地下设施的结构健康监测

地下设施的结构健康监测

——技术方面的问题与挑战

摘要

由于土地的稀缺，许多城市规划者正在认真考虑地下空间，来满足住宅，商业，交通，工业以及城市发展的需要。除了节约土地资源，地下建筑物提供的好处包括，对于地震和飓风防范的安全性，避免了城市噪音。然而，由于独特的设计以及施工，在项目施工和运营期间，它们需要严格的结构健康监测（SHM ）方案，尤其是在附近的地面有着重要的建筑物时。进行连续监测可以有助于减少潜在的危险，确保更好的性能和促进深入理解整体的结构性能。本文讨论了重要的技术问题和地下建筑物的结构监测所面临的挑战。详细地概述了可用的传感器技术以及全面监测的方法，特别强调了地下作业所遇到的情况。也强调了这种监测的实际好处，通过几个涉及地下结构的真实案例进行了研究。

1. 序论

民用基础设施是任何一个国家重要资产的重要组成部分之一。它们未能履行最佳状态水平，会影响该国的国内生产总值。然而，在世界许多地区，民用基础设施的日益老化正在给土木工程师造成不可预见的维护问题。这也促使积极研究在实时和自动化结构健康监测系统（SHM ）的发展，它也促进了关键基础设施的持续监测以及人员参与的最小化。SHM 的定义是建筑物的运行情况和荷载环境的监测，以及跟踪和评估操作事件的任何症状，异常和破坏/损伤。这可能影

响其平稳运行，适用性或者安全可靠性。破坏/损伤可能是由材料属性，几何结构，边界条件，系统的连接以及加载环境所引起的。因此，综合的SHM 监测要求对各个方面进行密切监测。

目前SHM 相关的绝大多数研究只专注于表面结构，例如桥梁和建筑物。几个现实中的桥梁已经全面进行了仪器的安装，并且正在监测运行中。然而，由于地下结构监测系统和技术的发展能力的有限，最近已经吸引了全世界的城市开发者的关注。支持地下结构建设的最重要的论据之一就是它们能够缓解土地资源稀缺的压力，特别是在那些大都市。通过地下工程所节省的有用的地面空间，可以被用来进行其他的社会工作，或者可以进行生态公园的建立/保护。此外，地下结构被认为是不易受到极端事件所损伤的，例如地震，风暴/飓风。与地面建筑物相比，不易受到噪音污染。在存储易燃碳氢化合物和其他危险化学品方面，它们也比起地面结构更加安全。地下空间也不会受到电磁波的影响，对于电磁相关的研究/制造比较理想。新加坡的地下科学城的提议很好的反映了地下工程的趋势。图1显示了所提议的科学城的概念设计，它将容纳杰出的科学研究实验室。这种结构不会以任何方式影响当前地区的园林绿化，也不会与任何环境问题产生冲突。这种杜绝噪音的环境对于实验室里的研究是很理想的。

图1. 新加坡的地下科学城的概念设计

然而，不像地面的建筑物，地下建筑物的设计和施工更为复杂和昂贵。它们往往会在施工中和运营中遇到前所未有的困难。通常，许多复杂的岩土工程和环境参数无法在设计阶段中考虑到。因此，它们中的大多数可能会被保守或者错误的估计，从而导致不经济或者不安全的设计。遗憾的是，施工完成之后，设计假设往往得不到验证。因此，一个比较全面的仪器设备在地下结构施工间能为外部荷载，应力分布，变形以及持续发生的损伤提供长期的监测，从而保证了高水平的安全性。同时，它可以作为设计验证的手段以及作为未来施工节省开支参考的数据库。这就使得那些还不是很熟悉的施工技术或者一项已知的技术超出正常范围内的应用，变得息息相关起来。最近发生在新加坡的实例突出了这一事实，2004年4月20日，在Nicoll 大道环形捷运路线（MRT ）的施工期间，一个临时挡墙，它支持着一个邻近Nicoll 大道的33米深的基坑，在毫无警示下坍塌了，导致横跨的六车道公路的大面积塌陷。这场事故的地点，如图2所示，面积有着两个篮球场那么大。除了造成一个重要交通

