FBG傳感器監測鉆爆對鄰近隧道襯砌結構的影響*

， ， ， ， ， 英娜

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著我國鐵路建設事業的不斷發展，越來越多的單向鐵路改建為復向，由于受地形地質條件、交通運輸等因素的限制，在設計中新建隧道往往離既有隧道之間的凈距較小，新建隧道在施工爆破過程中產生的沖擊波將對既有隧道圍巖的穩定性和支護保護的安全性產生不可避免的影響，既有隧道襯砌開裂、剝落和變形等現象時有發生[1～3]。新建隧道采用鉆爆法開挖時，大量炸藥爆破釋放的能量部分直接以應力波的形式傳播到周圍巖體中，并進而引起鄰近隧道襯砌表面應變變化[4,5]。當既有隧道與新建隧道的凈距較小、圍巖軟弱、初砌質量較差時，隧道襯砌結構就容易破壞[6,7]。為了保證既有隧道的安全，在新隧道施工爆破過程中對既有隧道進行監控是非常必要的。

本文將FBG表面應變傳感器應用于既有隧道迎爆側的應變監測中。根據開挖隧道的進度，選擇監測時段為爆破前、中、后3個時段和火車通過隧道時段對既有隧道迎爆側的應變變化進行監測，從而了解隧道當前的應力狀態。

1 FBG表面應變傳感器的測量原理

碧雞關隧道區屬高原低中山剝蝕地貌，隧道穿越昆明市著名風景區西山，地面高程1 900～2 090 m，最大相對高為差190 m，地形起伏較大，自然橫坡為10°～45°，局部地形陡峻，坡面多為第四系土層覆蓋，厚約2～6 m。新建碧雞關隧道左線中線與既有碧雞關隧道右線中線間距在進口端為20.5 m，然后漸變至144 m，最后在出口端為33.8 m。新建隧道除局部段落深埋外，其余地段均屬淺埋；洞口和洞身范圍地表建筑物密集，洞身所通過的地層圍巖條件差。

根據碧雞關隧道的地質情況，應用FBG表面應變傳感器對既有隧道襯砌表面迎爆側的應變進行監測。FBG表面應變傳感器主要用于測量混凝土結構和鋼結構上的應變，例如：橋梁、樁、隧道初砌、建筑物等。FBG表面應變傳感器由內管、外管、FBG和固定塊4個部分組成，安裝時把傳感器兩端的固定塊焊接或粘貼于被測結構表面即可[8,9]。FBG表面應變傳感器的傳感結構參見圖1。

圖1 FBG表面應變傳感器的傳感結構

當被測結構受到力的拉伸或壓縮時，固定塊之間的距離發生變化，導致FBG產生軸向形變，從而引起FBG中心波長移位，根據FBG中心波長移位量計算出被測結構的應變[10]。FBG表面應變傳感器測量原理，參見圖2。

圖2 FBG表面應變傳感器測量原理

2 FBG應變傳感器的布設和監測

為了能準確地監測到鄰近隧道在爆破的影響下襯砌表面的應變變化，結合現場的實際情況，在鄰近隧道中靠近新掘進隧道一側共布設15只FBG應變傳感器,FBG應變傳感器布設示意圖參見圖3。

圖3 應變傳感器布設示意圖

傳感器的具體安裝情況，參見表1。

表1 應變傳感器安裝統計表

根據隧道開挖的進度，以60 Hz的采樣頻率采集了爆破前0.5 min、爆破時刻、爆破后1 min的傳感器數據,以及火車通過隧道時的傳感數據。通過光纖分析儀接收和解調FBG的波長移位量，計算出對應監測點的應變的大小，實時掌握隧道在爆破的影響下襯砌表面的應變的變化趨勢。

表2 2010年6月23日監測結果

2010年6月23日17時26分進行爆破，爆破藥量為129 kg，爆破量為中等，監測結果，參見表2。其中，傳感器1和2監測應變變化曲線，參見圖4、圖5。

圖4 爆破前后傳感器1應變變化曲線

圖5 爆破前后傳感器2 應變變化曲線

2010年6月23日17時39分列車通過碧雞關隧道，監測結果，參見表3。其中，傳感器1和2監測應變變化曲線，參見圖6、圖7。

表3 火車通過時監測結果

圖6 火車通過時傳感器1應變變化曲線

圖7 火車通過時傳感器2應變變化曲線

從表2可以得知，爆破過程中，FBG應變傳感器監測到的應變最大變化量在35×10-6～43×10-6之間。從圖4,圖5可以得知，爆破前后儀器監測到襯砌表面應變產生了明顯的變化。監測數據表明，爆破對鄰近既有隧道襯砌結構產生擾動作用，引起傳感器在發生爆破前后出現數據突變。

從表3可以得知，火車通過時，FBG應變傳感器監測到的應變最大變化量在9×10-6～12×10-6之間。從圖6、圖7可以得知，當列車通過碧雞關隧道，襯砌表面的應變產生的輕微變化，該變化在隧道襯砌正常受力允許的范圍內。

3 結 論

本文應用FBG表面應變傳感器對既有隧道迎爆側進行應變監測。2010年6月23日爆破藥量為129 kg，爆破量為中等，爆破對襯砌表面的應變產生了明顯的波動影響，應變最大變化量在35×10-6～43×10-6之間。當列車通過碧雞關隧道時，襯砌表面的應變變化較小，應變最大變化量在9×10-6～12×10-6之間。監測數據表明:爆破對鄰近既有隧道襯砌結構產生擾動作用，引起傳感器在發生爆破前后出現數據突變，但該變化在隧道襯砌正常受力允許的范圍內。

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