邵彥超

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城市地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向分析

邵彥超

（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市地下重點(diǎn)設(shè)施數(shù)量快速增長(zhǎng)，其面臨的潛在危害直接影響到整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的運(yùn)行。針對(duì)新時(shí)期的城市地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，以應(yīng)力應(yīng)變、振弦式傳感、裂縫標(biāo)志監(jiān)測(cè)等技術(shù)為代表的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段雖滿足基本要求，但在使用中存在諸多實(shí)際問題。光纖傳感技術(shù)的引入為城市地下重點(diǎn)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。立足于城市地下重點(diǎn)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，對(duì)光纖傳感的優(yōu)勢(shì)及未來發(fā)展方向進(jìn)行了分析。

地下重點(diǎn)設(shè)施；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；光纖傳感；分布式光纖

我國(guó)城市重點(diǎn)地下區(qū)域設(shè)施事故造成的事故傷亡人數(shù)僅低于道路交通事故和煤礦事故，居第三位，在全國(guó)重特大事故中，土木工程領(lǐng)域的事故約占10%，每年因城市地下設(shè)施事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元計(jì)，這些事故不僅造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，也造成了極其惡劣的社會(huì)影響。城市重點(diǎn)地下區(qū)域安全事故的嚴(yán)峻形勢(shì)已成為影響構(gòu)建和諧社會(huì)的重要因素。面對(duì)城市重點(diǎn)地下區(qū)域設(shè)施安全事故頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)，國(guó)內(nèi)在相關(guān)生產(chǎn)領(lǐng)域積極推進(jìn)城市設(shè)施安全管理體系建設(shè)，并進(jìn)行了一系列的技術(shù)改造，使得城市重點(diǎn)地下區(qū)域設(shè)施安全事故整體監(jiān)管水平有了明顯的提高，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依然存在較大差距，從統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看，生產(chǎn)過程的事故率依然是發(fā)達(dá)國(guó)家的5～6倍。地下工程與地下空間建設(shè)、運(yùn)維過程中事故（異常）偵測(cè)、分類、評(píng)估、修復(fù)等工作一直是國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注的重中之重。

1 地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性

城市地下重點(diǎn)設(shè)施是對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和居民生活以及整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行起服務(wù)作用的設(shè)施，大體可以分為大型公共建筑和地下設(shè)施兩部分，前者包括高層建筑、橋梁、機(jī)場(chǎng)、火車站、高速公路、鐵路等，后者包括隧道、地下管廊、地鐵等。監(jiān)測(cè)城市地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危害，比如沉陷、傾斜、塌方、泄漏等，保證建筑安全，從而避免人民重大生命、財(cái)產(chǎn)損失。建筑危險(xiǎn)事故的發(fā)生是一個(gè)緩慢的過程，一般發(fā)端于微小的破損，比如形變、裂縫、沉降等。所以城市地下重點(diǎn)設(shè)施監(jiān)測(cè)的目標(biāo)就是針對(duì)這些微小破損，進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)，預(yù)測(cè)其發(fā)展變化趨勢(shì)，評(píng)估潛在危險(xiǎn)等級(jí)，及時(shí)采取適當(dāng)措施修復(fù)破損。

2 地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)技術(shù)方法

城市地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)是土木工程領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是建筑物形變、沉降、鋼結(jié)構(gòu)疲勞、裂隙產(chǎn)生、泄漏等問題。傳統(tǒng)方法通過提前埋設(shè)在設(shè)施表層或內(nèi)部的接觸式傳感器（比如應(yīng)變片、應(yīng)力計(jì)、加速度傳感器、土壓力盒、聲波計(jì)、傾角儀、裂縫儀等）采集應(yīng)變、應(yīng)力、頻率、振動(dòng)等信息；通過常規(guī)大地測(cè)量?jī)x器（比如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等）采集位移、傾斜、撓度、沉降等信息，測(cè)定建筑變形值。國(guó)內(nèi)外普遍采用的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法有以下幾種。

2.1 應(yīng)力傳感器（應(yīng)變片）法

應(yīng)變片用于測(cè)量物體應(yīng)力與應(yīng)變，當(dāng)被測(cè)部件受外力變形時(shí)，敏感柵隨之變形，敏感柵的電阻值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。該方法廣泛應(yīng)用于建筑物應(yīng)力監(jiān)測(cè)中，但需要預(yù)埋使用，更換維護(hù)比較煩瑣。

