùn）和方法的（de）指導。目前對於工程質量（liàng）和安全監測主要是（shì）通過對岩土和結構的應力、應變和溫度等物理指標監測來實現的，其中尤以岩土體和結構（gòu）的變形（xíng）監（jiān）測最為重要，因為（wéi）變形是結構體（tǐ）在內外動力作（zuò）用和人類工程活動作用下（xià）的一種基本表現（xiàn）形式（shì），是（shì）結構體（tǐ）在受內外作（zuò）用後（hòu）的外在綜合（hé）反映，是分析結構體狀態和（hé）安全的基本物理量。

隧道結構健康監（jiān）測（cè）主要集中在結構的位移、應變和沉降三個方麵，常規的檢測和監測（cè）技（jì）術（shù）和方法存在（zài）以下局限性：（1）均（jun1）為點式的:點式的檢測方法布點常帶有隨意（yì）性，最危險的（de）地方常可能被漏檢，存在監測盲區；增加監測點數，雖然提高了結果的可靠性，但工（gōng）作量和設（shè）備成本（běn）大（dà）為增加，考慮（lǜ）到經濟和效（xiào）率等因素（sù），實際工程或研究項目中也不可能無（wú）限布設各種檢測探頭（tóu）或傳感器；（2）工程環境差異性大：傳統技術監測速度慢、效率低，需要專門的操作人員，而隧道工（gōng）程條件常常比較複雜，傳感器對溫度、濕度、電磁場和其它環境因素敏（mǐn）感（gǎn），常因（yīn）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（huán）境因素影響小、耐久性和長期穩定性（xìng）好的遠程監測技術；（3）實時、並行和自動化監測程度不高：目前常用的檢（jiǎn）測（cè）和監測技術實際上多為檢測技（jì）術而不（bú）是監測技術，多為靜態單點檢（jiǎn）測，有些（xiē）檢測技術具有多通道的檢測功能，但通道數是十分（fèn）有限的，無法滿足實（shí）際結構（gòu）變（biàn）形的實時、並行和自動監測的要求。而隧道（dào）工程往往需要實時動態和自（zì）動監測，如地鐵運營期（qī）間的隧（suì）道變形監（jiān）測等；（4）缺少長（zhǎng）距離和大麵積的監（jiān）測技（jì）術：隧道工程長（zhǎng）達數公裏到數十公裏，對這鍾長距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（fǎ）一般無能為力；（5）監測係統的集成化程度不高：各種檢測和監測（cè）技術（shù）自（zì）成體係、彼此獨立，現場監測、數據處理和（hé）分析評價係統等環（huán）節間集成化程度不高，從而影響到監測的效率和數據分析。

現（xiàn）階段應用（yòng）於隧道工程監測技術和方法正在（zài）向自動（dòng）化、高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（dōu）具有較高水平，但主要采用（yòng）人工采集數（shù）據（jù）的方法，其（qí）監測工作量（liàng）大（dà）、效率低和監測周期長，無法實現實時監測，尤其是在運營期間，監測時間（jiān）短、工作量巨（jù）大，常（cháng）規監測技術的弊端更加明顯。結構變形的常規檢測和（hé）監測技術的上述不足，嚴（yán）重地阻礙了人們對結（jié）構變形機理和規律的認識，影響了人們（men）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（shī）。因此，十（shí）分需要改變（biàn）目前結構變形監測的現狀，應用新的理論和方法，實現（xiàn）岩土體變形的分布式監測，以彌補上述的不足。

分布（bù）式監測是指利用相關的監測技術獲得被測量在空間和時間上的連續分布信息。而結構變形的（de）分布（bù）式監測（cè）就是在結構體中布設線（xiàn）形傳感元件，形成一個傳感（gǎn）監測網絡，利用相關的調製解調技術，連續監測傳感網絡（luò）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（jié）構發生任何變形時，監測係統就能感知它們的大小和分布狀況，從而獲得結（jié）構的變形和（hé）發展規律。這種（zhǒng）監測方法的（de）突出優點就是改變了傳統的點式監測（cè）方式，彌補了點式監（jiān）測的不足，實（shí）現了實時、長距（jù）離和分布式的監測目標。

隧道結構在其（qí）壽命（mìng）期內的健康狀況與其沿線的工程地質（zhì）、水文地質條件有著密切的關係，地質（zhì）數據（jù）庫是隧道運營（yíng）管理（lǐ）數據庫管理係統的一個重要組成部份。

