基于分布式光纖傳感技術(shù)的隧道監(jiān)控量測與信息化智能系統(tǒng)的研究

王恬依 王冰如 陳駿 毛琦

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000）

我國隧道開發(fā)體量巨大，據(jù)統(tǒng)計，全國隧道長度以每年1100 千米的增幅快速增長。但公路隧道工程的施工危險性較大，一旦發(fā)生坍塌事故，容易造成群死群傷和巨大社會影響，如2021 年全國應(yīng)急救援、生產(chǎn)安全事故十大典型案例中，就包含廣東省珠海市石景山隧道事故，該事故造成14 人死亡、上千萬經(jīng)濟(jì)損失。事故發(fā)生原因是當(dāng)隧道開挖下穿水庫時遭遇富水花崗巖風(fēng)化深槽，因監(jiān)測預(yù)警不及時、工程措施不得當(dāng)導(dǎo)致右線隧道拱頂坍塌透水。

確保隧道安全、精準(zhǔn)監(jiān)控量測日益成為隧道工程發(fā)展和施工中的一個重要議題，2022 年出臺的國家應(yīng)急體系規(guī)劃中明確要求“扎實做好安全生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)等工作，積極推進(jìn)應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化[1]”，特別提出強(qiáng)化風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警預(yù)報，利用技術(shù)提高災(zāi)害事故感知能力；加強(qiáng)隱患治理，完善安全隱患分級分類排查治理標(biāo)準(zhǔn)；搭建科技創(chuàng)新平臺，健全主動保障型安全技術(shù)支持體系。隧道安全與其自身結(jié)構(gòu)、施工質(zhì)量、地質(zhì)情況、氣候情況的影響息息相關(guān)，在建設(shè)和使用中可能出現(xiàn)不均勻沉降、結(jié)構(gòu)錯位、裂縫、滲漏水、火災(zāi)、地震等各類病害與突發(fā)事故，并且病害交雜或惡化可能會再引發(fā)其他次生病害，因而隧道監(jiān)測預(yù)警的內(nèi)容復(fù)雜、儀器繁多，日常監(jiān)測任務(wù)重、資料整理保存難度大，隧道監(jiān)控量測亟需一種常態(tài)化、低成本、高精度、智能化解決方案。

1 隧道監(jiān)控量測項目及安防需求概述

隧道監(jiān)控量測是針對圍巖和支護(hù)的探測、分析、研判和預(yù)警，是判斷圍巖穩(wěn)定性、保證支護(hù)合理性、降低災(zāi)害發(fā)生概率、減少災(zāi)害損失的必然工序與有力手段。由于隧道施工條件與過程的特殊性，目前隧道監(jiān)控量測呈現(xiàn)項目多元、方法多樣的特點。

1.1 隧道施工監(jiān)控量測項目

隧道監(jiān)控量測項目細(xì)分可多達(dá)十余項，按照指標(biāo)重要性，可將量測項目分為必測項目與選測項目。必測項目對監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、指導(dǎo)設(shè)計施工有巨大作用，選測項目數(shù)量多、測量難度大、造價較高，但對更深入的圍巖穩(wěn)定和噴錨支護(hù)效果有更精細(xì)的認(rèn)定。

1.必測項目。交通運輸部發(fā)布的《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》明確指出必測項目包括拱頂下沉、地表下沉、拱腳下沉、周邊位移、洞內(nèi)外觀察[2]。拱頂下沉可采用水準(zhǔn)儀、全站儀和鋼尺進(jìn)行人工測量，要求每5 米至100 米的斷面布置一個測點，項目精度根據(jù)預(yù)留變形量區(qū)別，達(dá)到0.5 毫米至1 毫米。地表下沉與拱腳下沉在軟弱破碎的圍巖施工中需進(jìn)行重點監(jiān)測，測點以隧道中樁作為對稱軸對稱布置，越靠近軸線測點布置越密集。周邊位移要求每5 米至100 米設(shè)置一個斷面，每個斷面2 至3 對測點，精度要求同拱頂下沉項目。在洞口段、淺埋段需布置不少于2 個斷面，每個斷面不少于3 個測點。精度要求0.5 毫米。洞內(nèi)外觀察采用地質(zhì)羅盤和現(xiàn)場觀測法，一般在開挖及初期支護(hù)后進(jìn)行。

