基于分布式光纤应变感知的铁路重点线路（区段）隧道监测设计

一、隧道监测系统设计

1、隧道监测要求

隧道安全与健康将直接关系着人们的生命和财产安全。近年来，由于隧道地质条件的恶化造成的隧道渗漏和结构裂缝已经严重威胁着隧道安全与健康。与此同时，随着铁路交通隧道的迅速发展，由于行车速度和密度加大，火车在隧道中的故障及货物的点燃和自燃，铁路轨道故障及电缆温度过高、隧道衬砌结构损坏等原因，造成各类隧道安全事故时有发生，带来巨大的经济损失。因此，采取有效的监测手段，及时发现隧道的渗漏和裂缝出现部位，以及预测预报隧道火灾的发生或掌握隧道火灾中的温度分布规律等，已成为一项具有深远意义的工作。

隧道健康监测是项新兴的监测技术，即利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。隧道的健康监测目的是要通过隧道结构状况以及其他工作状况的监测，为运营期结构状况的评估、运营现状以及工程服务寿命的预测提供大量监测数据。为实现这样的功能，隧道健康监测系统需要从以下几个方面对隧遂道进行监测∶

（1）隧道结构侵蚀监测；

（2）隧道结构监测，包括变形、收敛、内力、接缝监测；

（3）底层监测，包括土压力、水压力监测；

（4）隧道内火灾事故的实时监测等；

通过对隧道进行健康监测，要达到以下几个目的∶

（1）认识不同工况下，隧道结构、地层及相邻环境的变化及发展规律，以便有针对性的改进施工工艺、调整施工参数;

（2）建立预警制度，实现实时或准实时地整体结构监测，及时发现隧道监测断面乃至整体可能存在的损伤和质量退化，保证结构安全;

（3）预测隧道未来的工作状态，对发现的隧道异常进行初步分析，并提供经济合理的维护建议;

（4）可以合理地进行交通管理，保证人民生命财产安全，在出现事故隐患的情况下，及时采取预警、维保等措施。

隧道监测指标要求：

（1）隧道结构绝对沉降量及水平位移量≤5mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）；

（2）隧道纵向变形曲线的曲率半径 R≥30000m；

（3）隧道的相对变曲≤1/5000，施工因素而引起的隧道外壁附加荷载≤10kPa（≤1t/m²）；

（4）由于打桩振动、爆炸产生的震动隧道引起的峰值速度≤1.20cm/s（对连续性的震动控制指标应按50%甚至更为严格控制）。

2、监测原理

【1】分布式光纤传感器的光散射原理：

激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，光纤材料的密度、折射率等光学性质存在微观的不均匀性，导致光在光纤中传输时激光光子和光纤分子的相互作用发生散射现象：

瑞利（RayLeigh）散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；

拉曼（Raman）散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差13.2太赫兹(THz)左右；

布里渊（Brillouin）散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差10吉赫兹（GHz）左右；

【2】定位

分布式光纤传感器的定位技术采用OTDR技术。光学时域反射技术（OTDR）最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端（也就是光脉冲的注入端），由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。

L≈(C*t)/(2*n)

其中，C是光在真空中的速度，t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间，n是光纤折射率，L是光纤发生散射点到光纤入射端的距离。

【3】分布式光纤测应变及温变

布里渊散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光（比光源波长长的光）和反斯托克斯(AntiStokes)光（比光源波长短的光），通过测试斯托克斯和反斯托克斯的确认强度差异，一般斯托克斯光在幅度上会比反斯托克斯光强，因此，选择比较强的斯托克斯作为监测对象，监测散射回波频率变化（频移），实现对沿光纤温度场的分布式测量。

布里渊散射光的频率偏离于入射光，偏离的频率差称为布里渊频移。当环境温度变化或光纤产生形变时，会影响光纤中的声速和光的折射率，从而使布里渊频移大小发生变化。布里渊频移变化量与光纤的温度变化和轴向应变成线性关系，关系如下：

其中，分别为光纤布里渊频移的温度和应变系数。对应应变和温度变化。

通过光电信号处理技术，得到布里渊散射信号的频率信息。根据频率信息，得到光纤的温度和应变的变化信息。由于该频率对温度和应变同时敏感，项目中往往同时布置对小应变不敏感的温度光缆和预先加入应力的应变光缆。最后，通过光纤传感的信息能够得到光纤所处环境或结构体的温度变化和结构变形。