网络的关闭以外，事故造成了四人死亡以及多人受伤。平时这个时候交通非常拥堵，而幸运的是，事故发生时没有车辆行驶，否则，伤亡会更大。

图2. 坍塌后的Nicoll 大道

虽然事件还在调查之中，由调查委员会的临时报告间接指出，在设计和旋喷桩的施工中，形成了挡土系统的一部分。委员会指出，在不熟悉的施工技术下，更应该强调喷射灌注桩的定期检测。预测值与实际值之间的比较，以及关键路口的定期检测能够尽早察觉有害趋势。特别的是，报告指出“有需要将来自各个检测仪器的信息进行整合，将关键的信息相关联到作业场所会有什么事情发生，以及施工中每一个细节的质量。”Nicoll 大道的倒塌，严重强调了施工期间SHM 的必要，特别是在城市中心，在那里关键性的建筑物很

可能位于暗挖/施工地点上方的地面上。在严重损伤或者土支护结构失效以前，SHM 可以提供足够的预警。

虽然SHM 的重要性是大家公认的，但是被确认为总体地下资产管理系统的一个至关重要的因素，它还没发展到这个阶段。其最主要的原因就是SHM 还没有成为实践方面的相关准则。另一个原因是，到目前为止，关于地下结构的详细的成本效益分析还没执行过。同时，更为广泛的来讲还没有有效的方法来认证。

本文解决的主要问题涉及到了地下结构的SHM 。详细地描述了各种类型的传感技术，特别强调了地下条件下所遇到的问题。借助了一些实例研究以及作者们进行的研究，来证明了SHM 的实际优势。

2.SHM 的传感器系统

只有在所有关键部位的传感器系统对结构进行监测，才能实现全方位的结构监测。同时，很难想象只使用任何一种传感器就能追踪完整的结构行为以及监测到所有可能的结构异常。因此，全面监测要求部署作用上能够相互互补的传感器系统，并且要保留一定的冗余。这是为了在没有引起监测系统的总体崩溃的条件下，一部分传感器不能正常运行是允许的。此外，触感器以及相关的数据检索系统应能承受住施工以及运行期间的所遭遇到的地下恶劣环境。 一般说来，SHM 传感器可以分为表面贴附式和嵌入式两种。如果表面贴附式传感器在任何阶段发生了故障，是可以替换的。然而，对于嵌入式传感器的维修以及更换来说，是非常有限的。因此，嵌

入式传感器，如果应用在地下结构中的话，其性能应该特别强大和持久的。下面部分就介绍了各种传感系统的工作原理，这些系统可用于地下结构的监测。根据地下结构所遇到的情况，来突出了他们的优点和缺点。

2.1应变计

应变计是结构性能监测方面使用的最为广泛的传感器。在结构的表面，应变是由弯曲，扭曲，剪切，拉长/压缩所引起的变形。因此，应变测量能够捕捉到元件性能的好坏。因为其有效的性能，所以对于时间和温度测量很稳定。此外，它具有较小的尺寸和惯性，并且在应变范围内能够表现出线性响应。商业应变计有着各种类型，有机械的，电气的或者光电的。下面是成功商业化的突出类型的各种应变计。

2.1.1振弦式应变计(VWSG)

图3显示了一个典型VWSG 的制造细节，一个VWSG 主要使用一根预应力不锈钢钢丝组成，它的两端被固定在耳状物上，耳状物是点焊而成以及构成监测组成部分。传感器线圈，固定在电线之上。当通电时，线圈会张拉电线，同时测量下所产生的振动频率。从振动原理来看，振动的自然频率f ，与电线中的张力F 有关。

在这里L 是表示电线的长度，m 是单位长度的质量。应变力的任何改变，即Δε，会引起张力的的相应改变，即ΔF 。因此，自然

频率也就改变了Δf 。对于较小的应变力，可以使用胡克定律，应变力的改变可以表示为

在这里Y 表示电线的弹性模数，A 表示电线的横切面积。

图3. 振弦式应变计

如果VWSGs 用于结构部分的长期监测，可能会受到温度波动的影响。在解读它们的读数时，应该特别注意。如果结构部分和VWSG 有着相同的热膨胀参数α。如果监测的部分是没有条件限制的，那么就作为自由热膨胀应变力αΔT 以及温度的变化ΔT 处理。因此，在被监测的部分以及VWSG 中，不会有额外的压力产生。VWSG 的读数也就不会受到任何改变。如果外部荷载施加到了结构的某个部分，那么应变力就有所增加。因此，在实际情况下，两者影响效果（热膨胀和外部荷载）会被叠加起来，而VWSG 将只扑捉来自于外部荷载产生的应变力。因此，如果所检测部分的热膨胀系数和VWSG 的相同的话，就没有必要对VWSG 测量的应变力数据进行校正。但是，所测部分的热膨胀系数不同的话，即β。如果该结构

