基于BOTDR和光纤网格结构的隧道形变测量监控.doc

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1、.引言截至2008年底，我国公路总里程达373.02万公里，其中高等级公路里程达到39.97万公里，而在山岳地带修建高等级公路，公路隧道是不可避免的。在我国已建成的373.02万公里的公路中，就有公路隧道5426处、318.64万延米，其中长隧道743处、122.62万延米，特长隧道120处、52.57万延米。而隧道施工过程和使用过程中的实时检测监控，一直是一项公认的难题。因此，一些隧道的安全形势不容乐观，诸如在施工过程中会出现坍塌、突水、涌砂现象以及隧道建成后出现渗漏甚至危险变形等工程质量和安全问题，

2、如不能及时发现并解决这些问题，将极有可能发生如下这些事故：2006年7月10日晚，美国东北部城市波士顿的一处主要交通隧道发生水泥板坠落事故，造成1人死亡，当地交通受到严重影响。2007年11月20日上午8时40分许，湖北省宜万铁路巴东段高阳寨隧道进口处发生岩崩，32人遇难，318国道被迫中断。2008月10日，加沙地带南部发生地下隧道坍塌事故，造成6名巴勒斯坦人死亡。2009年5月12日6时30分许，位于湖北宜昌的三峡翻坝高速公路一隧道施工现场发生冒顶坍塌事故，导致一名工人当场死亡，一名工人受轻伤。……

3、通过以上案例我们可以发现，隧道工程建设中的质量和安全问题不仅严重影响工程的完成进度和完成质量，更时刻威胁着施工人员和隧道受用者的人身安全。因此，为了避免悲剧的发生，全面提高隧道工程质量，加强施工期间隧道的形变监控极为必要。一般来说，隧道形变监测的作用为：1.掌握隧道围岩在开挖过程中的变化趋势。2.掌握支护结构的适应性、性能状况及支护施工速度。3.了解施工条件及施工速度对隧道围岩变形的影响。4.预测各类灾害与施工险情。5.确保施工安全和隧道结构稳定，在掌握监测信息的基础上，确定对原有设计是否进行调整的量值

4、等级，完成监控信息反馈与控制，科学评判隧道整体的稳定性。....1.调整开挖及支护参数，修改施工设计，保证施工顺利进行，同时优化设计与施工，为后续工程提供技术依据。传统的监控措施存在着很多问题，远远没有满足安全需求。以往的定点测量，隧道的周围环境和力学参数往往是非常复杂的，存在较大的风险误区。而且是一次测量，边建设边挪动测试工具，使用起来费时费力且不能进行整体实时测量和长时监控。而我们提出的基于BOTDR（BrillouinOpticalTime-DomainReflectometer布里渊散射光时域反

5、射计）和光纤网格结构的隧道形变监测装置则很好地解决了这个问题。BOTDR是近些年研究出来的一项用于光通讯和各类构筑物应变监测的光纤技术。区别于常规的监测技术，它具有分布式、长距离、实时性、精度高、抗干扰和耐久性长等诸多优点。我们首先设计一种光纤网状结构，如同给隧道穿上一层外衣，每一个网格就是一个面压力探测器；之后利用基于布里渊散射的BOTDR技术，分析光时域反射信号，将每一个节点处的信息都呈现在时空域内。一旦隧道结构体的表层有应力变化，监控系统都能第一时间监测到其准确位置和应力大小，从而达到对隧道形变进

6、行实时监控，提前防范事故的发生，提高工程质量的目的。近年来，一些发达国家，如美国、日本、瑞士、加拿大和法国等国都在竞相开展这项技术的理论和应用研究，并在各类大型基础工程设施的应变监测中进行了成功应用。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。其中南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧

7、道等工程的实际监测中。而且在实际应用中可以发现，利用光纤制作出的无源传感器阵列，具有灵敏度高，质量轻，抗外界干扰能力强的优点。因此我们有理由相信，这是一套有着较高开发价值和应用价值的应变监测系统。....1BOTDR简介1.1光纤传感技术简介光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，由前香港中文大学校长高锟发明。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使

8、用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤一般被用作长距离的信息传递。光纤传感技术是20世纪70年代后期发展起来的一种新技术，已在航空、航天等领域中得到广泛地应用。近十几年，光纤传感技术已逐步地应用于岩土工程和土木工程等领域，而且发展迅速。与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，光纤传感器具有如下优点[1]：1.光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防