1T/CCTASXXXX—XXXX公路隧道結(jié)構(gòu)變形分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)指南本文件提出了采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測公路隧道結(jié)構(gòu)變形的方法，以及設(shè)備選型、設(shè)備安裝和數(shù)據(jù)處理與分析的相關(guān)建議。本文件適用于公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。JTGH12公路隧道養(yǎng)護規(guī)范GB4208外殼防護等級(IP代碼)GB50343建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范JTGD70/2公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設(shè)施3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。準分布式光纖傳感quasi-distributedopticfibersensing基于弱光纖光柵和光時域反射原理在長距離傳導(dǎo)光纖上串接大量光柵傳感單元形成一維空間傳感陣列的光纖傳感技術(shù)。3.2全分布式光纖傳感distributedopticfibersensing基于布里淵散射原理在一維空間實現(xiàn)超長距離連續(xù)感測和傳導(dǎo)的的光纖傳感技術(shù)。4基本規(guī)定4.1分布式光纖傳感技術(shù)可用于監(jiān)測公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫擴展、接縫變位、差異沉降和表面變形場，監(jiān)測范圍宜符合JTGH12中的規(guī)定。(4.2采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形時，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測需求選擇準分布式傳感光纖或全分布傳感光纖及其對應(yīng)的解調(diào)儀。兩種傳感光纖的技術(shù)特點和原理見表1。表1分布式光纖傳感技術(shù)特點和原理類型技術(shù)特點技術(shù)原理2T/CCTASXXXX—XXXX準分布式光纖傳感空間分辨率相對較低，變形測量的靈敏度和精度較高。將弱光纖光柵與光時域反射技術(shù)相結(jié)合，通過一根傳導(dǎo)光纖將多個長標距光纖光柵傳感器串接起來，組成傳感單元陣列。全分布式光纖傳感空間分辨率高，變形測量的靈敏度和精度相對較低。基于布里淵散射技術(shù)實現(xiàn)對被測物一維空間的長距離連續(xù)感測4.3當監(jiān)測測點的空間分辨率要求優(yōu)于0.5m時，宜采用全分布式光纖傳感技術(shù)；當監(jiān)測測點的空間分辨率要求低于0.5m時，宜采用準分布式光纖傳感技術(shù)。5監(jiān)測方法5.1裂縫擴展5.1.1分布式光纖傳感技術(shù)可用于監(jiān)測公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面縱向、環(huán)向和斜向裂縫寬度的擴展增量。5.1.2監(jiān)測環(huán)向裂縫時，宜將分布式光纖測線在隧道襯砌表面縱向排布，測線宜盡量垂直跨越裂縫最寬處或其附近。測線布設(shè)方法見圖1。2323標引序號說明：1-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道襯砌環(huán)向裂縫；3-分布式光纖測線圖1環(huán)向裂縫的測線布設(shè)示意圖5.1.3監(jiān)測縱向裂縫時，宜將分布式光纖測線在隧道襯砌表面環(huán)向排布，測線宜盡量垂直跨越裂縫最寬處或其附近。測線布設(shè)方法見圖2。T/CCTASXXXX—XXXX3231-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道襯砌縱向裂縫；3-分布式光纖測線圖2縱向裂縫的測線布設(shè)示意圖5.1.4監(jiān)測斜向裂縫時，宜將分布式光纖測線在隧道襯砌表面斜向排布，測線宜盡量垂直跨越裂縫最寬處或其附近。測線布設(shè)方法見圖3。22331-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道襯砌斜向裂縫；3-分布式光纖測線圖3斜向裂縫的測線布設(shè)示意圖5.1.5監(jiān)測前應(yīng)記錄待測襯砌裂縫與測線相交的各測點樁號和部位、測點處裂縫初始寬度和深度、裂縫初始長度及延展方向等信息。