部分没有其他限制条件的话，那么在VWSG 中的应变力就等于（β-α）ΔT 。这个结果是不真实的，因为这并不能引起被检测部分的任何压力。因此，一般来说，当荷载和温度波动同时发生时，被测的应变力εm 应该改为：

VWSG 在地下结构的使用中性能很好，即使振动，线路也不会随着时间衰减，所以它们非常适合长期监测。它们可以很容易的点焊到钢筋混凝土结构构件上去。这做工仪器技术在连接新加坡和马来西亚的大桥中得到了采用，在1997年的施工中广泛的安装了VWSGs 。甚至8年以后，这些安装在大桥上的VWSGs 仍然可以运作。Oosterhout(2003)提到了主要基于VWSGs 关于地下结构的一个类似的监测方案。时间长达5年。这就清楚地证明了VWSGs 的性能强大和寿命长的特点。

VWSGs 的主要缺点就是，它们只适合于测量静态压力，因为他们需要拔线。它们也容易受到周围环境振动的形式的外部噪音。如果安装在外部（例如深基坑中用于支撑临时挡土墙的钢支柱上），需要采取特别保护来避免受到日常施工作业带来的损害。

2.1.2 电应变计（ESG ）

ESGs 基于的原理是，在机械应力的作用下，导体中的电阻会随着荷载产生的压力引起相应比例的变化。ESG 基本上是由薄金属箔网格，粘结到薄且坚韧以及灵活的聚酰亚胺塑料薄膜上。它能够粘结在被测部分的表面，如图4(a)所示。聚酰亚胺薄膜给应变计与被

测部分之间提供了电绝缘性。当结构部分受到荷载时，它的应力就背转移到了箔网格上，其电阻也随之变化。电阻的相对变化，箔网格的ΔR/R与应变力ε的关系是：

其中S g 称作测量因素或者ESG 的校正常量。在用于应变力计制造的大多数合金中，其变化范围在2-4之间，如铜镍合金，镍洛合金。应变计的输出ΔR/R通过惠斯通电桥电路，被转化成电压信号，如图4(b)所示。这个电路的输出电压V o 由下式可知：

输入电压Vi, 由应变计消耗的电能来决定，这又取决于应变计的长度（一般是0.2mm 和100mm ）以及应变计的初阻值。输出电压值的范围是每单位应力的1至10μV 之间。

图4. （a ）电应变计箔片, (b)惠斯通电桥电路.

像VWSGs ，由ESG 所测的应变力需要进行基于温度影响的补偿。温度的变化会引起S g 的变化，同样也会初阻值（R ）的变化，另外会引起不真实的应变力值，等于 （β-α）ΔT 。温度相关的变化很小，以100℃来算，通常不足温度变化的1%。因此，在日常压力分许中，除非预计的温度的变化有好几百度，否则它们可以忽略不计。其他影响中，如考虑虚假值的变化可由下式知：

在这里，c 表示应变计合金的电阻率温度系数。如果在式6中的系数为零或者相互抵消的话，那么温度可以得到补偿。然而，这种情况很少发生，而且也只有在非常狭窄的温度范围内才能实现。因

此，一般来说，把式5中的ΔR/R减去式6，就可以得到修正值。 由于其脆弱性，ESGs 在安装期间需要相当地注意。此外，电噪声也经常干扰ESGs ，因为来自于惠斯通电桥电路的输出电压只有几毫伏。幸运的是，通过使用缠绕的导线做成适当的接地屏蔽，使电噪声能够减少到允许的水平。此外，ESGs 非常容易受到水的腐蚀。在新加坡，地下洞体的锚杆监测中，经常会遇到这样的问题。因此，如果在地下结构中使用，ESGs 必须适当密封起来，在那里，它们很可能会遇到过于潮湿的问题。一般说来，在很长一段时间中，与VWSGs 相比较，ESGs 往往不稳定。因为这个原因，大多数的长期研究中提到使用VWSGs ，而不是ESGs 。然而，由于其低成本性，在短期监测中，往往首选ESGs 而不是VWSGs 。

