1T/CCTASXXXX—XXXX公路隧道結構變形分布式光纖傳感監測技術指南本文件提出了采用分布式光纖傳感技術監測公路隧道結構變形的方法，以及設備選型、設備安裝和數據處理與分析的相關建議。本文件適用于公路隧道襯砌結構變形監測。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構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公路隧道養護規范GB4208外殼防護等級(IP代碼)GB50343建筑物電子信息系統防雷技術規范JTGD70/2公路隧道設計規范第二冊交通工程與附屬設施3術語和定義下列術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。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超長距離連續感測和傳導的的光纖傳感技術。4基本規定4.1分布式光纖傳感技術可用于監測公路隧道襯砌結構的裂縫擴展、接縫變位、差異沉降和表面變形場，監測范圍宜符合JTGH12中的規定。(4.2采用分布式光纖傳感技術監測隧道襯砌結構變形時，應根據監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的解調儀。兩種傳感光纖的技術特點和原理見表1。表1分布式光纖傳感技術特點和原理類型技術特點技術原理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相結合，通過一根傳導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實現對被測物一維空間的長距離連續感測4.3當監測測點的空間分辨率要求優于0.5m時，宜采用全分布式光纖傳感技術；當監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。5監測方法5.1裂縫擴展5.1.1分布式光纖傳感技術可用于監測公路隧道襯砌結構表面縱向、環向和斜向裂縫寬度的擴展增量。5.1.2監測環向裂縫時，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。測線布設方法見圖1。2323標引序號說明：1-隧道襯砌結構；2-隧道襯砌環向裂縫；3-分布式光纖測線圖1環向裂縫的測線布設示意圖5.1.3監測縱向裂縫時，宜將分布式光纖測線在隧道襯砌表面環向排布，測線宜盡量垂直跨越裂縫最寬處或其附近。測線布設方法見圖2。T/CCTASXXXX—XXXX3231-隧道襯砌結構；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示意圖5.1.4監測斜向裂縫時，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。測線布設方法見圖3。22331-隧道襯砌結構；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示意圖5.1.5監測前應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監測過程中宜同步采集測點附近的襯砌結構溫度或環境溫度數據。5.2接縫變位5.2.1分布式光纖傳感技術可用于監測襯砌管片和管節縫、施工縫、以及變形縫的擴展及錯臺等變位情況。T/CCTASXXXX—XXXX45.2.2監測公路隧道環向接縫變位時，宜將測線縱向水平布設于隧道兩側拱腰位置。測線布設方法見3423421-隧道襯砌結構；2-隧道襯砌環向接縫；3-左側分布式光纖測線；4-右側分布式光纖測線圖4環向接縫變位的測線布設示意圖5.2.3監測公路隧道襯砌管片間縱向接縫的變位時，宜將測線環向往復環繞，測線與接縫盡量保持垂直。測線布設方法見圖5。1-隧道襯砌結構；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示意圖5.2.4監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監測過程中宜同步采集測點附近的襯砌結構溫度或環境溫度數據。5.3差異沉降5.3.1采用分布式傳感光纖監測隧道結構縱向差異沉降的基點宜設置在隧道襯砌結構相對穩定段落。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一條水平測線用以補償T/CCTASXXXX—XXXX5橫向變形。測線布設方法見圖6。1-隧道襯砌結構；2-橫向位移補償傳感光纖；3-鋸齒狀排布傳感光纖圖6隧道結構縱向差異沉降監測示意圖5.3.3監測過程中宜同步采集沉降風險段落的襯砌結構溫度或環境溫度數據。5.4襯砌表面變形5.4.1監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環繞布置以形成一個環向測點陣列，各環向測線的間距Sh不宜大于3m。