5.1.6監(jiān)測過程中宜同步采集測點附近的襯砌結(jié)構(gòu)溫度或環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。5.2接縫變位5.2.1分布式光纖傳感技術(shù)可用于監(jiān)測襯砌管片和管節(jié)縫、施工縫、以及變形縫的擴展及錯臺等變位情況。T/CCTASXXXX—XXXX45.2.2監(jiān)測公路隧道環(huán)向接縫變位時，宜將測線縱向水平布設(shè)于隧道兩側(cè)拱腰位置。測線布設(shè)方法見3423421-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道襯砌環(huán)向接縫；3-左側(cè)分布式光纖測線；4-右側(cè)分布式光纖測線圖4環(huán)向接縫變位的測線布設(shè)示意圖5.2.3監(jiān)測公路隧道襯砌管片間縱向接縫的變位時，宜將測線環(huán)向往復(fù)環(huán)繞，測線與接縫盡量保持垂直。測線布設(shè)方法見圖5。1-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道襯砌縱向施工縫；3-分布式光纖測線圖5縱向接縫變位的測線布設(shè)示意圖5.2.4監(jiān)測前宜記錄接縫與測線相交的各測點樁號和部位、以及接縫的初始寬度和錯臺高差。5.2.5監(jiān)測過程中宜同步采集測點附近的襯砌結(jié)構(gòu)溫度或環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。5.3差異沉降5.3.1采用分布式傳感光纖監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)縱向差異沉降的基點宜設(shè)置在隧道襯砌結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定段落。5.3.2宜將傳感光纖沿隧道邊墻按鋸齒狀排布，并在相鄰位置沿隧道縱向布設(shè)一條水平測線用以補償T/CCTASXXXX—XXXX5橫向變形。測線布設(shè)方法見圖6。1-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-橫向位移補償傳感光纖；3-鋸齒狀排布傳感光纖圖6隧道結(jié)構(gòu)縱向差異沉降監(jiān)測示意圖5.3.3監(jiān)測過程中宜同步采集沉降風險段落的襯砌結(jié)構(gòu)溫度或環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。5.4襯砌表面變形5.4.1監(jiān)測以縱向開裂為主的隧道襯砌表面變形場時，宜將分布式光纖在隧道拱頂襯砌表面往復(fù)環(huán)繞布置以形成一個環(huán)向測點陣列，各環(huán)向測線的間距Sh不宜大于3m。測線布設(shè)方法見圖7。1-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道開裂掉塊風險區(qū)域；3-分布式傳感光纖環(huán)向環(huán)繞圖7襯砌表面應(yīng)變場監(jiān)測環(huán)向陣列的測線布設(shè)示意圖5.4.2監(jiān)測以環(huán)向開裂為主的隧道襯砌表面變形場時，宜將分布式光纖在隧道拱頂襯砌表面縱向往復(fù)布置以形成一個縱向測點陣列，各縱向測線的間距SZ不宜大于3m。測線布設(shè)方法見圖8。T/CCTASXXXX—XXXX61-隧道襯砌結(jié)構(gòu)；2-隧道開裂掉塊風險區(qū)域；3-分布式傳感光纖縱向環(huán)繞圖8襯砌表面應(yīng)變場監(jiān)測測線縱向往復(fù)布設(shè)示意圖5.4.3測點陣列的布設(shè)范圍宜覆蓋行車道正上方的拱頂區(qū)域，且由開裂掉塊的高風險區(qū)段向低風險區(qū)段縱向延伸，延伸距離不少于10m。6監(jiān)測設(shè)備6.1一般規(guī)定6.1.1公路隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的分布式光纖傳感系統(tǒng)主要由傳感光纖、解調(diào)儀、及其配套的通信和供電設(shè)備組成。6.1.2傳感光纖的使用壽命不宜低于15年，解調(diào)儀的使用壽命不宜低于5年。6.2傳感光纖6.2.1準分布式傳感光纖的主要技術(shù)參數(shù)要求見表2。表2準分布式傳感光纖的技術(shù)要求序號設(shè)備參數(shù)技術(shù)要求1分布形式單個長標距傳感器串聯(lián)2量程范圍≥20000με3峰值反射4標距長度≤2000mm5平均光損值≤0.3dB/km@1550nm6工作溫度區(qū)間優(yōu)于-30℃~80℃7防護等級優(yōu)于IP656.2.2全分布式傳感光纖的主要技術(shù)參數(shù)要求見表3。