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

1、隨著我國(guó)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(guó)大中型城市解決道路交通擁堵問(wèn)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(shì)和對(duì)城市地面環(huán)境影響小等特點(diǎn),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(guó)內(nèi)大量已投入運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)期全面監(jiān)測(cè)和維護(hù)。由于隧道周圍建筑活動(dòng)頻繁、工作環(huán)境差、僅依靠人工觀測(cè)的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的需要。因而通過(guò)采用自動(dòng)化

2、分布式高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)在不中斷交通的條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、研究測(cè)量結(jié)果與安全性的定量聯(lián)系,以此為基礎(chǔ)建立一個(gè)針對(duì)于盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期監(jiān)控的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),就成為目前地鐵運(yùn)營(yíng)管理機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。
　　 基于隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文從分布式高精度光纖傳感器研發(fā)、常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)算法和損傷靜態(tài)識(shí)別算法三個(gè)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(cè)系列計(jì)算方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室縮尺模型試驗(yàn)給予初步驗(yàn)證,研究了隧道健康監(jiān)測(cè)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際布設(shè)中的工藝和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)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(jí)現(xiàn)有儀器測(cè)量精度的基礎(chǔ)上較大幅度地提高了應(yīng)變測(cè)量精度、可重復(fù)性和耐久性。試驗(yàn)研究表明,當(dāng)該傳感器應(yīng)變?cè)雒魠^(qū)長(zhǎng)度達(dá)到25～cm時(shí),傳感器即達(dá)到最佳測(cè)量精度,增敏系數(shù)為4的傳感器實(shí)測(cè)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(cè)的要求。
　　 (2)對(duì)于隧道的收斂變形和沉降監(jiān)測(cè),本文提出了基于平均等剛度圓環(huán)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的傳感器布設(shè)方法以及隧道尺寸等條件確定時(shí)的縱向沉降的監(jiān)測(cè)精度。
　　 (3)為了識(shí)別隧道縱向損傷,本文對(duì)Serker&wu提出的基于長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變比值的損傷靜態(tài)識(shí)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(cè)量的理論監(jiān)測(cè)算法；最終提出基于分布式靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的盾構(gòu)隧道損傷識(shí)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(cè)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(cè)系統(tǒng)及通用設(shè)計(jì)方法,研究了監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇、傳感器布設(shè)設(shè)計(jì)和系

6、統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨后,本文通過(guò)杭州慶春路隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工全過(guò)程對(duì)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)際隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了示例說(shuō)明。
　　 (5)為了檢驗(yàn)(4)所提監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效果,特別是(2)、(3)中各項(xiàng)指標(biāo)的正確性,本文首先在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)制作了混凝土縮尺模型隧道,對(duì)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè),檢驗(yàn)的重點(diǎn)是(2)提出的各種常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測(cè)算法的精度,及(3)提

7、出的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于彈性鉸圓環(huán)簡(jiǎn)化模型得到的變形-應(yīng)變模型具有較好的監(jiān)測(cè)精度,試驗(yàn)中對(duì)直徑變化的監(jiān)測(cè)誤差在15％以內(nèi),縱向縮尺模型試驗(yàn)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(cè)和常規(guī)點(diǎn)式沉降監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)于沉降的監(jiān)測(cè)誤差僅在10％左右,可以用于實(shí)際盾構(gòu)隧道縱向沉降全曲線的監(jiān)測(cè),通過(guò)基于靜態(tài)長(zhǎng)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(shí)別所有可疑損傷單元,并可以對(duì)不同荷載下單元的損傷程度進(jìn)行定量評(píng)估。本文建立