2.選測項目。包括錨桿軸力、鋼支撐內(nèi)力、圍巖壓力、圍巖彈性波速、襯砌內(nèi)應(yīng)力等十余項，不同項目可根據(jù)自身圍巖級別、施工方法與合同特殊約定等，使用鋼筋計、位移計、滲壓計、聲波儀等，在特定情況、特定位置進(jìn)行測量。

1.2 隧道安全防控需求

1.全程監(jiān)測自動預(yù)警。《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定各監(jiān)控量測項目的測量頻率，人工測量的情況下每天至少1 至2 次，后續(xù)疊加人工分析計算與報告生成。但從更完善、更高效、更準(zhǔn)確的角度出發(fā)，自隧道爆破初始至運營通車后期，全壽命周期、全過程、全自動的監(jiān)測擁有廣闊的市場。

2.自動生成應(yīng)急預(yù)案。隧道監(jiān)控量測旨在發(fā)現(xiàn)問題，及時找補(bǔ)，通常由工程師形成補(bǔ)救方案，但存在突發(fā)大型問題應(yīng)急不到位的可能性。因此安全防控應(yīng)將應(yīng)急事件根據(jù)其嚴(yán)重性、緊急性、可能造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失程度分級，不同的等級和事件情況采取分級響應(yīng)的方式，系統(tǒng)自動生成應(yīng)急處理辦法。

2 隧道監(jiān)控量測智能技術(shù)及存在的問題

2.1 常見隧道監(jiān)控量測智能技術(shù)

隨著科技進(jìn)步，隧道監(jiān)控量測技術(shù)呈現(xiàn)出智能化、多元化的趨勢，主流智能隧道監(jiān)控量測技術(shù)主要包括以下幾類：

1.探地雷達(dá)技術(shù)。常用于地下工程施工，利用電磁波反射原理，檢測不同介質(zhì)間產(chǎn)生反射波和折射波，通過分析反射波和折射波的振幅和相位可知隧道襯砌是否產(chǎn)生裂縫、孔洞、位移等質(zhì)量問題[3]。但是探地雷達(dá)技術(shù)的探測深度一般小于50 米，并且數(shù)據(jù)分析工作還依賴于人工判斷，數(shù)據(jù)處理能力還需升級。

2.三維激光掃描技術(shù)。依托于激光測距原理，對隧道整體掃描形成一個三維立體模型[4]。通過隧道原模型與實時模型的對比來量化并監(jiān)測隧道變形、裂縫、滲漏水等病害。該技術(shù)能有效克服隧道施工環(huán)境昏暗、人眼觀測不準(zhǔn)的問題，但是需要龐大數(shù)據(jù)支持，對數(shù)據(jù)處理的算法和設(shè)備要求都比較高，目前無法實現(xiàn)設(shè)備自動化移動巡檢。

3.紅外探測技術(shù)。利用隧道環(huán)境的熱輻射來形成紅外熱成像，目前在隧道工程中多用于水災(zāi)和火災(zāi)的監(jiān)測[5]。但當(dāng)環(huán)境溫度差異過小時，該技術(shù)生成的圖像對比難度較大，且此昂貴的紅外成像設(shè)備在運輸和使用環(huán)節(jié)產(chǎn)生的成本較高，應(yīng)用場景限制較多。

4.沖擊回波技術(shù)。利用儀器敲擊結(jié)構(gòu)表面，通過瞬態(tài)沖擊產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時會因遇到內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生波頻變化。該技術(shù)檢測精度高，受結(jié)構(gòu)水分和鋼筋的影響小，可以在混凝土養(yǎng)護(hù)時便開展監(jiān)測工作，但僅能檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔這一種病害，不能全面覆蓋隧道監(jiān)控量測項目。

2.2 智能隧道監(jiān)控量測存在的問題

1.監(jiān)測項目不夠全面。盡管目前隧道監(jiān)控量測技術(shù)儲備豐富、測量準(zhǔn)確度高，但實際情況下鮮少有項目能滿足每條隧道配備一套完整設(shè)備的需求，因此一般隧道項目還是以使用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備的人工測量為主。