表3全分布式傳感光纖的技術(shù)要求序號設(shè)備參數(shù)技術(shù)要求1分布形式測點沿測線連續(xù)分布T/CCTASXXXX—XXXX72量程范圍≥20000με3平均光損值≤0.3dB/km@1550nm4工作溫度區(qū)間優(yōu)于-30℃~80℃5防護等級優(yōu)于IP656.3解調(diào)儀6.3.1準分布式光纖傳感解調(diào)儀的主要技術(shù)參數(shù)見表4。表4準分布式光纖傳感解調(diào)儀的技術(shù)要求序號設(shè)備參數(shù)技術(shù)要求1波長范圍包含1528nm~1568nm2分辨率≤1με3精度≤2με4動態(tài)范圍≥10dB5最大解調(diào)頻率優(yōu)于1HZ@1CH6工作溫度優(yōu)于-20℃~55℃6.3.2全分布式解調(diào)儀的主要技術(shù)參數(shù)見表5。表5全分布式光纖傳感解調(diào)儀的技術(shù)要求序號設(shè)備參數(shù)技術(shù)要求1頻率掃描范圍9.0～13.0GHz2采樣分辨率優(yōu)于0.1m3分辨率≤2με4精度≤10με5動態(tài)范圍≥10dB6最大解調(diào)頻率優(yōu)于0.001HZ@1CH7工作溫度優(yōu)于-20℃~55℃7設(shè)備安裝7.1一般規(guī)定7.1.1設(shè)備安裝工藝設(shè)計宜考慮后期的可維護性和可更換性。7.1.2設(shè)備安裝位置不應(yīng)侵入隧道建筑限界，不應(yīng)影響隧道內(nèi)已有的機電設(shè)備的正常運行。7.2傳感光纖7.2.1準分布式傳感光纖宜采用定點錨固法安裝，全分布式傳感光纜宜采用整體粘貼法，具體安裝工藝要求見附錄A。7.2.2采用定點錨固法安裝準分布式傳感光纖時，宜對傳感光纖進行預(yù)張拉，預(yù)張拉控制量宜為3000με。7.2.3光纖敷設(shè)時彎曲半徑不宜小于5cm。T/CCTASXXXX—XXXX87.2.4單一通道上的傳感光纖被熔接次數(shù)不宜超過3次。熔接完成后應(yīng)對熔接部位進行保護，防止該部分彎折。7.2.5周邊環(huán)境復(fù)雜惡劣或干擾較大時，可通過U型蓋板防護敷設(shè)完成的傳感光纜。7.2.6宜每間隔一段距離（約300m~1000m）設(shè)置一段10m左右的冗余光纖便于用于后續(xù)光纜檢修。7.3解調(diào)儀7.3.1解調(diào)儀宜安裝設(shè)備機箱內(nèi)，機箱防水防塵標準不宜低于GB4208中規(guī)定的IP55防護等級。7.3.2解調(diào)儀宜布設(shè)在隧道的養(yǎng)護管理站或變電房內(nèi)。7.4通信及供電7.4.1各測線的傳感光纖可直接接入解調(diào)儀，也可經(jīng)通信光纜串接后再接入解調(diào)儀。7.4.2宜為解調(diào)儀及其上位通訊設(shè)備提供市電，并配備UPS作為停電工況下的應(yīng)急電源。UPS蓄電池的蓄電量宜保障系統(tǒng)正常采集和傳輸數(shù)據(jù)不少于48小時。7.4.3設(shè)備防雷性能應(yīng)滿足GB50343的要求。7.4.4監(jiān)測設(shè)備的供電及通信線纜敷設(shè)應(yīng)符合JTGD70/2的規(guī)定。7.5設(shè)備調(diào)試7.5.1設(shè)備安裝過程中宜采用紅光筆進行實地通斷測試。每個區(qū)段安裝完成后或不可逆工序?qū)嵤┣埃瞬捎霉鈺r域反射計進行損耗測試。7.5.2設(shè)備安裝完成后，啟動解調(diào)儀并進行數(shù)據(jù)調(diào)試，調(diào)試結(jié)果記錄宜參考附錄B中的表B.1。7.5.3單通道解調(diào)得出的測點最強信號與最弱的信號強度比值不宜超過解調(diào)儀的動態(tài)范圍。7.5.4調(diào)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后宜進行連續(xù)3次的數(shù)據(jù)采集，并將3次測量的平均值作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的初始值。8數(shù)據(jù)處理分析8.1數(shù)據(jù)預(yù)處理T/CCTASXXXX—XXXX98.1.1數(shù)據(jù)分析前宜采用中位值濾波、均值濾波等方法對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的跳點和異常數(shù)據(jù)進行剔除或修正。