測線布設方法見圖7。1-隧道襯砌結構；2-隧道開裂掉塊風險區域；3-分布式傳感光纖環向環繞圖7襯砌表面應變場監測環向陣列的測線布設示意圖5.4.2監測以環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。測線布設方法見圖8。T/CCTASXXXX—XXXX61-隧道襯砌結構；2-隧道開裂掉塊風險區域；3-分布式傳感光纖縱向環繞圖8襯砌表面應變場監測測線縱向往復布設示意圖5.4.3測點陣列的布設范圍宜覆蓋行車道正上方的拱頂區域，且由開裂掉塊的高風險區段向低風險區段縱向延伸，延伸距離不少于10m。6監測設備6.1一般規定6.1.1公路隧道結構變形監測的分布式光纖傳感系統主要由傳感光纖、解調儀、及其配套的通信和供電設備組成。6.1.2傳感光纖的使用壽命不宜低于15年，解調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參數要求見表2。表2準分布式傳感光纖的技術要求序號設備參數技術要求1分布形式單個長標距傳感器串聯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工作溫度區間優于-30℃~80℃7防護等級優于IP656.2.2全分布式傳感光纖的主要技術參數要求見表3。表3全分布式傳感光纖的技術要求序號設備參數技術要求1分布形式測點沿測線連續分布T/CCTASXXXX—XXXX72量程范圍≥20000με3平均光損值≤0.3dB/km@1550nm4工作溫度區間優于-30℃~80℃5防護等級優于IP656.3解調儀6.3.1準分布式光纖傳感解調儀的主要技術參數見表4。表4準分布式光纖傳感解調儀的技術要求序號設備參數技術要求1波長范圍包含1528nm~1568nm2分辨率≤1με3精度≤2με4動態范圍≥10dB5最大解調頻率優于1HZ@1CH6工作溫度優于-20℃~55℃6.3.2全分布式解調儀的主要技術參數見表5。表5全分布式光纖傳感解調儀的技術要求序號設備參數技術要求1頻率掃描范圍9.0～13.0GHz2采樣分辨率優于0.1m3分辨率≤2με4精度≤10με5動態范圍≥10dB6最大解調頻率優于0.001HZ@1CH7工作溫度優于-20℃~55℃7設備安裝7.1一般規定7.1.1設備安裝工藝設計宜考慮后期的可維護性和可更換性。7.1.2設備安裝位置不應侵入隧道建筑限界，不應影響隧道內已有的機電設備的正常運行。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張拉，預張拉控制量宜為3000με。7.2.3光纖敷設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不宜超過3次。熔接完成后應對熔接部位進行保護，防止該部分彎折。7.2.5周邊環境復雜惡劣或干擾較大時，可通過U型蓋板防護敷設完成的傳感光纜。7.2.6宜每間隔一段距離（約300m~1000m）設置一段10m左右的冗余光纖便于用于后續光纜檢修。7.3解調儀7.3.1解調儀宜安裝設備機箱內，機箱防水防塵標準不宜低于GB4208中規定的IP55防護等級。7.3.2解調儀宜布設在隧道的養護管理站或變電房內。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儀，也可經通信光纜串接后再接入解調儀。7.4.2宜為解調儀及其上位通訊設備提供市電，并配備UPS作為停電工況下的應急電源。UPS蓄電池的蓄電量宜保障系統正常采集和傳輸數據不少于48小時。7.4.3設備防雷性能應滿足GB50343的要求。7.4.4監測設備的供電及通信線纜敷設應符合JTGD70/2的規定。7.5設備調試7.5.1設備安裝過程中宜采用紅光筆進行實地通斷測試。每個區段安裝完成后或不可逆工序實施前，宜采用光時域反射計進行損耗測試。7.5.2設備安裝完成后，啟動解調儀并進行數據調試，調試結果記錄宜參考附錄B中的表B.1。7.5.3單通道解調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儀的動態范圍。7.5.4調試數據穩定后宜進行連續3次的數據采集，并將3次測量的平均值作為監測數據的初始值。8數據處理分析8.1數據預處理T/CCTASXXXX—XXXX98.1.1數據分析前宜采用中位值濾波、均值濾波等方法對原始監測數據的跳點和異常數據進行剔除或修正。8.1.2宜將隧道襯砌結構溫度或環境溫度的同步監測數據帶入各類結構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測數據的影響。