基于分布式光纖傳感技術(shù)的地鐵隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和城市化水平的日趨提高,地鐵已經(jīng)成為我國大中型城市解決道路交通擁堵問題的一種重要手段。盾構(gòu)隧道又以其明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和對城市地面環(huán)境影響小等特點,成為城市環(huán)境下地鐵隧道的主要結(jié)構(gòu)形式。但一系列調(diào)查研究表明,隨服役年限的增加,國內(nèi)大量已投入運營的既有城市盾構(gòu)隧道出現(xiàn)不同程度的損傷和老化,需要長期全面監(jiān)測和維護(hù)。由于隧道周圍建筑活動頻繁、工作環(huán)境差、僅依靠人工觀測的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足實際監(jiān)測的需要。因而通過采用自動化

2、分布式高精度監(jiān)測技術(shù)在不中斷交通的條件下進(jìn)行實時監(jiān)測、研究測量結(jié)果與安全性的定量聯(lián)系,以此為基礎(chǔ)建立一個針對于盾構(gòu)隧道運營期監(jiān)控的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),就成為目前地鐵運營管理機(jī)構(gòu)重點關(guān)注的一個熱門研究領(lǐng)域。
　　 基于隧道的結(jié)構(gòu)特點,本文從分布式高精度光纖傳感器研發(fā)、常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)算法和損傷靜態(tài)識別算法三個方面研究入手,建立了適用于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系列計算方法,通過實驗室縮尺模型試驗給予初步驗證,研究了隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架

3、和功能,并以杭州慶春路盾構(gòu)隧道為例,對系統(tǒng)設(shè)計、實際布設(shè)中的工藝和技術(shù)難點進(jìn)行了研究,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　 (1)本文提出了一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的高精度傳感器,在不升級現(xiàn)有儀器測量精度的基礎(chǔ)上較大幅度地提高了應(yīng)變測量精度、可重復(fù)性和耐久性。試驗研究表明,當(dāng)該傳感器應(yīng)變增敏區(qū)長度達(dá)到25～cm時,傳感器即達(dá)到最佳測量精度,增敏系數(shù)為4的傳感器實測精度達(dá)到了10με,基本上滿足結(jié)構(gòu)日

4、常應(yīng)變變化監(jiān)測的要求。
　　 (2)對于隧道的收斂變形和沉降監(jiān)測,本文提出了基于平均等剛度圓環(huán)簡化模型的盾構(gòu)隧道收斂變形-應(yīng)變模型、基于彈性鉸圓環(huán)簡化模型的盾構(gòu)隧道收斂變形.應(yīng)變模型以及基于縱向等效連續(xù)化模型的盾構(gòu)隧道縱向沉降-應(yīng)變模型,并提出三種模型對應(yīng)的傳感器布設(shè)方法以及隧道尺寸等條件確定時的縱向沉降的監(jiān)測精度。
　　 (3)為了識別隧道縱向損傷,本文對Serker&wu提出的基于長標(biāo)距應(yīng)變比值的損傷靜態(tài)識別指標(biāo)進(jìn)行

5、修正,使之具備較強(qiáng)抗噪聲能力；研究基于上述修正指標(biāo)和灰色關(guān)聯(lián)度理論的損傷定位和定量算法；理論研究并建立隧道縱向單元抗彎剛度損失與縱向連接螺栓塑性發(fā)展之間的關(guān)系模型,并研究基于縱向單元應(yīng)變測量的理論監(jiān)測算法；最終提出基于分布式靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測的盾構(gòu)隧道損傷識別策略。
　　 (4)基于(1)～(3)提出的高精度傳感器和各指標(biāo)監(jiān)測算法,本文提出了基于分布式光纖傳感技術(shù)的盾構(gòu)隧道監(jiān)測系統(tǒng)及通用設(shè)計方法,研究了監(jiān)測指標(biāo)選擇、傳感器布設(shè)設(shè)計和系

6、統(tǒng)軟件設(shè)計思路中的各項關(guān)鍵技術(shù)。隨后,本文通過杭州慶春路隧道監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與施工全過程對上述系統(tǒng)設(shè)計方法與各項關(guān)鍵技術(shù)在實際隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了示例說明。
　　 (5)為了檢驗(4)所提監(jiān)測系統(tǒng)的效果,特別是(2)、(3)中各項指標(biāo)的正確性,本文首先在實驗室中設(shè)計制作了混凝土縮尺模型隧道,對其進(jìn)行橫向、縱向模擬加載并依照(4)中方法建立了分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行同步監(jiān)測,檢驗的重點是(2)提出的各種常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測算法的精度,及(3)提

7、出的結(jié)構(gòu)損傷識別算法的可靠性。試驗結(jié)果表明,基于彈性鉸圓環(huán)簡化模型得到的變形-應(yīng)變模型具有較好的監(jiān)測精度,試驗中對直徑變化的監(jiān)測誤差在15％以內(nèi),縱向縮尺模型試驗結(jié)果表明,本文提出的將結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變分布監(jiān)測和常規(guī)點式沉降監(jiān)測相結(jié)合的方法對于沉降的監(jiān)測誤差僅在10％左右,可以用于實際盾構(gòu)隧道縱向沉降全曲線的監(jiān)測,通過基于靜態(tài)長標(biāo)距應(yīng)變比值與灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的方法能夠識別所有可疑損傷單元,并可以對不同荷載下單元的損傷程度進(jìn)行定量評估。本文建立