基于分布式无滑移应变增敏光纤光栅传感器的地铁隧道运营期沉降监测和损伤识别技术

Due to the special work environment of underground tunnels, it is difficult to achieve the accurate distribution of uneven settlement and structural damage by traditional monitoring methods. Based on the distributed Fiber Bragg grating sensing technique, the distributed uneven settlement monitoring and structural damage auto-identification for underground tunnels in their operation periods are shown in this project. First of all, a distributed non-slippage and strain sensitive Fiber Bragg grating sensor is given with good designability of measuring accuracy and gage length according to the detailed requirements from practical monitoring. It can be used for tiny strain variation measurements in practical long-time monitoring of underground tunnels. Then, this project proposes an accurate method to calculate the distribution of uneven settlement along underground tunnels based on the distributed sensitive strain measurements. This method not only restrains the influence of strain measurement error accumulation from mass strain measurement data along the tunnel, but also gives the design procedure for proposed sensor placement. The requirements for the monitoring accuracy and gage length of proposed sensors are also given. At last, combining the feature detection technique for mass measuring data, this project proposes a damage identification method based on the distributed static strain measurements for underground tunnels. The development of this project is not only helpful to carry out the distributed uneven settlement monitoring, structural damage auto-identification, but also provide basis for subsequent maintenance of underground tunnels.

由于地铁隧道所处环境特殊，采用传统人工观测方法进行全面准确的沉降监测和结构损伤识别较为困难。本项目拟引入分布式光纤光栅(FBG)传感技术，以实现地铁隧道运营期不均匀沉降的全面自动分布式高精度监测和隧道结构损伤准确识别。本项目首先提出一种可根据现场要求定制测量精度与标距长度的分布式无滑移应变增敏FBG传感器，以对隧道结构日常微小应变变化进行长期稳定准确测量。其次，研究基于分布式高精度应变测量的地铁隧道结构应变-沉降高精度计算方法，提出控制海量应变数据测量误差累积的措施，并建立相应的传感器布设设计方法，以及所需传感器测量精度与标距长度的确定方法。最后，结合海量数据特征提取技术，提出基于分布式高精度应变测量的隧道结构损伤静力识别方法。本项目不仅可以实现地铁隧道任意位置不均匀沉降的准确监测和隧道结构由于腐蚀产生损伤的准确识别，还可为后续管养维修的提供线索与指南。

盾构隧道又以其明显的技术经济优势和对城市地面环境影响小等特点，成为城市环境下地铁隧道的主要结构形式。但一系列调查研究表明，随服役年限的增加，国内大量已投入运营的既有城市盾构隧道出现不同程度的损伤和老化，需要长期全面监测和维护。基于地铁盾构隧道的结构特点，本课题从分布式无滑移增敏光纤光栅传感器研发、基于应变分布的地铁盾构隧道沉降分布监测与基于应变分布的隧道结构损伤静力识别方法三个方面研究入手，建立了适用于地铁盾构隧道的结构健康监测系列算法，并通过多个缩尺模型试验进行了实验室验证。本课题的研究内容与主要结论如下：.(1)本课题提出了一种分布式无滑移增敏光纤光栅传感器及其结构设计方法，并讨论了该传感器的温度补偿方法。该传感器通过合理的结构设计提升了应变数据的测量精度，并可以通过变更结构设计来满足不同标距和测量精度要求，同时通过无滑移设计(即除去刚度加强段的涂覆层)来最大程度地确保外部结构的应变能够无损耗地传递到传感器内部纤芯上。恒温条件下单向拉伸试验表明，传感器能够准确监测结构的微小应变变化。酸、盐环境下的浸泡试验与冻融、湿热环境试验结果表明该传感器具有较好的长期耐腐蚀性，但其长期耐碱性需要提高。另外，由于手工封装的不均匀性，该传感器在恒载变温试验中的测量结果波动性大于裸光纤光栅。.(2)本课题对经典共轭梁法进行理论改进，将其应用范围从简支梁拓展到荷载和地基沉降耦合作用下的连续梁和半无限平面地基梁，提出了根据地铁盾构隧道轴向应变分布计算纵向沉降和侧向位移分布的相关算法。该算法得到的隧道沉降/侧移与应变分布呈显式线性关系，所有参数与荷载及截面刚度条件无关。本课题还提出了基于该算法的盾构隧道纵向沉降分布监测策略，抑制了纵向应变测量误差对沉降监测结果的影响。本课题还提出实际监测中所需的分布式无滑移应变增敏FBG传感器测量精度和标距长度。另外，本课题还提出了基于应变分布的盾构隧道环向收敛变形的监测方法。.(3)为了解决长距离隧道纵向损伤识别问题，本课题首先提出了一种具备较强抗噪声能力，适用于半无限平面地基梁的改进长标距应变比值法进行损伤大致定位。其次，本课题创新地引入了中性轴高度来表征结构损伤，建立了基于分布式应变监测数据的盾构隧道纵向损伤定量识别方法。数值模拟与实验室试验均表明，本研究所提方法能够很好地识别运营期地铁盾构隧道的损伤。