8.2數據分析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位置的應變變化量，單位為應變(ε);Kλ—傳感光纖光柵應變系數，可通過光纜供應商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應變每納米(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，可通過光纜供應商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應變每攝氏度(ε/℃);ΔT—監測環境溫度變化量,，單位為攝氏度(℃);b)采用全分布式傳感光纖監測：（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任意一點的應變變化量，單位為應變(ε);Kc—背向布里淵散射光頻移量與光纖應變的比列系數，可通過光纜供應商提供或通過光纜標定試驗確定，單位為應變每納米(ε/HZ）；△Cx—傳感光纖在采樣分辨率內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表征隧道結構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的水平光纖監測的應變變化量；8.2.3基于監測數據的統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隧道襯砌結構表面變形場的監測數據宜采用雙線線插值方法對應變分布進行平滑處理，并按照實際的比例尺將變形監測測點位置映射至隧道襯砌變形二維展布圖中。數據處理示例見附錄C.28.2.5可根據襯砌表面變形場監測結果進行拱頂開裂損傷風險區域的專項分析，分析結果宜包含：襯砌損傷風險區域定位，風險區域面積計算結果、變形發展速率計算結果，損傷風險模式識別結果。數據分析示例見附錄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）光纜預拉伸安裝首點固定后，采用電子手提稱對光纜進行預拉，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）環氧二次固定為防止夾具受運營振動產生松動帶來的測試誤差，在每個夾具位置處采用環氧樹脂進一步固定，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：在傳感光纜布設路徑上涂刷一層底膠粘結劑，以提高光纜粘合度。c）光纜布設：在底膠區域平直布設傳感光纜，避免光纜彎曲；布設完成后，在傳感光纜上部再刷一層面膠粘結劑，使光纜與隧道襯砌結構表面充分貼合。T/CCTASXXXX—XXXX（資料性）分布式光纖傳感調試數據記錄表示例表B.1準分布式光纖傳感調試數據記錄表（示例）隧道名稱光纖型號解調儀型號通道布設方式測線測點編號縱向環向波長(nm)溫度(℃)備注2次均值1環向排布第環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儀型號通道布設方式測線測點編號縱向環向波長(nm)溫度(℃)備注2次均值2縱向排布2-1ZK0+左邊墻252-2ZK0+25…………調試人：調試時間：記錄人：T/CCTASXXXX—XXXX表B.2全分布式光纖傳感調試數據記錄表（示例）隧道名稱光纖型號解調儀型號通道布設方式測線測點編號縱向環向背向布里淵散射光頻移量(GHZ)溫度(℃)備注2次均值1環向排布第環ZK0+0000.125墻為起點0.20.30.40.5…………1環向排布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……調試人：調試時間：記錄人：T/CCTASXXXX—XXXX（資料性）襯砌表面變形場數據處理與分析示例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構。根據該隧道的專項檢查結果，該隧道部分段落具有襯砌空洞及欠厚問題。因此在某段落環向布設準分布式應變光纖，用以監測該隧道襯砌欠厚及空洞區域潛在的開裂變形風險。準分布式應變光纖布設起點為K200+105右邊墻，每環對稱布設7個測點，測點環向間距為2米，沿隧道縱向往復環繞共16環，每環縱向間距為5米。C.2數據處理a）二維展布：將環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且線性的假設，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數據分析a）定位損傷風險區：根據該段落前一年應變監測情況（監測周期不滿一年時，依據同類隧道襯砌應變監測項目確定經驗取值）計算歷史應變數據均值為27.96με,標準差為86.07με,損傷風險閾值設定如表C.1所示。將二維平滑結果中超過閾值線的數據點進行標記，標記區域即為損傷風險區域。表C.1損傷風險閾值設定表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為該段落歷史應變監測數據均值，σε為該段落歷史應變監測數據標準差。圖C.32024年5月29日損傷區域定位示意圖圖C.42024年5月30日損傷區域定位示意圖b）損傷風險區域面積由公式（C.1）計算得出：