3、产品组成及功能

应变温变监测系统组成如下图所示。主要包括探测传感光缆及主机、监控服务几部分组成。

（1）温度和应变传感：能够对光纤所处环境或结构体的温度变化或结构体变形进行持续的监测。

（2）断纤告警：能够在秒级别内识别断纤。

（3）三方联动：支持本机监测，或者通过SOCKET / MQTT等多种方式将数据传输至用户服务器，便于与用户多种监测技术的融合。

二、隧道监测系统应用设计

1、设备选型

分布式光纤传感主机：

系统主机利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤布里渊散射效应（Brillouin scattering）和光时域反射测量技术（OTDR）来获取空间温度分布信息。其中光纤布里渊散射效应（Brillouin scattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（OTDR）用于实现温度定位。在无需供电条件下最多能够获得单向100公里（双向200公里）的光纤温度和应变传感信息，通过光纤传感的信息能够反映出光纤所处环境或结构体的温度变化或结构变形。

分布式光纤传感主机支持多通道接入（即多个传感光缆接入），具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压、抗电磁辐射、测量范围广、定位精度高、高灵敏度、远程监控、安装简便、长寿命等诸多优点和特点。特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。

传感光缆：

【1】工程应用中所采用的碳纤维布封装应变传感光缆，用于隧道衬砌表面，采用两条单模光纤（一条在用、一条备用冗余设计）外包碳纤维布封装，搭配分布式布里渊光纤传感解反射仪使用，可测得光纤、不易折断可采用胶粘的方式固定在被测物表面，与被测物紧密贴合、变形协调性好防腐、绝缘、耐低温，适用于隧道监测环境钢结构体、水泥结构体表面应变监测。沿线应变分布。优点是布设简单，不会对结构体造成损伤，碳纤维布可以对光纤进行很好的保护，可抵御低强度的冲击富有弹性、较柔软易弯曲。

【2】工程应用中所采用铠装应变光缆，通过多股钢绞线层绕保护光纤，搭配分布式布里渊光纤传感解调仪使用，可测得光纤沿线的应变分布。基于金属基索状结构，多股高强度的钢绞线的加入，极大的加强了光缆的机械强度和抗压强度富有弹性、较柔软易弯曲、不易折断，可以抵御包括混凝土浇筑过程中的冲击在内的各种恶劣工况，可采用直埋的方式固定在混凝土内部或敷设钢架、混凝土表面，监测内外部应力变化广泛适用于土木工程结构应变分布监测。

【3】层绞式振动传感光缆，工程应用中所采用层绞式振动传感光缆采用聚乙烯护套、涂塑钢带、加强钢丝对光纤进行保护，光缆的抗压、抗拉性能等机械性能优异，耐摩擦、耐腐蚀、耐油，可采用地埋、绑扎等方式固定，布设简单，是分布式振动光纤传感的理想探测单元，用于桥梁工程振动监测测。

北斗/GNSS接收机：

●具备全星系全频段卫星数据采集功能。

●预留RS232、RS485接口，可采集气象、温湿度、深度位移等传感器数据。

●具备继电器接口，可控制现场传感器电源的开/关。

●具有4G功能，可作为4G网关，上传卫星、传感器数据、电压和设备工作状态。

●预留网口，可通过网页访问、配置接收机；可同时做服务器和客户端（端口不同，共5路），独立提供不同的卫星数据。

●管理后台可实时查看设备的工作状态信息，可进行配置、控制和OTA升级，所有数据可通过API接口被第三方应用获取。

2、工程设计

监测线路采用全面接着方法，即把传感光缆绷紧后完全黏附在隧道二次衬砌的表面，可近似认为传感器与黏着处结构的变形保持同步，从而反映隧道断面的整体变形情况。经过对光纤的定位、熔接和粘贴，把光纤引入远方的监测中心，在进行光损耗测量和断点检测后，成功完成对隧道的传感布控。图 4-4为布里渊反射仪隧道监测系统的纵向和横向剖面布置图。

监测系统覆盖隧道全段，共选取9个断面按"Ω型"布置，进行拱形变形监测，其中两条沿隧道采用螺旋曲线盘绕隧道四周布设。顶表面和拱左、右两侧（拱肩和拱腰）5条传感光缆采用串联粘贴方式布设监测隧道轴向方向上的应变；两条光缆沿隧道螺旋盘线布设监测隧道横断面方向上的应变，而最后两条光缆沿着铁轨紧贴胶装布设监测钢轨沉降和形变。

隧道应变监测季节性设计

隧道衬砌在干季、雨季不同时期的变形情况有所差异，应变监测隧道的健康状态时需要随着季节变更及时采取补救措施。通常以前一季节的应变监测数据为基准值，后续季节监测数据均扣除基准值，从而反映隧道后续季节的应变变化。根据实际应变变化情况针对性地进行监测数据偏移或预判值补偿来应对。

例如，进入雨季后，隧道应变明显加大，进而表明下雨对隧道结构的受力产生一定的影响，系统将进行调用匹配季节参配库进行识别分析。可能各个断面各个监测部位的应变在前期的大幅波动后，也逐步回升，曲线总体逐步平缓，说明隧道二次衬砌结构已开始向稳定，但仍需要在后期的监测中观察其走势。

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