劉軍

（江蘇燕寧工程科技集團(tuán)有限公司）

1 引言

城市地下管道綜合走廊，簡(jiǎn)稱為“綜合管廊”或“共同溝”，是指將設(shè)置在地面、地下或架空的各類公用類管線集中容納于一體，并留有供檢修人員行走通道的隧道結(jié)構(gòu)。即在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將市政的電力、通訊、燃?xì)狻⒔o排水、污水等各種管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理，徹底改變以往各種管道獨(dú)自建設(shè)與管理，同時(shí)改善了城市地面環(huán)境和有效利用城市地下空間。

由于綜合管廊通常設(shè)計(jì)成線狀，在建設(shè)過(guò)程中常采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑或預(yù)制拼裝進(jìn)行施工，但都留有變形縫或施工縫。管廊變形縫處通常為結(jié)構(gòu)體薄弱位置，在環(huán)境荷載作用下可能會(huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、不均勻沉降、位移等諸多問(wèn)題[1]。這些問(wèn)題不但會(huì)嚴(yán)重削弱混凝土管廊的使用性和耐久性，還會(huì)對(duì)管廊內(nèi)的管線造成破壞。因此需要對(duì)混凝土管廊進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，確保其安全。通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)體上布設(shè)光纖光柵位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變計(jì)[2]、溫度計(jì)[3]等無(wú)源傳感器實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)體的幾何參數(shù)，經(jīng)大數(shù)據(jù)分析和處理，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時(shí)，可及時(shí)預(yù)警。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵的本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長(zhǎng)度一般只有10mm左右。其作用相當(dāng)于一個(gè)有選擇性的光譜反射鏡，最主要的功能是將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長(zhǎng)的光部分或全部反射[4]。光柵反射波長(zhǎng)為，其中，λB是被反射的波長(zhǎng)，是光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵周期。

當(dāng)光纖光柵周圍應(yīng)力和溫度變化會(huì)引起折射率和柵距的變化，導(dǎo)致 FBG 波長(zhǎng)λB的移位[5]，滿足線性關(guān)系式：

式中 ：?λB為 FBG 波長(zhǎng)變化量，α為光纖光柵熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖光柵熱光系數(shù)，?T為溫度變化，Pe為光纖光柵光彈系數(shù)，?為光纖光柵軸向應(yīng)變。

圖1 FBG傳感原理圖

其中特別當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率產(chǎn)生變化，進(jìn)而使光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)漂移?λB，通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)λB的變化情況，即可獲得測(cè)點(diǎn)上光纖光柵周圍溫度的變化狀況。在不受應(yīng)變的情況下，光纖光柵波長(zhǎng)漂移?λB與溫度的關(guān)系為：

式中：α為光纖熱膨脹系數(shù)，一般為0.55×10-6/℃；ξ為光纖光柵熱光系數(shù)，常溫下約6.3×10-6/℃；?T為溫度變化幅度。圖2給出了光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的變化與環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及安裝方法

在綜合管廊結(jié)構(gòu)體薄弱位置分別布置光纖光柵位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。其中，位移計(jì)和溫度計(jì)安裝在相鄰位置處、水準(zhǔn)儀和應(yīng)變計(jì)安裝在相鄰位置處；光纖光柵位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)均安裝在結(jié)構(gòu)體同一側(cè)以方便集成和保護(hù)，沉降計(jì)和位移計(jì)數(shù)量是應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)的倍加；另外光纖光柵位移計(jì)分為縱向和橫向兩種，傳感器布置在同一監(jiān)測(cè)斷面并上下錯(cuò)開(kāi)安裝，橫向位移計(jì)安裝在縱向位移計(jì)上方。

3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖3所示，根據(jù)功能可劃分為三個(gè)子系統(tǒng)：

1）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

通過(guò)各種光纖光柵無(wú)源傳感器完成結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程傳輸及存儲(chǔ)功能。為其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源，滿足數(shù)據(jù)處理、評(píng)估、決策的需要。

2）結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)警、損傷診斷及極限評(píng)估功能，并提供各種結(jié)構(gòu)評(píng)估的報(bào)告、提供報(bào)告查詢、顯示及下載功能。

3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

是結(jié)構(gòu)體巡檢數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理，提供數(shù)據(jù)維護(hù)、查詢及報(bào)表打印等功能，并提供遠(yuǎn)程在線形式，提供數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)以及各種評(píng)估報(bào)告和決策建議等業(yè)務(wù)，系統(tǒng)用戶界面采用Web GIS的顯示形式，綜合使用各種圖表顯示數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于光纖光柵無(wú)源傳感技術(shù)構(gòu)成的城市綜合管廊分析與預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)密切結(jié)合綜合管廊的管養(yǎng)要求，將傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)識(shí)別、處理、分析，對(duì)結(jié)構(gòu)體安全異常狀態(tài)做出及時(shí)診斷并找出其根源，及早發(fā)現(xiàn)災(zāi)難性破壞的隱患。該系統(tǒng)同時(shí)具備數(shù)據(jù)分析、安全評(píng)估及狀態(tài)評(píng)估等功能，其中，數(shù)據(jù)分析為預(yù)警和評(píng)估的基礎(chǔ)。預(yù)警是系統(tǒng)功能的第一層次，其目標(biāo)是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的信息進(jìn)行自動(dòng)處理和統(tǒng)計(jì)分析，快速掌握結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生異常或具有異常征兆時(shí)及時(shí)告警。評(píng)估則是系統(tǒng)功能的第二層次，在預(yù)警后或定期綜合利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合分析工具對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行全面評(píng)估[6]。該系統(tǒng)具體功能如下：

①通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析各種閾值隨時(shí)間、外荷載等變化的規(guī)律，對(duì)有限元模型進(jìn)一步修正，通過(guò)大量的有限元變參數(shù)分析，確定結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的各種閾值和指標(biāo)值。

②對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、對(duì)比分析、相關(guān)相干分析、模型分析、數(shù)據(jù)挖掘和特征提取等工作。

③綜合各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行判斷和分級(jí)預(yù)警，并對(duì)告警情況進(jìn)行記錄。結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)預(yù)警后，分析評(píng)判結(jié)構(gòu)體工作性能，得到結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估報(bào)告，并給出管養(yǎng)建議。

④發(fā)生告警后通過(guò)郵件、短信、微信等方式通知管理方。

圖2 光纖光柵波長(zhǎng)與溫度的示意圖

圖3 系統(tǒng)功能構(gòu)成