城市地下重点设施安全状态监测技术现状及发展方向分析

2018-11-30邵彦超

科技与创新 2018年18期

邵彦超

邵彦超

（中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

随着社会经济的飞速发展，城市地下重点设施数量快速增长，其面临的潜在危害直接影响到整个城市经济社会的运行。针对新时期的城市地下重点设施安全状态监测需求，以应力应变、振弦式传感、裂缝标志监测等技术为代表的传统监测手段虽满足基本要求，但在使用中存在诸多实际问题。光纤传感技术的引入为城市地下重点设施的状态监测提供了新的途径。立足于城市地下重点设施状态监测的现状，对光纤传感的优势及未来发展方向进行了分析。

地下重点设施；状态监测；光纤传感；分布式光纤

我国城市重点地下区域设施事故造成的事故伤亡人数仅低于道路交通事故和煤矿事故，居第三位，在全国重特大事故中，土木工程领域的事故约占10%，每年因城市地下设施事故造成直接经济损失数十亿元计，这些事故不仅造成了巨大的人员伤亡和财产损失，也造成了极其恶劣的社会影响。城市重点地下区域安全事故的严峻形势已成为影响构建和谐社会的重要因素。面对城市重点地下区域设施安全事故频发的严峻形势，国内在相关生产领域积极推进城市设施安全管理体系建设，并进行了一系列的技术改造，使得城市重点地下区域设施安全事故整体监管水平有了明显的提高，但与发达国家相比依然存在较大差距，从统计数字来看，生产过程的事故率依然是发达国家的5～6倍。地下工程与地下空间建设、运维过程中事故（异常）侦测、分类、评估、修复等工作一直是国内外专家关注的重中之重。

1 地下重点设施安全状态监测的必要性

城市地下重点设施是对社会生产和居民生活以及整个城市经济社会运行起服务作用的设施，大体可以分为大型公共建筑和地下设施两部分，前者包括高层建筑、桥梁、机场、火车站、高速公路、铁路等，后者包括隧道、地下管廊、地铁等。监测城市地下重点设施安全状态的目的是及时发现潜在危害，比如沉陷、倾斜、塌方、泄漏等，保证建筑安全，从而避免人民重大生命、财产损失。建筑危险事故的发生是一个缓慢的过程，一般发端于微小的破损，比如形变、裂缝、沉降等。所以城市地下重点设施监测的目标就是针对这些微小破损，进行长期稳定观测，预测其发展变化趋势，评估潜在危险等级，及时采取适当措施修复破损。

2 地下重点设施安全状态监测传统技术方法

城市地下重点设施安全状态监测是土木工程领域的难点和热点，监测重点是建筑物形变、沉降、钢结构疲劳、裂隙产生、泄漏等问题。传统方法通过提前埋设在设施表层或内部的接触式传感器（比如应变片、应力计、加速度传感器、土压力盒、声波计、倾角仪、裂缝仪等）采集应变、应力、频率、振动等信息；通过常规大地测量仪器（比如经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等）采集位移、倾斜、挠度、沉降等信息，测定建筑变形值。国内外普遍采用的传统监测方法有以下几种。

2.1 应力传感器（应变片）法

应变片用于测量物体应力与应变，当被测部件受外力变形时，敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值会产生相应变化。该方法广泛应用于建筑物应力监测中，但需要预埋使用，更换维护比较烦琐。

2.2 振弦式传感器法

当被测量变化时，通过转换元件引起振动系统等效刚度变化，改变振弦的固有频率，形成谐振频率随被测量变化而变化的频率特性，通过测量频率的变化，即可得知被测物理量的变化。该方法稳定性好，结构简单，适用于建筑物的形变和裂缝监测，但安装使用比较烦琐。

2.3 裂缝标志监测法

通过观测标志监测裂缝变化：①石膏标志，在裂缝两端抹一层石膏，待干固后用红漆喷一层跨越裂缝两侧且垂直于裂缝的横线，如果裂缝扩张，石膏就会开裂，则可以观察红线处裂缝的宽度；②金属标志，在裂缝的两侧打孔埋设金属标志点，定期用游标卡尺量出两点间的距离变化，精确测得裂缝宽度的变化情况。对于面积较大且不便于人工测量的多裂缝，宜采用近景摄影测量方法；当需要连续观测裂缝变化情况时，还可以采用裂缝计或传感器自动测记方法。裂缝标志监测法可用于建筑地上部分监测，但无法对建筑地下部分进行监测。

2.4 超声波监测法

该方法多用于混凝土结构物变形监测和裂缝监测，可通过直接测量超声波在混凝土结构中的波速比，进而推测混凝土结构的强度及变形性能。该方法不需开挖安装，但设备成本较高，不适合作长期、持续观测。