2.施工過程監(jiān)測困難。隧道施工是一個不斷向山體內(nèi)部循環(huán)施工的過程，山體爆破和出碴工作對各類監(jiān)測技術(shù)的安裝要求和應(yīng)變效率要求較高。且在施工情況下，如探地雷達(dá)、紅外探測等技術(shù)容易因原先設(shè)定測點的破壞和改變，以及施工過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動和高溫擾動等原因產(chǎn)生誤報。

3.技術(shù)應(yīng)用成本較高。對于單一隧道施工項目而言，智能監(jiān)測設(shè)備在平時保養(yǎng)、故障維修、運輸損耗等方面產(chǎn)生的成本費用過高，項目成本無法承擔(dān)。盡管一些監(jiān)控量測技術(shù)可以車載方式按照項目需求分階段進(jìn)行，但是仍受限于隧道施工環(huán)境條件和自然條件，對于遠(yuǎn)離城市和已建道路的隧道工程，仍然存在通行阻礙大、安裝不便、使用成本高的問題。

3 分布式光纖隧道監(jiān)測系統(tǒng)探究

3.1 光纖材料特點

1.耐久性。光纖由石英玻璃組成，具有耐水、耐腐蝕、耐高溫等特點，耐久性強(qiáng)。隧道內(nèi)部施工環(huán)境通常潮濕陰暗，光纖比金屬等材質(zhì)的傳感器更適應(yīng)施工現(xiàn)場條件，其耐久性能夠可靠支持隧道工程在施工階段和運營階段的全生命周期監(jiān)測。

2.抗干擾性。光纖是一種絕緣材料，抗干擾性強(qiáng)。施工現(xiàn)場持續(xù)受到機(jī)械打孔鏟土、巖石爆破、意外落石、車輛行駛等物理震動事件干擾，光纖能有效杜絕電磁干擾和物理干擾。

3.易安裝性。光纖柔韌纖細(xì)，對敷設(shè)位置要求不高，無需匹配，安裝難度低，若某處材料損壞，可使用光纖熔接機(jī)修復(fù)并接續(xù)使用，無需重新敷設(shè)整個系統(tǒng)，能有效降低操作難度和工人施工負(fù)擔(dān)。

4.支持分布式測量。從光纖起點開始便能準(zhǔn)確采集沿線任何點位上振動、溫度、應(yīng)力、損傷等信息[6]。光纖傳感系統(tǒng)敷設(shè)可按照監(jiān)測精度要求可繁可簡，光纖交錯縱橫即可構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)全點位監(jiān)測。

5.長距離?，F(xiàn)有隧道監(jiān)控量測技術(shù)一般依賴于機(jī)械或人工布置測量點位，與隧道工程長距離的特性相斥。光纖材料可以通過長距離鋪設(shè)，無需構(gòu)成回路，實現(xiàn)長達(dá)數(shù)十公里的全方位連續(xù)監(jiān)測。

3.2 隧道量測光纖敷設(shè)系統(tǒng)

分布式光纖監(jiān)測技術(shù)依托于光纖材料的特性和其適應(yīng)隧道施工環(huán)境的敷設(shè)系統(tǒng)，能有效整合隧道監(jiān)控量測多個核心指標(biāo)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測方式和智能監(jiān)測技術(shù)仍存在的問題，為各類隧道工程的質(zhì)量檢測和健康診斷提供有效的解決方案。

1.監(jiān)測系統(tǒng)基本組件。振動監(jiān)測光纜由光纖外依次包裹防水油膏、PBT 充油束管、鋼帶鎧裝層、聚乙烯外護(hù)套和磷化鋼絲加強(qiáng)件組成，外徑一般可取6 毫米左右，整體仍纖細(xì)柔韌易安裝。光纜在光纖材料本身的優(yōu)點上，更具有穩(wěn)定的機(jī)械性能，耐水耐高溫耐腐蝕，服務(wù)時間長，適用于隧道內(nèi)各種惡劣條件的施工環(huán)境。