2.2 振弦式傳感器法

當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，通過轉(zhuǎn)換元件引起振動(dòng)系統(tǒng)等效剛度變化，改變振弦的固有頻率，形成諧振頻率隨被測(cè)量變化而變化的頻率特性，通過測(cè)量頻率的變化，即可得知被測(cè)物理量的變化。該方法穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于建筑物的形變和裂縫監(jiān)測(cè)，但安裝使用比較煩瑣。

2.3 裂縫標(biāo)志監(jiān)測(cè)法

通過觀測(cè)標(biāo)志監(jiān)測(cè)裂縫變化：①石膏標(biāo)志，在裂縫兩端抹一層石膏，待干固后用紅漆噴一層跨越裂縫兩側(cè)且垂直于裂縫的橫線，如果裂縫擴(kuò)張，石膏就會(huì)開裂，則可以觀察紅線處裂縫的寬度；②金屬標(biāo)志，在裂縫的兩側(cè)打孔埋設(shè)金屬標(biāo)志點(diǎn)，定期用游標(biāo)卡尺量出兩點(diǎn)間的距離變化，精確測(cè)得裂縫寬度的變化情況。對(duì)于面積較大且不便于人工測(cè)量的多裂縫，宜采用近景攝影測(cè)量方法；當(dāng)需要連續(xù)觀測(cè)裂縫變化情況時(shí)，還可以采用裂縫計(jì)或傳感器自動(dòng)測(cè)記方法。裂縫標(biāo)志監(jiān)測(cè)法可用于建筑地上部分監(jiān)測(cè)，但無法對(duì)建筑地下部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.4 超聲波監(jiān)測(cè)法

該方法多用于混凝土結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測(cè)和裂縫監(jiān)測(cè)，可通過直接測(cè)量超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的波速比，進(jìn)而推測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形性能。該方法不需開挖安裝，但設(shè)備成本較高，不適合作長(zhǎng)期、持續(xù)觀測(cè)。

2.5 常規(guī)大地測(cè)量?jī)x器測(cè)量法

該方法常用于位移、撓度、傾斜、沉降觀測(cè)，主要使用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)定點(diǎn)的變形值。該方法能夠提供變形體整體的絕對(duì)變形信息，但布點(diǎn)受地形條件影響，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.6 聽漏儀

聽漏儀用于地下管線泄漏監(jiān)測(cè)，包括薄膜聽漏儀、電子聽漏儀。儀器采用在沿管線或配件處拾取泄漏聲的方法，確定泄漏地點(diǎn)。泄漏聲受環(huán)境影響大，通常是大致確定泄漏位置，作人工精確輔助定位用。

3 地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的建筑安全監(jiān)測(cè)方法成熟可靠，但存在監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝復(fù)雜、維護(hù)煩瑣（比如應(yīng)力片、振弦式傳感器）、監(jiān)測(cè)成本高、不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等問題。近年來，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，國(guó)內(nèi)外建筑監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)都轉(zhuǎn)向分布式光纖傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕、耐久性好；體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，埋入建筑工程結(jié)構(gòu)中對(duì)基體材料幾乎沒有影響；能避免電磁場(chǎng)的干擾，電絕緣性好；信號(hào)可多路傳輸，便于與計(jì)算機(jī)連接，易于實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量；單位長(zhǎng)度上信號(hào)衰減小、傳輸距離很長(zhǎng)；靈敏度與精度高，頻帶寬，信噪比高等。所以，自1989年美國(guó)布朗大學(xué)的Mendez等人首次將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)后，美國(guó)、日本等國(guó)家的一些學(xué)者開始將這一高新技術(shù)應(yīng)用于建筑工程研究中，取得了很好的成果。現(xiàn)在光纖傳感技術(shù)在建筑工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器一般分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、干涉型光纖傳感器、布拉格光柵傳感器和分布式光纖傳感器。

3.1 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器

強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器是通過監(jiān)測(cè)由待測(cè)量引起的光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。在建筑工程中，由于其粗放式特點(diǎn)，常用基于微彎的光模式強(qiáng)度調(diào)制傳感器，可以制作溫度、壓力、振動(dòng)、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)。