2.1.3基于应变计的光纤布拉格光栅（FBG ）

光学纤维，是非常纤细的玻璃和硅纤维，利用了光纤特性来产生光电信号，来表示能够测量的外部物理参数。虽然它们最初的开发是处于通信的目的，从90年代开始，它们作为传感器使用已经有了相当大的共识。由于各种现有的光纤技术，FBG 已经被证实是用途最广的。布拉格光栅是一种周期性结构，通过将感光的纤维暴露到紫外光源中来制成。图5说明了基于应变计的FBG 的工作原理。如图所示，当光从宽带光源与光栅接触时，当其他信号传输时，一种单一的波长，被称为布拉格波长，被反射回来。布拉格波长，λ与光栅强度，Λ，以及有效折射参数n eff 关系如下： B ，

光纤中的外部机械应变力通过光栅周期的膨胀或者压缩以及光弹性效应，来改变布拉格波长。同样的，温度变化也能引起光栅周期和折射率的变化。这些影响提供了手段，即采用光纤光栅写入到纤维中，以此来作为传感器的部件去测量应变力以及温度。由于外部的干扰，会引起布拉格波长的改变。应变力的改变Δε，温度的改变ΔT ，以及压强的改变ΔP ，定量的描述为

在这里，K ε，K p 以及K T 分别表示为应变力（ε），温度（T ），压强（P ）的波长灵敏度系数。因此，以便作为应变力传感器使用（在没有压强），测量的应变力需要对温度进行纠正。通常，这需要安装个额外的FBG ，靠近应变力FBG ，而不是粘附在结构上面。温度单独变化，可以测到波长的改变。然后对温度进行补偿。此外，在VWSGs 以及ESGs 中，应变力假值（β-α）ΔT ，由于纤维和结构的热膨胀性不同，还必须从测量到的应变中消除。

图5. 基于传感器的FBG 的制作和原理

在新加坡的南洋科技大学（NTU ），一项全面的研究计划正在进行中，开发用于民用结构的具有成本效益和持久的FBG 传感器。NTU 研究的这种应变力传感器主要由FBG ，大约10mm 长，夹在碳复合材料层中（50mm 长，0.5mm 后），如图6所示。Moyo （2002）在实验室一定大小的结构上，对这种FBG 传感器进行了实验评估，通过静态和动态测试，证明了在民用结构上广泛使用的可能性。其他的一些基于地面结构的FBG 传感器的应用也已经提到过。Liu 等人（2002）证明了在进行地下结构监测中它们的可适用性。

图6.NTU 研发的基于应变力传感器的FBG

FBG 传感器体积小，重量轻，耐腐蚀，经久耐用。VWSGs 和ESGs 需要导线用来记录数据，长距离监测时，会受到电磁干扰和噪声干扰。另一方面，FBG 传感器不受电磁干扰以及可以复用，因此消除了长缆的使用。然而，与VWSGs 和ESGs 比较起来，它们非常的脆弱。出于这个原因，在民用结构上安装FBG 传感器，由于恶劣的环境，往往会导致大部分的传感器不能正常工作。与ESGs 和VWSGs 相比，它们尚未完全成熟纳入标准领域的使用。另外，与传统传感器系统相比，该测量系统和传感器相对比较昂贵。

2.2SHM 中其他通常使用的传感器系统

表1总结中SHM 中通常使用的变形测量计，加速度计，压力传感器以及温度传感器的显著特点。下一节介绍压阻式传感器，它最近已经成为了普遍使用的损伤检测传感器。

2.3压阻传感器

不像上述的传感器，压阻传感器是比较新型的传感器，到现在只有10年的时间。它们没有测量任何直接的物理参数如压力，应力或者温度。相反，它们是获取主结构体的特征来分析存在的任何结构损伤。使用了压电传感器的技术就是所知的机电阻抗技术（EMI ），甚至能够监测到早期损伤。

压阻传感器是由压电材料例如锆钛酸铅（PZT ），以及也指压电陶瓷片或者PZT 片。图7（a ）显示了一个典型的商用PZT 传感器，适合用作压阻传感器。根据压电现象，PZT 片呈现出两种特殊的效应。随着机械应力，它们会产生表面电荷响应。应用在飞机上。这就是所谓的直接效应。相反，它们经受了机械变形，通过它们的厚度产生电场效应，这就是逆效应。EMI 技术就是使用这两种效应，同时协同进行的。