2.隧道監(jiān)測敷設(shè)方案。依托于振動監(jiān)測光纜、分布式振動解調(diào)儀和智能數(shù)據(jù)處理軟件組成。目前的分布式光纖測量應(yīng)用在其他類型工程項目上的敷設(shè)方案一般以直線敷設(shè)為主，但此方案不能支持隧道監(jiān)控量測需要多點位監(jiān)測網(wǎng)的需求。結(jié)合隧道監(jiān)控量測項目內(nèi)容及《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定測量要求，為使監(jiān)測系統(tǒng)隨著隧道向內(nèi)挖深可持續(xù)工作而不受施工干擾，將光纜在襯砌澆筑之前沿著洞壁間隔一定距離以螺旋狀固定在土壤或巖壁上，達(dá)到隧道監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的目的。根據(jù)光纖分布式測量無需構(gòu)成回路的特點，該方案最大程度上節(jié)省了光纖原材料的浪費以及工程施工難度，保證隧道監(jiān)控量測工作簡潔清晰。在隧道洞外，以分布式振動解調(diào)儀連接光纜起點，保證信號傳輸順暢，采用“云+邊+端”的模式結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，融入物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理，研發(fā)專有識別算法進(jìn)行邊端計算，達(dá)到數(shù)據(jù)處理過濾、實時上傳功能。

3.3 智能光纖監(jiān)測管理系統(tǒng)

為解決隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理慢、紙質(zhì)資料多等問題，以及響應(yīng)隧道安全防控要求的需求，推廣包含系統(tǒng)集成、自動控制和病害預(yù)警等功能的，基于分布式光纖傳感技術(shù)的隧道智能監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)，既是隧道施工客觀急需，也是數(shù)字化改革發(fā)展的必然趨勢。

1.功能集成，系統(tǒng)控制。隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在隧道施工現(xiàn)場不間斷形成監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理器上傳云端，將隧道結(jié)構(gòu)形變、裂縫坍塌、溫度火災(zāi)、水災(zāi)等災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警功能一體集成，通過設(shè)備與光纖連接，實時獲取光纖傳感器中反饋的光信號變化，對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析、預(yù)警、報警等一系列操作，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)形變、裂縫坍塌、溫度火災(zāi)智能化監(jiān)測預(yù)警。同時通過智能算法排除施工中落石、機(jī)械運作、車輛行駛等波形干擾，工作人員在末端系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)管數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常則自動彈窗提醒，達(dá)到自動智能監(jiān)測的目的。

2.數(shù)字化整合，無紙化竣工。智能監(jiān)測系統(tǒng)可將監(jiān)控量測原始資料在系統(tǒng)內(nèi)留存，包含數(shù)據(jù)記錄、誤差判斷、分析類比、結(jié)論對策等，一方面通過留存歷史數(shù)據(jù)，為優(yōu)化算法提供數(shù)據(jù)支撐；另一方面精簡過程資料，推動無紙化辦公進(jìn)程。同時，隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)當(dāng)代數(shù)字化改革浪潮，預(yù)設(shè)數(shù)字政府對應(yīng)場景應(yīng)用接口，待系統(tǒng)成熟后接入數(shù)字政府重大應(yīng)用，如“浙里城市生命線及地下空間綜合治理應(yīng)用”“浙里工程建設(shè)現(xiàn)場管控應(yīng)用”等，將相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分享，為政府側(cè)對山體隧道工程全生命周期健康監(jiān)測、預(yù)警警告、處置跟蹤的閉環(huán)管理需求提供精準(zhǔn)服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管，保證數(shù)據(jù)歸集。

4 結(jié)語

我國隧道建設(shè)與運營市場龐大，監(jiān)控量測作為隧道施工的必然工序，需要更智能化、簡潔高效、造價更低的數(shù)據(jù)診斷和病害識別方法。分布式光纖傳感技術(shù)能在光纖沿線獲得時間和空間上的連續(xù)分布信息，耐水耐高溫耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高等特點均完美契合隧道監(jiān)控量測工作要求。相應(yīng)智能監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)可以滿足安全防控要求的同時使隧道監(jiān)控量測工作更智能、更高效，對隧道施工進(jìn)行全面、全過程監(jiān)測，提高病害發(fā)現(xiàn)率，制定完善精準(zhǔn)的應(yīng)急預(yù)案，數(shù)字化體系符合現(xiàn)下的時代要求，具有廣闊的應(yīng)用市場與未來前景。