2.5 常规大地测量仪器测量法

该方法常用于位移、挠度、倾斜、沉降观测，主要使用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值。该方法能够提供变形体整体的绝对变形信息，但布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。

2.6 听漏仪

听漏仪用于地下管线泄漏监测，包括薄膜听漏仪、电子听漏仪。仪器采用在沿管线或配件处拾取泄漏声的方法，确定泄漏地点。泄漏声受环境影响大，通常是大致确定泄漏位置，作人工精确辅助定位用。

3 地下重点设施安全状态光纤传感监测技术

传统的建筑安全监测方法成熟可靠，但存在监测设备安装复杂、维护烦琐（比如应力片、振弦式传感器）、监测成本高、不易实现自动化监测等问题。近年来，为弥补传统监测方法的不足，国内外建筑监测的研究重点都转向分布式光纤传感器。与传统的传感器相比，光纤传感器具有一系列优点：耐腐蚀、耐久性好；体积小、质量轻、结构简单，埋入建筑工程结构中对基体材料几乎没有影响；能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；信号可多路传输，便于与计算机连接，易于实现分布式测量；单位长度上信号衰减小、传输距离很长；灵敏度与精度高，频带宽，信噪比高等。所以，自1989年美国布朗大学的Mendez等人首次将光纤传感器埋入混凝土结构中进行安全监测后，美国、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术应用于建筑工程研究中，取得了很好的成果。现在光纤传感技术在建筑工程中已经广泛应用。

光纤传感器一般分为强度调制光纤传感器、干涉型光纤传感器、布拉格光栅传感器和分布式光纤传感器。

3.1 强度调制光纤传感器

强度调制光纤传感器是通过监测由待测量引起的光强变化实现对被测量的测量。在建筑工程中，由于其粗放式特点，常用基于微弯的光模式强度调制传感器，可以制作温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。其优点是简单、可靠、经济。

3.2 干涉型光纤传感器

干涉型光纤传感器通过干涉监测技术测得由被测量引起的光波相位变化来测得待测量，其最大的优点是灵敏度高，适用于局部测量。常用的传感器为马赫-泽德（Mach-Znhnder）干涉型光纤传感器、麦克尔逊（Michelson）光纤干涉仪和法布里-珀罗（Fabry-Perot）应变传感器（FPI）。

3.3 布拉格光栅传感器

布拉格（Bragg）光栅（FBG）传感器是在一根光纤的纤面刻出一个光栅，通过应变与衍射条纹的变化之间的关系得到这一微小区域的应变值。在光纤的长度上可分布一系列不同波长的光栅，从而可以获得多个点的测量信息，因而FBG传感器可进行准分布式测量。

3.4 分布式光纤传感器

分布式光纤传感器是将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术去感知光纤传输路径上待测场的空间分布和随时间变化的信息。由于它探测的是场的分布，比点测量更有意义。为此，国内外非常重视这项技术，并取得了很大的进展。分布式光纤传感器广泛应用于建筑物的应力监测、强度测量、裂缝监测、腐蚀监测中。Fuhr和Huston等在美国佛蒙特州Winooski河上的一个大坝中埋入10个多模光纤传感器并用OTDR技术来监测大坝的压应力。Hendriek等将单模光纤埋入混凝土和土壤的飞行跑道上，监测其应力分布。美国多伦多大学Measure等人在建于1993年Calgurg市的世界首座预应力碳纤维高速公路桥上埋入Bragg光栅传感器，并对其内部的应力变化状况进行了监测。Wolff和Miesselert在一座53 m长的桥梁上将光纤传感器埋入桥面内，测量了延伸率和拉应力。光纤延伸率的测量揭示了桥梁内温度和蠕变的影响因素。美国Vermont大学的Huston和Fuhr等人在该校的一栋6 000 m2大楼的建造过程中埋入光纤传感器，用来监测结构的安全状况。他们还在一些人行天桥、州际公路桥、铁路桥及大坝中埋入光纤传感器，监测其应力应变、结构振动、结构损伤程度、裂纹的发生与发展等内部状态，取得了较好的测试效果。

在国内，这项新技术也被应用于许多重要工程中。上海紫珊公司将光纤光栅传感器成功应用于上海卢浦大桥；香港理工大学的研究人员将设计和建立的光纤光栅传感网络用于香港青马大桥；三峡工程中也使用了分布式光纤传感器来监测裂缝和大体积混凝土的温度。另外，在古洞口面板堆石坝和重庆鱼跳电站混凝土面板堆石坝中均应用了分布式光纤传感器监测坝体裂缝。

城市地下重点设施安全状态监测中，分布式光纤的应用应考虑典型光纤信号的特性分析与特征提取，通过选取的高重要性变量建立识别模型，进而支撑区域设施状态的评估工作，力求满足实际需求，使得对城市重点地下区域设施状态的识别与评估更加准确，保证地下区域的安全生产。