在EMI 技术中，使用高强度环氧粘合剂以及通过阻抗分析仪通电激活的手段，把PZT 片粘附到被测结构的表面。在这种配置中，PZT 片（长度为2l ，宽度w ，厚度h ）表现为受到轴向振动的一个细杆，如图7（b ）所示。一个机电系统的模型如图7(c)所示，其结构由两个相同的机械阻抗Z 所替代。耦合系统的复杂机电导纳Y （阻抗的倒数）可以得出：

图7(a)商用化的PZT 片，(b)EMI技术的原理，（c ）系统的等同模

型

在这里d31是PZT 材料的压电应变参数，Y E 是在恒定电场下的杨氏系

数，ε是恒定应力下的介电常数，Za 是PZT 片的机械阻抗，ω是角频率，κ是波数。

机电耦合由式（9）是用在EMI 技术的损失监测中。在这个等式中，主结构的机械阻抗Z 表示着结构参数的功能。即刚度，阻尼和质量。任何对结构造成的损失都会引起这些参数的变化，因此，这些变化，即驱动点机械阻抗Z 。从式（9）可以看出，机电导纳，Y ，也会改变，以及作为结构健康状态的一个指标。由于激发的高频率，EMI 对于损伤有着很高的灵敏度，通常是超声波技术所规定的。通常情况下，在裸眼看见之前，该技术能够监测弯曲和剪切裂缝。借助一个实例，图8说明了怎样通过所检测到的导纳，来解读损伤。一个大小为50*48*10mm的铝块，上面安了一个大小为10*10*0.3mm的PZT 片（图8（a ））。在结构中钻入两个5mm 直径

的小孔，来进行损伤诱导试验。图8（b ），显示了在180-200KHz 的频率范围内，电导（导纳的实部）上的诱导损伤的影响。由于该损伤，可以观察到一个主要的共振峰值，已经进行了左移。一个简单但是粗略的方法是利用统计量词来量化损伤，例如根据未损伤与损伤的状态，均方根偏差或者相关系数。然而，最近，Bhalla 和Soh 通过确定结构参数，制定了一个参数化的方法。例如主结构的固有刚度和阻尼。使用这种方法，发现铝块的已确认的刚度从初始状态的5.18*107N/m减少到损伤后的4.55*107 。在严重损伤下校准结构参数，能够从测量的电导纳签名中很容易的解读。

由于其高灵敏度，EMI 技术在过去八年里引起了人们广泛的研究。它在传统监测技术中也有一些其他优点，它得依靠荷载，压力或者应变力的测量得以发挥。因为它不需要被监测结构的任何复杂的分析或者数值模拟。它采用了低沉本，低能耗要求的PZT 片，它能够以非嵌入的方式粘附在被监测物体上，可以不需要进行表面处理就能够被访问。不需要复杂的数据处理或者昂贵的硬件。借助一组这样的传感器，可以很容易地确定损伤的位置。对于损伤的灵敏性，该技术比起全面监测的方法具有优势。几个概念证明了无损检测（NDE ）在EMI 技术的应用。

图8.EMI 技术的应用:(a)测试结构；（b ）基于电导签名的损伤影响 虽然EMI 技术已被证明对于损伤有高灵敏性，技术细节例如传感器的封装，仪器仪表以及长期保护尚未被标准化。因此，在地下结构中使用EMI 技术之前，需要特别的考虑。NTU 最近正在进行一项全面的研究方案，来开发基于EMI 技术的低成本实用SHM 系统。其中包括可实现的PZT-structure 维像模型以及损伤定位和定量算法的研发。美国的研究小组正在积极研究开发低成本和便携式的签名采集系统以及无线技术，这将使得技术更加经济和在未来标准化。