3.2 干涉型光纖傳感器

干涉型光纖傳感器通過干涉監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)得由被測(cè)量引起的光波相位變化來測(cè)得待測(cè)量，其最大的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，適用于局部測(cè)量。常用的傳感器為馬赫-澤德（Mach-Znhnder）干涉型光纖傳感器、麥克爾遜（Michelson）光纖干涉儀和法布里-珀羅（Fabry-Perot）應(yīng)變傳感器（FPI）。

3.3 布拉格光柵傳感器

布拉格（Bragg）光柵（FBG）傳感器是在一根光纖的纖面刻出一個(gè)光柵，通過應(yīng)變與衍射條紋的變化之間的關(guān)系得到這一微小區(qū)域的應(yīng)變值。在光纖的長(zhǎng)度上可分布一系列不同波長(zhǎng)的光柵，從而可以獲得多個(gè)點(diǎn)的測(cè)量信息，因而FBG傳感器可進(jìn)行準(zhǔn)分布式測(cè)量。

3.4 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器是將傳感光纖沿場(chǎng)分布，并采用獨(dú)特的探測(cè)技術(shù)去感知光纖傳輸路徑上待測(cè)場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間變化的信息。由于它探測(cè)的是場(chǎng)的分布，比點(diǎn)測(cè)量更有意義。為此，國(guó)內(nèi)外非常重視這項(xiàng)技術(shù)，并取得了很大的進(jìn)展。分布式光纖傳感器廣泛應(yīng)用于建筑物的應(yīng)力監(jiān)測(cè)、強(qiáng)度測(cè)量、裂縫監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)中。Fuhr和Huston等在美國(guó)佛蒙特州Winooski河上的一個(gè)大壩中埋入10個(gè)多模光纖傳感器并用OTDR技術(shù)來監(jiān)測(cè)大壩的壓應(yīng)力。Hendriek等將單模光纖埋入混凝土和土壤的飛行跑道上，監(jiān)測(cè)其應(yīng)力分布。美國(guó)多倫多大學(xué)Measure等人在建于1993年Calgurg市的世界首座預(yù)應(yīng)力碳纖維高速公路橋上埋入Bragg光柵傳感器，并對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)力變化狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。Wolff和Miesselert在一座53 m長(zhǎng)的橋梁上將光纖傳感器埋入橋面內(nèi)，測(cè)量了延伸率和拉應(yīng)力。光纖延伸率的測(cè)量揭示了橋梁內(nèi)溫度和蠕變的影響因素。美國(guó)Vermont大學(xué)的Huston和Fuhr等人在該校的一棟6 000 m2大樓的建造過程中埋入光纖傳感器，用來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀況。他們還在一些人行天橋、州際公路橋、鐵路橋及大壩中埋入光纖傳感器，監(jiān)測(cè)其應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)損傷程度、裂紋的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)，取得了較好的測(cè)試效果。

在國(guó)內(nèi)，這項(xiàng)新技術(shù)也被應(yīng)用于許多重要工程中。上海紫珊公司將光纖光柵傳感器成功應(yīng)用于上海盧浦大橋；香港理工大學(xué)的研究人員將設(shè)計(jì)和建立的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)用于香港青馬大橋；三峽工程中也使用了分布式光纖傳感器來監(jiān)測(cè)裂縫和大體積混凝土的溫度。另外，在古洞口面板堆石壩和重慶魚跳電站混凝土面板堆石壩中均應(yīng)用了分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)壩體裂縫。

城市地下重點(diǎn)設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，分布式光纖的應(yīng)用應(yīng)考慮典型光纖信號(hào)的特性分析與特征提取，通過選取的高重要性變量建立識(shí)別模型，進(jìn)而支撐區(qū)域設(shè)施狀態(tài)的評(píng)估工作，力求滿足實(shí)際需求，使得對(duì)城市重點(diǎn)地下區(qū)域設(shè)施狀態(tài)的識(shí)別與評(píng)估更加準(zhǔn)確，保證地下區(qū)域的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)行的建筑監(jiān)測(cè)方法多是從建筑物內(nèi)部、地面進(jìn)行觀測(cè)，而從地下觀測(cè)建筑物狀態(tài)是建筑觀測(cè)的一個(gè)全新視角。但地下觀測(cè)方法處于發(fā)展階段，雖然有一些方法見諸文獻(xiàn)，但還未成熟，尚未在土木工程行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

［1］張錦龍，王擁軍，田鳳，等.光纖傳感的后起之秀——分布式傳感［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，9（2）：174-178.

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2095－6835（2018）18－0016－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.016

〔編輯：劉曉芳〕