3. 國內外研究現（xiàn）狀

針（zhēn）對以上介紹的（de）隧道工程監測特點，顯然，傳統的監（jiān）測技術和方法已不能完全滿足其監測要求，需要不斷研發（fā）出新的監測技術和方法與之適應。隨著（zhe）現代電子、通訊和計算機技術的發展，各種先進的自（zì）動（dòng）遠程監測係統相繼問世，為（wéi）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（shù）是近年來才發展起來的尖端監測技術，最初用於通訊（xùn）工業，近年來在傳感領域逐漸得（dé）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，傳感器體積小、重量（liàng）輕，便於鋪設安裝，將其植入監（jiān）測（cè）對象中不存（cún）在（zài）匹配的問題，對監測對（duì）象的性能和力學參數等影響較小（Udd
E，1995；Ansari
F，2003）。光纖傳感技術具（jù）有（準）分布式（shì）、長距離和實時性（xìng）等優點，因而已引（yǐn）起隧道結構監測界的廣泛重視，成為隧道結構健（jiàn）康監測技術的（de）研究重點。從點式（shì）的SOFO，到準（zhǔn）分布式（shì）的FBG，再（zài）到全分布（bù）式BOTDR的多種光纖（xiān）傳感技（jì）術為隧道結構健康監測提供了新一代的監（jiān）測（cè）技術。

準分布式的布拉格光纖光柵（FBG）是最早出現的一種（zhǒng）光柵，也是應用最為普遍的光柵。目前，以FBG為傳（chuán）感元件的光纖光柵傳感器是研發的主流，且（qiě）已經在土木工程領域具有廣泛的應（yīng）用（yòng）。它的主要優點有：

（1）、靈敏度（dù）高。FBG的（de）波長隨著（zhe）波（bō）長、溫度呈現良好的線性關係。在1550nm處其波長變化的典型值為0.1nm/℃、0.3nm/100MPa、10nm/1%應變。

（2）、尺寸小（xiǎo），易掩埋。單模光纖的典型直徑為125 ,已有直徑40
的光纖見諸報（bào）道，而FBG的應用長度通常小於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）壽命長。初（chū）步加速老化試驗證明，FBG在（zài）適當（dāng）的暴露環境和退火條件下工作周期大於25年也（yě）性能（néng）沒有明顯的退化。

（5）、複（fù）用性好。目前，利用布拉格光纖光柵為傳感元（yuán）件的光纖光柵傳感器被用於（yú）測量工程結構的應變、溫度、位（wèi）移（yí）、沉降、壓力等重要參數，並有很多工程應用實例，例如，瑞士聯（lián）邦材料測試和（hé）研究實驗室（2000）將FBG光纖光柵（shān）傳感器安（ān）裝與Sargans隧道中，用於監測隧道的長期溫（wēn）度和應變變化；美國（guó）海軍研究實（shí）驗室光纖（xiān）智（zhì）能結構中心（2000）研製了一種基於FBG的光纖光（guāng）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（rú）說光纖光柵傳感器（qì）封（fēng）裝技術、溫度/應變效應（yīng）分離（lí）、動態高速測量、光纖光柵（shān）傳感（gǎn）器的優化布置等。

分布式光纖傳感主要利（lì）用（yòng）光的瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散（sàn）射效應來實現（xiàn）的（de），目前主要（yào）產（chǎn）品有：光時域反射（shè）計（簡稱OTDR）；拉曼散射光時域反射測量儀（簡（jiǎn）稱ROTDR）；布裏淵散射光時域反射測量儀（簡稱BOTDR）和布（bù）裏淵光（guāng）時域分析測量儀（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幹擾、耐腐蝕、耐久性好（hǎo）、體積小和（hé）重量輕等優點，尤其是BOTDR分布式光纖傳感技術，屬於（yú）目（mù）前國際上最前沿的尖端技術，在隧道（dào）監測方麵與（yǔ）傳統監測技（jì）術相比具有如下（xià）優點：（1）光纖既是（shì）傳感介質，又是傳感信（xìn）號傳輸通道：光纖上任意一段既是敏感單元又是其（qí）它敏感單元的信息傳輸通道，可進行空間上的連續檢測，光纖像人的神經一樣對被測對（duì）象進（jìn）行感知和監（jiān）視；（2）分布（bù）式：自光纖的一端就可以準確測出光纖沿線任（rèn）一點上的應力、溫度（dù）、振（zhèn）動和損傷等信（xìn）息，無需構成回路，也不（bú）需要定製傳（chuán）感器，隻需十分廉（lián）價的普通通（tōng）訊光纖，如果將光纖縱橫交（jiāo）錯（cuò）鋪設成（chéng）網狀（zhuàng）即可構成具備一定規模的監測（cè）網，實現對監測對象的全方位監測，克服傳（chuán）統點式（shì）監測漏（lòu）檢的弊端，提高（gāo）監測成功率；（3）長距離：現代的（de）大型隧道結構（gòu）工程通常長達數公裏到數十公裏，要（yào）通過傳統的監測技（jì）術實現（xiàn）全方位的監（jiān）測是相（xiàng）當困難的，而通過鋪設傳感光纖，光纖既作為傳感體又作為傳輸（shū）體就可以實現長距離（目前（qián）可達（dá）80公裏）、全方（fāng）位監測和實（shí）時（shí）連續控測；（4）耐久性：傳統的工程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監測的需要。光纖的主要材料（liào）是石英（yīng）玻璃，與金屬傳感器相（xiàng）比具有更大（dà）的耐久性；（5）抗幹擾。光纖是非金屬、絕緣材料，避免（miǎn）了電磁、雷電等幹擾，況且電磁幹擾噪（zào）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，外界光的幹擾也很難進入光纖；（6）輕（qīng）細柔韌。光纖的這一特（tè）性，使它在埋入構築（zhù）物的過程中，避免了匹（pǐ）配（pèi）的問題，便於安裝埋設。因此，研究（jiū）、開發和應用基於BOTDR的隧道工程分布式監測技術具有（yǒu）重要意義。