8.1.2宜將隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度或環(huán)境溫度的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入各類結(jié)構(gòu)變形特征指標的計算公式中，以此補償溫度變化對分布式光纖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。8.2數(shù)據(jù)分析8.2.1表征裂縫寬度增量和接縫寬度增量的特征指標可由公式（1）或公式（3）計算得出：a)采用準分布式傳感光纖監(jiān)測：LF(n)=LΔεn（1）其中：Δεn=KλΔλn+KTΔT（2）式中：LF(n)—編號為n的裂縫或接縫寬度增量，單位為毫米（mm）；L—傳感光纖光柵傳感器標距，單位為毫米（mm）；Δεn—測點n位置的應(yīng)變變化量，單位為應(yīng)變(ε);Kλ—傳感光纖光柵應(yīng)變系數(shù)，可通過光纜供應(yīng)商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應(yīng)變每納米(ε/nm）；Δλn—測點n位置的中心波長變換量，單位為納米（nm）；KT—傳感光纖光柵溫度影響系數(shù)，可通過光纜供應(yīng)商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應(yīng)變每攝氏度(ε/℃);ΔT—監(jiān)測環(huán)境溫度變化量,，單位為攝氏度(℃);b)采用全分布式傳感光纖監(jiān)測：（3）其中：Δε(x)=KCΔCx+KTΔT（4）式中：C—采樣分辨率，即夠準確測量物理量所需的最短長度，單位為毫米（mm）；Δε(x)—傳感光纖在采樣分辨率內(nèi)任意一點的應(yīng)變變化量，單位為應(yīng)變(ε);Kc—背向布里淵散射光頻移量與光纖應(yīng)變的比列系數(shù)，可通過光纜供應(yīng)商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應(yīng)變每納米(ε/HZ）；△Cx—傳感光纖在采樣分辨率內(nèi)任意一點的背向布里淵散射光頻移變化量，單位為赫茲（Hz）。8.2.2表征隧道結(jié)構(gòu)縱向差異沉降的特征指標可由公式（5）計算得出。（5）其中：（6）T/CCTASXXXX—XXXX式中：CJ(AB)—測點B處相對于基點A位置處的沉降量，單位為毫米（mm）；ΔCJn—基點A位置起第n處光纖彎折點的相對于n-1處彎折點的相對沉降量；X—第n處光纖彎折點的相對于n-1處彎折點之間的斜向光纖長度，如圖6所示；D—第n處光纖彎折點的相對于n-1處彎折點之間的水平光纖長度，如圖6所示；H—第n處光纖彎折點的相對于n-1處彎折點之間的垂直高度，如圖6所示；ΔεΔεDn—第n處光纖彎折點與n-1處彎折點之間的對應(yīng)的水平光纖監(jiān)測的應(yīng)變變化量；8.2.3基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析還可計算以下特征指標：a)裂縫寬度：月均擴展速率、年均變化速率；b)接縫變位：月均擴展速率、年均擴展速率；c)縱向差異沉降：月均沉降速率、年均沉降速率。8.2.4隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面變形場的監(jiān)測數(shù)據(jù)宜采用雙線線插值方法對應(yīng)變分布進行平滑處理，并按照實際的比例尺將變形監(jiān)測測點位置映射至隧道襯砌變形二維展布圖中。數(shù)據(jù)處理示例見附錄C.28.2.5可根據(jù)襯砌表面變形場監(jiān)測結(jié)果進行拱頂開裂損傷風險區(qū)域的專項分析，分析結(jié)果宜包含：襯砌損傷風險區(qū)域定位，風險區(qū)域面積計算結(jié)果、變形發(fā)展速率計算結(jié)果，損傷風險模式識別結(jié)果。數(shù)據(jù)分析示例見附錄C.3。T/CCTASXXXX—XXXX（資料性）分布式傳感光纖安裝工藝要求A.1定點錨固準分布式傳感光纖宜采用定點錨固的方法進行安裝，工藝要求如下：a）光纜首點安裝確定第一個點安裝位置，將光纜頭部冗余足夠長度（端頭不少于10m）用于熔接引線/跳線，采用記號筆在配套夾具孔眼處做標記，采用沖擊鉆打眼，通過膨脹螺栓、鉚釘、免釘膠、植筋膠等方式固定配套夾具，將光纜定點位置固定。b）光纜預(yù)拉伸安裝首點固定后，采用電子手提稱對光纜進行預(yù)拉，按照固定拉力值拉伸光纜，快速完成光纜下一定點的固定，以此類推安裝剩余所有定點。c）過渡騎馬卡安裝為防止光纜固定點間距過渡下垂，在光纜處等間距安裝多個騎馬卡。d）環(huán)氧二次固定為防止夾具受運營振動產(chǎn)生松動帶來的測試誤差，在每個夾具位置處采用環(huán)氧樹脂進一步固定，固化24h左右即可達到完全固化。A.2整體粘貼全分布式傳感光纖宜采用整體粘貼的方法進行安裝，工藝要求如下：a）打磨除塵：沿隧道襯砌洞壁監(jiān)測測線進行打磨，去除表面污漬、灰塵、泛堿等。。