2 运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系
简单说来，隧道是由围岩与支护结构组成的综合体，周围的地质介质和支护结构中隐含着许多影响隧道健康结构安全的因素。它们之间的相互关系十分复杂，导致监测和获得这些数据困难重重。无法获得准确及时的监测数据直接影响了运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的建立和应用。因此，提高运营隧道结构的监测技术是运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的首要课题。
2.1 光纤传感技术
当前，光传导纤维和光通信发展迅速，形成了新型的尖端检测技术，它的载体是光、媒介则为光纤、能够感知并传输各种信号，它就是光纤传感技术。光纤既可以作为传输介质，也可以作为传感介质。
自20世纪90年代以来，欧美等国家在高层建筑物、桥梁、大坝以及电站等大型民用基础设施的安全检测中纷纷运用光纤监测技术，取得了令人振奋的进展，展示了光纤监测应用的光明前景[36-38]。在我国，部分科研机构和重点高校在土木工程结构健康监测与诊断系统方面进行了光纤监测技术应用研究 [39-44]。
由于光纤传感技术测量敏感性高、性能稳定、在传输过程中不易受电磁干扰、信号损失量较小等突出优点，引起了各方面的广泛重视。本文将重点介绍三种主流的光纤传感监测技术。 2.1.1 SOFO点式光纤传感器
SOFO取自法语“surveillance d’Ouvrages par Fibres Optiques”，翻译为“光纤结构监测”，是一种点式光纤传感器，由瑞士联邦工学院应力实验室开发。
SOFO点式光纤传感器基本思路是低相干干涉：LED发出的激光光束通过耦合器分为两束初相位、偏振方向和频率相同的光线，其中一条进到参考光纤，另一条则进到测量光纤。后者跟待测结构进行物理接触，会随结构变形，从而改变自身的光程长度；前者放在旁边，目的是补偿温度变化而导致的硅光纤折射率的改变。由
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于两束光线经过的路线不同，存在一定的光程差，通过它们相遇时发生干涉所形成的干涉图像，能计算出在受测量光纤结构变形的影响，光发生改变量值，求得结构变形量。
M t. Terri隧道是瑞士一条在建的隧道，为了监测修建此隧道时土石等的受压力情况，在不远处另外一条已经建成，且通向M t. Terri隧道的小孔洞中，安装了9个彼此间距不等的SOFO伸长计。测量结果显示，距离拟建新隧道钻孔机所在位置比较近的光纤伸长计，会产生较大的应变，但随着与拟建新隧道垂直距离的越大，伸长计的变形量会呈指数下降的趋势。
采用明挖法施工的瑞士N5隧道，其墙面与墙脚的厚度并不均匀，两者的差异收缩可能会降低隧道的张力与挠度。在钢筋上安装SOFO点式光纤传感器，将其随同混凝土一并浇筑在隧道结构内，目的是监测各截面的膨胀收缩。数月之后，观察隧道截面，根据监测结果表明，不同区域的混凝土收缩形式各不相同，湿度与温度等环境条件的变化也会影响混凝土变形。 2.1.2 FBG准分布式光纤传感器
FBG准分布式光纤，又称为布拉格光纤光栅，其英文名称是Fiber Bragg Grating，它是特种传感光纤，可以永久性、周期性调制光纤芯区的折射率，用紫外光照射单模掺锗光纤之后，运用光纤成栅技术，让其满足以下方程：
λ= 2nΛ
式中 λ为Bragg波长；n为光纤模式的有效折射率；Λ为光栅栅距周期。 根据光栅理论，满足Bragg条件的入射光会在光纤内部产生全反射效应，在Bragg波长λ处，其反射光谱会在出现峰值。另外，因为有效折射率n和写入光纤的光栅栅距周期Λ均非常数，当应力、应变或者温度等外界因素作用在光栅时，n和Λ也会随之发生改变，以此会使得反射光谱中出现峰值的波长λ发生改变。
在同一个光纤上串联许多个不同波长的FBG准分布式光纤传感器时，FBG彼此间相不干涉，因其只反射各自特定波长的光波。那么为了完成光纤光栅传感器的多
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传感器复用，实现应力、应变以及温度等物理量的准分布测量[46]，只需使用一个波长检测系统，同时对所有FBG反射的布拉格波长的变化进行检测即可。
当前，在桩基、管道、桥梁、高速公路、建筑物以及海底油田开采等方面，FBG准分布式光纤传感器因为其优异性能和准分布式的特点得到了广泛应用。而在隧道监测方面，近些年来的应用比较少，但也有一定的应用进展。