分（fèn）布式（shì）光纖傳感監測技術的上述（shù）優（yōu）點，可以彌補目前在隧道工程中（zhōng）常用的檢測和監測（cè）技術存在（zài）的不足（zú），是新一代檢測和監測技（jì）術的發展方向。由於分布式光纖傳感監測技（jì）術的（de）諸多優點，因此它已成為國際（jì）上一些主要發達國家如日本、瑞士、加拿大、美國、法國、英國等國的研（yán）發熱點和重大（dà）研究課題，研發（fā）工作的重（chóng）點主要集（jí）中分布式光纖傳感技術的性能改善和應用技（jì）術的（de）研發。

近年來，光纖傳感技術在隧道工程的研究和應用逐漸增多（duō）：Ishii H等對分（fèn）布式溫度監測係統在隧道（dào）火災探測中（zhōng）應用的幾個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道的（de）噴射混凝土、支撐內（nèi）力（lì）進行監測，傳感光（guāng）纖的監測結果與傳統傳感器（qì）相比，在精確度方麵能夠滿足要求，在預測（cè）應力（lì）分布（bù）方麵（miàn）具有一定的優越性。丁勇等介紹了光纖結構監測（SOFO）、布拉格光纖光柵（FBG）和分布式光纖（xiān）傳感器（BOTDR）等3種光纖傳感技術的基本原理、功能及其在隧道結構健康監測係統（tǒng）中的作用，並應用BOTDR分布式應變（biàn）測量技術，對隧道拱圈截麵變形進行了分布（bù）式應變監測；日本NTT公司開發了基於BOTDR的共同溝（gōu）隧道監（jiān）測係統，通過應（yīng）變測量對日本名古屋的共同溝隧道進行損傷探測，10
km範圍內其變形測量誤差僅為0.1 mm，並通過室（shì）內試驗對共同溝隧道監測係統的（de）可（kě）靠性、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（jǐng）

隨著（zhe）經濟的發展，人們對結構安全的重視，特別是大型隧道（dào）類大型公共（gòng）建築的安全性，引起了政府部門的高度重視，隧道（dào）結（jié）構的健康監測將具有良（liáng）好的市場前景。下麵是從三個方（fāng）麵說明結（jié）構健（jiàn）康監測的（de）應用前景。

1）政府對（duì）隧道結構的安全性日益重視

隧道垮塌事故的（de）頻發，引起了政府部（bù）門的高度重視，國（guó）家逐（zhú）漸加大了對（duì）隧（suì）道結構安全檢測與維修加固的投入。對（duì）很（hěn）多新建的隧道都（dōu）做了結構健（jiàn）康監測係統，可（kě）以（yǐ）預見（jiàn），隨（suí）著經（jīng）濟水平的提高，國家對隧洞（dòng）掃構健康監測（cè）的（de）投入將會繼續加大。

2）過去偏低的安全可靠度麵臨新的挑戰

過去由於（yú）經濟原因，建築（zhù）的（de）荷載取值偏低。2001新《建築結構荷載（zǎi）規範》頒布之前，一些荷載的標準值比建國前（qián）還低，其可靠度水（shuǐ）平很低。隧洞的設計也存在同樣的問題，過去按偏低的設計（jì）標準設計的隧道，急切需要進行監測與加固。

3）隧道結構受力的複（fù）雜性

隨著許（xǔ）多計算軟件的麵市，隧道的理論分析取得了（le）長足的發展，但地質的複雜性難（nán）以進行模擬，導致理論分析及實際受力存在（zài）很大的（de）差異，通過監測手段能（néng）有效的解決理論分析的盲區。