3. 地下结构的SHM 带来的益处：实例研究

这部分介绍了新加坡和世界其他地方，关于地下设施的监测和仪器设备方面的经验以及结果。具体来说，强调了这些仪器的实用好处。

3.1使用VWSGs 进行深基坑围护的监测

临时墙，由横向的支柱支撑，通常用来地下室开挖时基坑四周的围护。Coutts 等人(2001)提到了在新加坡修建两个大型捷运站（MRT ）时，基坑中土压力的监测。这次开挖由驱动型军用桩和木材绝缘材料来进行临时围护。由多层双 I 型梁横向支撑。在Serangoon 站最大的开挖深度为25m, Woodleigh站为23.4m 。为了监测一支I 型横梁的荷载，两个VWSGs 被安装在了该网络中，顶部与底部法兰之间的距离为100mm 。两个应变计所得到测量平均值，确保了消除任何弯曲应变的可能性。应变计安装在距离横梁两端3m 处的位置，是为了避免可能的末端作用。不需要进行温度的修正，假设应变计和支撑的热膨胀系数几乎相同。通过监测支撑上的应力，调查人员发现，用不同的理论预测所测到的土压力有着明显的差别。在Serangoon 站，测到的土压力比理论预测要低得多，而在Woodleigh 站，则又是另一回事。有人还发现，在一些支撑的位置，压缩力超过了他们设计值高达51%。利用测得的土压力，工作人员能够正确的估计到土壤参数，这是被用来精确计算土压力，以及确保在其他车站临时支撑更安全，更经济的设计。

Batten 等人（1999）同样提到了关于圆形钢支撑的应力和温度监

测，这些支撑的直径大约1m ，支撑着地下基坑的临时围护挡土墙。在支撑的任何监测断面，安装的四个特别VWSGs, 其中有内设的热敏电阻（同时记录应变力和温度）。图9显示了在每个监测断面的VWSGs 的安装示意图。VWSGs 被安装在每根支撑的两端，以及每隔两小时记录数据。热敏电阻的存在使得温度的测量更加的便利，使得所测的应变力能够得到精确的温度补偿，以及对温度变化所引起的荷载变化的估计。支撑上的温度上升，所测得的值通常只有固定状态中的52-63%。因此Batten 等人（1999）建议，根据最大的支撑应变力，经常对应变力进行监测。它还指出，在夏天，支撑顶部的温度比底部的要高12℃。从而导致了附加的弯矩。如图9所示的配置，关于xx 和yy 轴处的弯矩被确定为：

其中，Y 表示支撑的杨氏弹性系数，I 表示惯量力矩，ε表示所测量的修正后的应变力，x 和y 是应变计的坐标。轴荷载为：

其中，A 表示支撑的横截面积。Batten 和同事建议，特别是如果从支撑两端附近所需的仪器的实际情况出发，

在每个横截面至少安装四个应变力计。由于不均匀的应力分布，即使是很严重，平均计算能够消除错误。Batten 和同事还强烈建议，重复读数来消除外来的噪声的影响，特别是周围环境的振动。

图9. 安装有VWSG 的支撑的截面

对支撑荷载进行监测，可以帮助节约临时支架系统设计的经济开支。对于工作人员以及在周边地区的一般公众，这也可以确保一个更加安全的工作环境，防止地下开挖时发生事故。

3.2大型地下洞室的变形监测

简单的仪器可以极大地帮助工程师作出有关安全的决定，优化和升级洞体的支撑，从而防止不必要的资源浪费。被监测的地下结构是一个大型岩体洞室。23米宽和57米高，如图10所示。挖掘工作完成之后，为期30个月的监测期，监测到洞室顶部的沉降。从这些监测数据观察到，缓慢但不断发生0.024毫米/月的沉降。这种小而持

续的运动是工程师们关注的问题，虽然从视觉上看没有不良的症状。为了纠正这个问题，需要用额外的长锚杆来对洞室顶部进行支撑，为了验证改造后的效果，沉降监测又持续了三年。结果发现，用长锚杆进行支撑非常有效，如图10。这个事例表明了进行洞室以及施工完后其他结构监测的好处。

图10. 大型地下洞室的屋顶沉降监测

3.3由于附近建筑物所引起的隧道变形的监测

上世纪八十年代中期，在新加坡的中央商业区进行了庞大的地下隧道工程，作为捷运工程的一部分。大部分隧道采用了隧道掘进机和只有少部分的采用了常规开挖。捷运公司的操作规程是，不允许任何建筑物接近隧道，那样可能会使隧道发生超过15mm 的

位移。然而，中央商务区土地的稀缺性，需要在建筑物的附近修建捷运线。其中一个工程就是重建Tan Tock Seng医院。Sharma 等人（2001）进行了详细的描述。该项目涉及到一座15层的附有两层地下室的医院的建设。大的基坑开挖，约长200米，宽为140米，以及深为15米。图11显示了布局以及断面的开挖工作计划。如图所示，双MRT 隧道，直径为6米，纵横穿越了预期的施工地点。由于开挖引起的地表的应力释放，可以预测到会发生显著的位移。