b）底膠涂覆：在傳感光纜布設(shè)路徑上涂刷一層底膠粘結(jié)劑，以提高光纜粘合度。c）光纜布設(shè)：在底膠區(qū)域平直布設(shè)傳感光纜，避免光纜彎曲；布設(shè)完成后，在傳感光纜上部再刷一層面膠粘結(jié)劑，使光纜與隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面充分貼合。T/CCTASXXXX—XXXX（資料性）分布式光纖傳感調(diào)試數(shù)據(jù)記錄表示例表B.1準分布式光纖傳感調(diào)試數(shù)據(jù)記錄表（示例）隧道名稱光纖型號解調(diào)儀型號通道布設(shè)方式測線測點編號縱向環(huán)向波長(nm)溫度(℃)備注2次均值1環(huán)向排布第環(huán)ZK0+000左拱墻25左拱腰拱腰右拱腰穿越縱向裂縫1右拱墻1環(huán)向排布2-1ZK0+002左拱墻252-2左拱腰2-3拱腰2-4右拱腰穿越縱向裂縫22-5右拱墻……2縱向排布第列ZK0+右邊墻25ZK0+25ZK0+25ZK0+25ZK0+25T/CCTASXXXX—XXXX隧道名稱光纖型號解調(diào)儀型號通道布設(shè)方式測線測點編號縱向環(huán)向波長(nm)溫度(℃)備注2次均值2縱向排布2-1ZK0+左邊墻252-2ZK0+25…………調(diào)試人：調(diào)試時間：記錄人：T/CCTASXXXX—XXXX表B.2全分布式光纖傳感調(diào)試數(shù)據(jù)記錄表（示例）隧道名稱光纖型號解調(diào)儀型號通道布設(shè)方式測線測點編號縱向環(huán)向背向布里淵散射光頻移量(GHZ)溫度(℃)備注2次均值1環(huán)向排布第環(huán)ZK0+0000.125墻為起點0.20.30.40.5…………1環(huán)向排布2-1ZK0+0020.125墻為起點2-20.22-30.32-40.42-50.5…………2縱向排布第列ZK0+010.1右邊墻25ZK0+010.225ZK0+010.325ZK0+010.425ZK0+010.5252縱向排布2-1ZK0+010.1左邊墻252-2ZK0+010.225……調(diào)試人：調(diào)試時間：記錄人：T/CCTASXXXX—XXXX（資料性）襯砌表面變形場數(shù)據(jù)處理與分析示例C.1工程概況以一座兩車道的公路隧道為例，隧道凈寬為10.25m，具有完整的鋼筋混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)該隧道的專項檢查結(jié)果，該隧道部分段落具有襯砌空洞及欠厚問題。因此在某段落環(huán)向布設(shè)準分布式應(yīng)變光纖，用以監(jiān)測該隧道襯砌欠厚及空洞區(qū)域潛在的開裂變形風險。準分布式應(yīng)變光纖布設(shè)起點為K200+105右邊墻，每環(huán)對稱布設(shè)7個測點，測點環(huán)向間距為2米，沿隧道縱向往復(fù)環(huán)繞共16環(huán)，每環(huán)縱向間距為5米。C.2數(shù)據(jù)處理a）二維展布：將環(huán)繞于襯砌表面的光纖傳感測點Pi的位置信息，以二維坐標（x，y）的方式進行記錄，其中x為橫坐標，y為縱坐標。圖C.1分布式傳感光纖測點二維展布示意圖b）二維平滑：基于測點間的變形連續(xù)且線性的假設(shè)，按照指定的插值精度，采用雙線性插值方法對測值分布進行平滑處理。圖C.2分布式傳感光纖測點二維平滑示意圖C.3數(shù)據(jù)分析a）定位損傷風險區(qū)：根據(jù)該段落前一年應(yīng)變監(jiān)測情況（監(jiān)測周期不滿一年時，依據(jù)同類隧道襯砌應(yīng)變監(jiān)測項目確定經(jīng)驗取值）計算歷史應(yīng)變數(shù)據(jù)均值為27.96με,標準差為86.07με,損傷風險閾值設(shè)定如表C.1所示。將二維平滑結(jié)果中超過閾值線的數(shù)據(jù)點進行標記，標記區(qū)域即為損傷風險區(qū)域。表C.1損傷風險閾值設(shè)定表T/CCTASXXXX—XXXX標記類型閾值表達式（-230.25，286.17）2類uε±4σε（-316.32，372.24）3類（-402.39，458.31）注：uε為該段落歷史應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)均值，σε為該段落歷史應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)標準差。圖C.32024年5月29日損傷區(qū)域定位示意圖圖C.42024年5月30日損傷區(qū)域定位示意圖b）損傷風險區(qū)域面積由公式（C.1）計算得出：