详情

原文传递基于分布式光纤传感技术的地铁隧道健康监测系统研究

论文题名：	基于分布式光纤传感技术的地铁隧道健康监测系统研究
关键词：	盾构隧道;分布式光纤;健康监测系统;收敛变形;沉降监测
摘要：	随着我国经济不断发展和城市化水平的日趋提高,地铁已经成为我国大中型城市解决道路交通拥堵问题的一种重要手段。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。由于隧道周围建筑活动频繁、工作环境差、仅依靠人工观测的传统方法已经不能满足实际监测的需要。因而通过采用自动化分布式高精度监测技术在不中断交通的条件下进行实时监测、研究测量结果与安全性的定量联系,以此为基础建立一个针对于盾构隧道运营期监控的结构健康监测系统,就成为目前地铁运营管理机构重点关注的一个热门研究领域。　　基于隧道的结构特点,本文从分布式高精度光纤传感器研发、常规监测指标算法和损伤静态识别算法三个方面研究入手,建立了适用于盾构隧道的结构健康监测系列计算方法,通过实验室缩尺模型试验给予初步验证,研究了隧道健康监测系统的基本框架和功能,并以杭州庆春路盾构隧道为例,对系统设计、实际布设中的工艺和技术难点进行了研究,对数据进行了初步分析。本文的主要研究内容和创新点如下: 　　 (1)本文提出了一种基于分布式光纤应变传感技术的高精度传感器,在不升级现有仪器测量精度的基础上较大幅度地提高了应变测量精度、可重复性和耐久性。试验研究表明,当该传感器应变增敏区长度达到25～cm时,传感器即达到最佳测量精度,增敏系数为4的传感器实测精度达到了10με,基本上满足结构日常应变变化监测的要求。　　 (2)对于隧道的收敛变形和沉降监测,本文提出了基于平均等刚度圆环简化模型的盾构隧道收敛变形-应变模型、基于弹性铰圆环简化模型的盾构隧道收敛变形.应变模型以及基于纵向等效连续化模型的盾构隧道纵向沉降-应变模型,并提出三种模型对应的传感器布设方法以及隧道尺寸等条件确定时的纵向沉降的监测精度。　　 (3)为了识别隧道纵向损伤,本文对Serker&wu提出的基于长标距应变比值的损伤静态识别指标进行修正,使之具备较强抗噪声能力；研究基于上述修正指标和灰色关联度理论的损伤定位和定量算法；理论研究并建立隧道纵向单元抗弯刚度损失与纵向连接螺栓塑性发展之间的关系模型,并研究基于纵向单元应变测量的理论监测算法；最终提出基于分布式静态应变监测的盾构隧道损伤识别策略。　　 (4)基于(1)～(3)提出的高精度传感器和各指标监测算法,本文提出了基于分布式光纤传感技术的盾构隧道监测系统及通用设计方法,研究了监测指标选择、传感器布设设计和系统软件设计思路中的各项关键技术。随后,本文通过杭州庆春路隧道监测系统的设计与施工全过程对上述系统设计方法与各项关键技术在实际隧道中的应用进行了示例说明。　　 (5)为了检验(4)所提监测系统的效果,特别是(2)、(3)中各项指标的正确性,本文首先在实验室中设计制作了混凝土缩尺模型隧道,对其进行横向、纵向模拟加载并依照(4)中方法建立了分布式光纤监测系统进行同步监测,检验的重点是(2)提出的各种常规指标监测算法的精度,及(3)提出的结构损伤识别算法的可靠性。试验结果表明,基于弹性铰圆环简化模型得到的变形-应变模型具有较好的监测精度,试验中对直径变化的监测误差在15％以内,纵向缩尺模型试验结果表明,本文提出的将结构纵向应变分布监测和常规点式沉降监测相结合的方法对于沉降的监测误差仅在10％左右,可以用于实际盾构隧道纵向沉降全曲线的监测,通过基于静态长标距应变比值与灰色关联度相结合的方法能够识别所有可疑损伤单元,并可以对不同荷载下单元的损伤程度进行定量评估。本文建立的监测系统对杭州庆春路隧道运营初期的监测结果显示,隧道横向水平直径略有收缩,竖直直径略有伸长,纵向产生沉降,但没有发生损伤。上述监测结果与传统方法监测结果吻合程度较好。
作者：	沈圣
专业：	土木工程;结构工程
导师：	郭正兴;吴智深
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文