英国University of Birmingham的科研员将布拉格光纤光栅在隧道衬砌和其接缝的变形监测中加以应用，从而在很大程度上提高了监测的准确性，并且利用布拉格光纤光栅应用于高频响应之中的优点，进行了行车的动静态荷载作用对运营隧道结构影响的监测。与此同时，该研究将布拉格光纤光栅与锚杆技术进行结合，能够清楚地测量到运营隧道的支护结构内锚杆的应力和应变，如果将光信号通过光缆引到控制室里面，能进一步实现对运营隧道结构内部状况的远程监测。图2-2表示FBG光纤传感器在隧道、桥梁、大坝等当中的应用。 2.1.3 BOTDR分布式光纤传感技术
BOTDR的英文名称是“Brillouin Op-ticalTime-Domain Reflectometry”，其传感技术是一种基于单一脉冲的布里渊散射获取外界环境因素信息的分布式光纤应变测量技术，其中文名称译为“布里渊散光时域反射仪”。
布里渊散射光不仅会受到应力、应变的影响，而且也与温度的变化有关，如果隧道的轴向位置发生应力、应变或者分布在隧道沿线的光纤传感器的温度变化的时候，光纤中的背向Brillouin scattering light的频率将会发生漂移，其频率的漂移量与光纤的应力、应变以及温度的改变有关。另外，由于BOTDR分布式光纤传感技术采用了单端入射，其结构简单，能够相当便利的在实际工程中进行应用，因此国内外有很多关于此方案技术的研究。
南京长江公路隧道在其运营期内，于公路隧道中安装了BOTOR布里渊散光时域反射仪这种分布式光纤传感器，并且构建了基于BOTDR分布式光纤传感技术的隧道应力与应变监测评价系统（见图2-3），目的是监测隧道衬砌结构面上的应力、应变等多项隧道安全指标因素[47]。
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图2-1 南京市长江公路隧道的光纤布设示意图
根据对南京长江公路隧道的监测结果，表明了BOTDR分布式光纤传感技术在隧道的应力与应变的监测当中是非常行之有效的。另外在监测期间，业主还组织了深入研究如何更好的铺设光纤、怎样对光纤进行更好地保护、周边环境的温度及温度对光纤监测的影响以及变形的计算等等课题，这些研究为光纤传感监测技术在运营隧道结构健康安全评价中的应用铺平了道路。
综上所述，光纤传感监测技术是一个整体系列科学技术，它包括很多种类，本文列举了其中的三种：SOFO点式光纤传感器、FBG准分布式光纤传感器以及BOTDR分布式光纤传感等，它们特性及其适用范围各有不同，具体见表2-1。由此可见，在建立运营隧道结构健康安全评价的时候可以在其中取长补、搭配结合使用。
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表2-1 三种光纤传感监测技术各性能指标的对比
监测 技术 点式 准分布式 分布式 传感器类型 SOFO FBG BOTDR 物理量 位移 应变 应变/温度 线性响应 是 是 否 分辨率 2μm 1με 30με/1°C 监测范围/με ±10 000 ±5000 ±10 000 调制方法 相位 波长 强度 根据上表可见，SOFO点式光纤传感器的分辨率相对比较高，但监测布点的数量被其使用成本与信号传输方式的所限制，因此在对隧道的重点部位裂缝监测当中使用较多；BOTDR分布式光纤传感的分辨率较低，但其能够进行长距离的监测，并且能够覆盖大量的面积，因此在对隧道整体结构的应力、应变(或者温度)进行大范围监测时相当适用，例如监测隧道衬砌的表面裂缝长度与宽度； FBG准分布式光纤传感器则介于SOFO与BOTDR之间，测量精度较高，而且可以在实际使用的时，可以将许多个FBG传感器进行串联，因此对一些关键部位的应变监测非常适用，例如钢筋应力差控制系数等。
随着SOFO、FBG和BOTDR等光纤传感器的成功应用，光纤监测技术的发展必将为运营隧道结构健康安全评价奠定坚实的技术基础。
2.2 光纤传感技术在运营隧道健康安全监测中的运用
从上述光纤传感监测技术的基本思路以及其在工程领域的广泛应用表明，光纤传感技术的各种优势，是很多传统的隧道监测方法所不具备的，它比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作和进行长距离、大面积的远程监测，它正逐渐发展成为一个贯穿于隧道施工与运营两大阶段的长短期相结合的科学监测手段。 2.2.1运营隧道健康监测安全系统需求分析
根据运营地铁隧道的工程特点，可以利用光纤传感技术实现实时监测与定期检测相结合的监测手段，以及预警报警、隧道的结构健康安全状况评估以及远程管理等功能，并且以上的功能能够在运营隧道结构健康安全各项信息的收集、分析、处理以及应用等环节连续运用。同时参照运营地铁隧道在其施工期的特点，有针对性
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