加拿大Roctest产品工程案例4： 分布式光纤隧道安全监测应用指南

加拿大Roctest产品工程案例4：

分布式光纤隧道安全监测应用指南

基于分布式光纤传感的隧道安全监测

监测并精确定位移动、裂缝或异常变形的最佳方式是采用分布式光纤解决方案。

新建和既有隧道都可能存在与周边岩土及水文条件相关，以及与设计假设和建筑材料相关的不确定性结构风险。此类风险可能通过以下现象显现：

l异常变形

l沉降

l混凝土衬砌中裂缝的形成或发展

l接缝位移

l渗水点

l异常温度

l隧道衬砌塌陷

此类事件的发生位置是未知的，因此仅在选定断面布设传统仪器对于损伤探测和定位效果有限。Smartec 已开发出基于光纤的解决方案，通过应用拉曼和布里渊解调技术等先进技术，利用成熟的分布式光纤 (FO) 技术来监测移动。这些解决方案通过在隧道纵向、沿隧道长度方向、在断面不同位置安装的光缆，对沿其每米长度的温度和/或应变进行精确测量，从而实现事件的监测与定位。

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参考项目：

以下项目采用了瑞士Smartec的监测仪器与技术方案：

l纽约地铁Canarsie隧道变形监测(美国,2019)

lSanSalvatore公路隧道监测(瑞士,2018-2019)“Salerno-Reggio Calabria”A3高速公路

lFossino隧道监测(意大利,2015)

lPenstock隧道变形监测(瑞士,2013)

l巴塞罗那的高速铁路隧道(西班牙,2010)

l卡迪亚东部地下项目–选矿隧道变形监测(澳大利亚,2015)

l监测模拟仓库隧道周围的变形(瑞士,2013)

lMotol布拉格地铁5号线隧道延伸监测(捷克共和国,2008)

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技术原理

分布式光纤传感器最成熟的技术基于拉曼散射和布里渊散射。这两种系统都利用了光与构成标准光纤的石英材料之间的非线性相互作用。当已知波长的光被注入光纤时，沿着光纤的每一点都会有极少量的光被散射回来。散射光包含不同于原始信号波长的分量。这些偏移的分量包含着光纤局部特性的信息，特别是其应变和温度。对于应变和变形监测，布里渊散射是唯一的选择，因为拉曼散射仅对温度敏感。

 

布里渊分布式传感技术

 

分布式传感的优势

l分布式传感

l单根光纤传感器（传感光缆）

l传感光缆的每一段都替代了独立的点式传感器

l提供测量值（平均应变和/或平均温度值）的位置（何处）和大小（程度）信息

l通过单次扫描即可获取完整的测量剖面

在诸如隧道等岩土工程应用领域，大型结构尺寸和损伤位置预判都构成挑战。分布式技术提供了使用单根光纤传感器监测隧道整个长度的能力。隧道监测的典型需求包括：混凝土衬砌裂缝的探测与定位、水平和垂直变形监测、收敛监测、接缝位移监测和水流入渗点的定位。

所有这些事件的发生位置均不可预测。因此，在预先设定位置安装传统点式传感器来解决这些问题是不切实际的，因为事件可能发生在**已布设仪器的断面之间。与电学传感器和点式光纤传感器不同，分布式传感器具有独特的特性：能够沿着其整个长度测量物理参数，从而仅需单个传感器即可测量数千个点。

传统方法：在预先定义的测试区域安装多个传感器

一根传感光缆替代了数个点式传感器

 

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传感光缆

测量分布式应变需要特殊设计的传感器。必须确保传感器与主体结构沿整个光纤长度形成机械耦合。针对不同的隧道安装环境，设计了用于测量应变和温度的多种光缆结构。

 

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数据管理与图形用户界面

 数据管理软件的核心功能旨在自动测量分布式传感器数据，并自动处理海量信息以检测和定位异常事件。操作人员可通过图形界面实时查看传感器历史测量数据。该软件具备告警触发能力（短信/邮件/电话通知），并在显示屏实时显示警告信息。警告机制可针对多种事件类型触发，包括：应变异常、温度变化、渗漏及裂缝。

圣萨尔瓦多隧道分布式监测系统用户界面（界面中）色彩变化反映不同位置记录的应变等级。

典型安装方案

采用金属支架将应变光缆固定于隧道混凝土墙面

通过粘接方式在隧道衬砌表面安装应变感测光缆

采用粘接工艺在管沟群结构体表面敷设应变光缆

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NOVA METRIX

加拿大Roctest公司与Smartec公司为同一集团 NOVA METRIX下的不同品牌。 NOVA METRIX是集研发、制造一体的供应商，专注于基于振弦式与光纤传感器的创新传感技术，服务于岩土和结构监测仪器领域。

瑞科仪器与NOVA METRIX合作提供一系列完整的基于传统传感器的解决方案，涵盖从极为耐用的传统振弦式技术，到用于岩土工程测量与监测以及关键资产结构健康监测（SHM）的尖端光纤技术。这些关键资产包括：水坝、隧道、矿山、建筑物、桥梁、核电站以及众多难以尽述的其他结构物。

此外，我们还提供种类广泛的旁压仪、岩石膨胀计，以及用于土壤和岩石的室内及现场测试设备。

 

服务

l系统设计

l安装、操作和维护

l数据管理

l数据分析

 

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其他配件

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适用工程项目

l尾矿坝监测

l大坝和堤坝的光纤泄漏检测大坝与堤防仪器安装和安全监测隧道仪器安装与结构健康监测

l隧道中的光纤位移检测

l采矿安全光纤监测

l桥梁仪器安装与结构健康监测

l建筑物仪器安装与结构健康监测历史古迹监测

l岩土和结构监测

l核电站监测

l化工厂泄漏光纤检测

l管道泄漏光纤监测储

l存设施监测