图11. （a ）工地的布局（b ）双隧道的断面

有限元分析（FEM ）表明，隧道的位移有可能在被允许的范围内。然而，由于隧道的重要属性，为了确保规范的要求，要进行广泛的现场仪器检测。地面仪器包括水竖管计，压力计，测斜仪（图11(a)的I1,I2,I3），沉降标志。此外，两套自动隧道位移监测系统，每一套安装有一个电动全站仪。这些系统所测量到的隧道位移，

都是基于一些稳定的远离开挖现场的参考点（因此，不可能受到开挖的影响）。在这些系统中，在开挖以及施工中，对隧道衬砌的位移进行不断的监测。由仪器测得的最大的水平位移是6毫米，采用有限元的方法预测的是8.0毫米。同样的，最大的垂直位移是3.8毫米，由有限元的方法预测的是3.0毫米。因此，仪器提供了一个直接的证据表明，工地的施工没有违反规范的要求，以及捷运可以安全运营。

3.4用于检测地下结构的光纤系统

Inaudi 等人（1994,1995）提到，用于地下结构位移监测的光纤低相干干涉测量技术的发展和应用。这个系统从1到50米的范围内，能够监测到位移精确到10μm 。因此，它是从全面而非局部的应力来测量的。

这个技术包括使用两个单一模式的通信光纤，一个以机械的方式与结构连接，另一根则在临近的管线中。低相干双迈克尔逊干涉仪，通过干涉条纹的形成，能检测到两根光纤中的波长的不同之处。因为，位移信号是以相干光的特性进行编码，而不是其强度，该技术避免了光纤中连接器的损失或改变。它能够测量到光纤上的多个点位。该系统对于地下结构的检测非常强大，便携式，防水以及有电池供电。

Inaudi 和同事提到了，该技术在实验室里测试（涉及到混凝土梁）所取得的成功，梁的大小为1*0.5*5m，处于压力的条件下。在检测

到大平板的干燥收敛以及热变形时，板的大小为20*5*0.5m。他们也提到，在检测一些现实地下结构，如用于支撑岩壁的锚索的检测（光纤用来测量锚头和灌浆区之间的长度变化），以及沿混凝土灌注桩长度上的应力的监测（光纤连接到加固钢筋上）。

随着FBG 的出现，这比低相干干涉检测更加的先进，在使用光纤技术进行地下结构检测时，有着更好的前景。

3.5使用FBG 系统进行动态应力的检测

Liu 等人（2002）制定了一个基于动态应力监测的FBG ，能够检测到地下结构的动态应变信号，高达5KHz 。研究人员证实，通过实验室试验，用于硬岩的基坑支撑的锚杆，通过将ＦＢＧ粘附在锚杆的头部来作为传感器头。图１２显示了研究人员的安装方案。在这个系统中，一个３dB 的分布式反馈激光器（DFB ），波长范围是1548.75-1551.25mm ，通过一个光纤环形器，发出了一个波长得到优化的信号。部分信号被光栅反射回来，转换成电信号。得到强化了的光信号提供了一个对锚杆进行应变力测量的方法。这个系统能够在1.7kHz 的频率中，监测到10-9 的应力。然而，该系统由于激光的不稳定性，易于受到噪音干扰。从光纤到连接器中也易受到干扰，以及地下的恶劣环境。这表明了，一个强大的激光源，再加上一个自适应过滤算法，能够有效地降低噪音水平，同时提高系统的灵敏性。

图12.Liu 等人提出的测量系统

3.6地下隧道的结构检测

Bakker （2000）提到，全面调查包括，在施工期间以及完工后，对荷兰的Second Heinenoord 和Botlek 铁路隧道进行检测。Oosterhout （2003）也发表了另外的结果。这些调查者采用了的整体方法包括预测，监测和评估，这三部分。

使用了一维分析和三维有限元模型进行预测，同时关于整个系统的组装的假设也是较完美的。即没有失调和缺陷。另外，对隧道横断面的均匀应力的分布也进行了预测。

为了监测，沿着隧道的不同地点的两个环面，安装有应变力计和压力传感器和线性可变差动传感器（LVDTs ）。为了应变力的监测，一共安装有5对VWSGs ，安装在每一个部分的分辨率为1 μm/m，

能够测量两个轴向和三个切向的应变力。忽略时间的衰变，VWSG 的准则是可以采用的。此外，安装有两个压力小器件（由汞填充而成的储液囊，具有0-3500kPa 的范围和1kPa 的分辨率）。LVDTs 具有精确度为正负5mm 和25μm 的分辨率。它安装在了两个临近环来测量轴向位移，以及在环的相邻段之间来测量切向位移。一共有200个装置，包括146个VWSGs ，28个压力小器件，18个LVDTs 安装在了两环之间的部分，在施工中发现5个LVDTs 已经损坏了。在进行实地检测之前，通过实验室测试，对应变计的轴向力，切向力以及切向弯矩进行校正。在1996年和1999年之间进行了不断的监测。在此期间，研究人员提到了两个主要的问题——（1）施工期间对数据电缆进行的损伤；以及(2) 隧道掘进机（TBM ）的尾部的水的积累，对连接器造成了损伤。

在评估测量结果后，所进行的主要观测是值得注意的：

（1） 装配过程本身导致了隧道衬砌的局部应力，其强度足以与外

部荷载相比。此外，应力的分布很不均匀。因此，对预测所进行的假设猜想，后来证明是不正确的。

（2） 有限元和分析模型所作出的预测，低估了衬砌的应力。另外，

弯矩的应力校正以及根据（1）所知，隧道的推进力无效。

（3） 在管片的接缝处，能够观测到大的位移。安装的LVDTs 的数

量因此不够。研究人员建议，所有的接缝部位应该安装LVDTs 。此外，由于非均匀应力的分布，应变计在数量上也证

明不足。

（4） 由于汞和混凝土的热膨胀系数不同，被测过程中的温度的依

赖性也被观察到了。这就产生了一个假的荷载效应。另一方面，根据温度对VWSGs 数据进行校正。不过，温和的温度依赖性被观察到了。

（5） 由于在十字环缝处的压力路径可能纵横相交，Bakker 和同事

建议最少相邻的两环或者三环应该进行监测。此外，监测作业最好从安装阶段开始，这是为了使装配应力能够得到仔细的监测。

Bakker 和同事，在对Botek 铁路隧道进行监测时，贯彻履行了这些经验教训。由此，他们得出的结论是，在装配衬砌的过程中，随后的24小时是监测应力的最重要的时刻。然而，他们指出，应变监测只提供了局部而不是全面的信息，例如弯矩。有人建议，激光监测技术能提供了一个更直接的关于全面响应的评估。此外，无线数据检索能绕开数据检索系统中缆线所面临的问题。因此，需要对研究人员在今后涉及的试验中的提议进行认真的考虑，包括隧道，确保获得更多有用的信息。

4. 总结

一旦建成后，地下结构，例如交通隧道，地下洞室和挡土墙很少更换。通常，这些结构的关键地区无法进行目视检查。此外，对于

每一个地下结构都要考虑到很多地方。例如，土压力，由于施工造成的地表运动，地下岩层以及地表水的波动，往往难以在设计阶段准确地预测到。完工以后则很少对结构进行监测。本文对于在施工以及运营期，目前的现状以及地下结构的SHM 的重要性，进行了详细的回顾。深入地介绍ile 各种可用的传感器技术，以及它们在地下结构方面的优缺点。地下结构的重要属性以及它们之间复杂的相互作用，和附近地面结构的影响。地下结构的长期监测，在确保更高的安全设计以及验证和优化，还有很长的路要走，从而确保较高的效益—成本比。

在目前的时刻，地下结构的ＳＨＭ还没有规范要求。事实进一步加剧了这个问题，在仪器设备的技术和检测的算法方面，还没有什么独特的解决办法。因为每个地下结构本身都是独特的。由于地下结构中的恶劣环境，就必须积极研究开发更持久和性能强大的传感器和数据检索系统。特别是，重点应该集中到新一代的基于传感器系统的智能传感系统，例如，压阻传感器，ＦＢＧ和ＭＥＭＳ。基于远程数据检索系统的无线技术的发展。尽管有如此多的难题，结构中的任何一个仪器，都承载着重要的信息，能够帮助更好的理解其性能以及，在对关键的设计假设验证的方面，发挥着重要的作用。