分布式光纖傳感監測盾構隧道收斂變形研究

鐘東， 唐永圣

(1. 南京長江隧道有限責任公司， 江蘇 南京 211800;2. 蘇州大學 城市軌道交通學院， 江蘇 蘇州 215137)

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分布式光纖傳感監測盾構隧道收斂變形研究

鐘東1， 唐永圣2

(1. 南京長江隧道有限責任公司， 江蘇 南京 211800;2. 蘇州大學 城市軌道交通學院， 江蘇 蘇州 215137)

摘要:收斂變形是表征盾構隧道結構健康、安全的重要指標，利用現有技術對其實施大規模監測存在困難。為此，引入先進的分布式光纖傳感技術，建立盾構隧道收斂變形的監測方法。首先，基于傳感技術特點和隧道監測特征，提出長標距光纖傳感器的封裝結構，試驗驗證了其優良的應變傳感性能。然后，建立應變反演收斂變形的理論方法。最后，通過室內足尺模型試驗對提出的方法進行了驗證。結果表明：文中提出的方法可準確評估盾構隧道的收斂變形，其精度滿足工程管養的需求；同時還表明：管片接縫變化對收斂變形的影響大，在實際監測中應優先滿足接縫處變形的監測。考慮到分布式光纖傳感在傳感距離、穩定性和耐久性等方面的優勢，本方法具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：盾構隧道；收斂變形；分布式光纖傳感技術；結構健康監測

近年來，為了解決城市交通擁堵的問題，我國各大城市開始大規模建設地鐵，其結構形式主要是盾構隧道。由于臨近基坑開挖、地表加卸載、隧道近距離穿越及地質變化等因素，引起土體的附加應力，從而引起盾構隧道的收斂變形，易產生結構安全問題[1]。因此，學者提出了盾構隧道結構健康監測[2]，保障設施安全運營。所謂結構健康監測就是通過對結構某些關鍵指標實施長期在線監測，并利用其對結構的使用、安全等性能實施評估。針對盾構隧道的收斂變形監測，現階段的相關技術大主要有以下幾類：1)自動跟蹤全站儀觀測技術，已在隧道建設中得到大量應用，如上海地鐵二號線[3]和香港地鐵[4]，測量精度高，但監測設備昂貴，無法大規模布設；2)自動化近景攝影技術，如劉燕萍等[5]應用三維激光掃描技術分析盾構隧道的收斂變形，測量效果易受照明質量的影響；3)點式直接測量技術，如李玉寶等[6]采用數顯收斂計監測盾構隧道腰部的收斂變形，精度高，但僅限于有限點的收斂監測。從長期監測的角度來看，既有技術要么成本高無法大規模布設，要么受隧道環境影響難以實施準確監測。分布式光纖傳感技術具有傳感距離大(一般可達到幾十公里)、分布式傳感、光傳感穩定性好等優勢，是適用于隧道結構監測的優良技術[7]。王飛等[8-9]初步研究了分布式光纖傳感技術用于盾構隧道收斂變形方面的可行性，并為進一步利用該技術實現盾構隧道的收斂變形監測提供了理論和技術支持。基于分布式光纖傳感技術的特點，本文首先提出了適用于盾構隧道收斂變形監測的傳感器封裝方法，然后提出了收斂變形監測理論，并通過足尺模型進行了試驗驗證。

1分布式光纖傳感技術

1.1基本傳感原理

分布式光纖傳感的基本原理是布里淵散射機

理，即當光纖某區域的應變或溫度發生變化時，該區域的布里淵散射的中心頻率會隨之發生變化，兩者之間存在著良好的線性關系，因此測量各點的布里淵頻移就可以實現應變或溫度的分布式測量。為了提高測量效果，在光纖兩端分別注入調制好的一脈沖光(泵浦光)與一連續光(探測光)，產生布里淵放大效應(受激布里淵散射)，如圖1所示。由于采用脈沖預泵浦技術，日本NEUBREX公司制造的基于PPP-BOTDA(Pulse-PrePumpBrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)技術[10]的NBX-6050在同類商品中具有較高的空間分辨率(10cm)與測量精度(±7.5με)，本文的研究基于此產品展開。

圖1　PPP-BOTDA技術的基本原理Fig.1 Principle of PPP-BOTDA

1.2分布式光纖傳感器

基于PPP-BOTDA的分布式光纖傳感器采用的是普通商業光纖，產品質量穩定、價格優勢顯著。但是，光纖易脆斷，需要適當的封裝后方能適應相對粗放的土木工程環境。考慮到盾構隧道環的傳感器布設面為弧面，以及在管片接縫處的應變比較大，故采用長標距柔性傳感器的設計方法(圖2)[11]。通過長標距封裝，提高了PPP-BOTDA技術在接縫處的應變測量精度，并擴大縫寬的量程。傳感器的直徑約為1mm，便于在弧面處布設。

理論上，布里淵散射中心頻率變化與光纖的應變變化呈線性關系，系數為49.7MHz/0.1%。對研制的傳感器實施靜態拉伸試驗，典型結果如圖3所示。結果表明了優良的線性傳感特征，其系數為50.3MHz/0.1%，與理論值接近。

圖2　分布式光纖傳感器Fig.2 Distributed fibre optic sensor

圖3　光纖傳感性能Fig.3 Sensing performance of fiber optic sensor

2盾構隧道收斂變形的監測理論

盾構隧道在外部荷載下產生收斂變形，該變形包括2個部分：1)管片的應力變形；2)管片在接縫處相對錯位或轉動產生的剛體位移。

根據結構力學的知識，管片的應力變形可以通過公式(1)進行計算。對于盾構隧道，收斂主要是由于彎曲變形引起[8]。因此，可忽略后2項。

管片在接縫處產生的剛體位移，可以通過監測接縫的變化，利用幾何方法實施計算。基本過程是：首先通過應變計算接縫縫寬；然后利用縫寬變化計算轉角；再基于轉角計算收斂變形。

接縫的縫寬變化采用在接縫處布設長標距傳感器，要求傳感器標距不宜過大，盡量只包含接縫縫寬變化而引起的長標距傳感器的應變變化，接縫縫寬的計算方法如下：

d=εL*L

(3)

式中：εL和L分別是接縫處長標距傳感器的應變和標距。

轉角計算方法如下：

(3)

式中，yL是接縫處長標距傳感器至接縫截面名義中和軸的距離。

(4)

(a)鉸模型；(b)鉸轉動引起收斂圖4　計算模型Fig.4 Calculation model

3盾構隧道收斂變形的試驗研究

3.1試驗概況

為了驗證提出方法的有效性，選擇某城際軌道交通工程的中埋段標準塊作為試驗構件。考慮到試驗室條件限制，無法完成滿環的靜載試驗，因此共選擇2塊標準塊管片，并在試驗室進行拼裝，如圖5所示。管片外徑6.2m，內徑5.5m，壁厚0.35m。每塊標準塊對應的圓心角是67.5°，寬1.2m。管片側面設置用于拼裝的凹凸槽，拼裝時，每片管片環向兩端各有2個孔，采用高強螺栓實施連接，螺栓直徑為30mm。

如圖6所示，將拼裝后管片通過錨桿將其固定在混凝土地板上，試件在端部可轉動，且可在水平向有一定約束性的位移，即設計成彈性鉸模型，與結構實際情況類似。采用液壓千斤頂(100t)在試件頂部施加豎向荷載，荷載通過分配梁分布在接縫兩側。

為了布設長標距光纖傳感器(圖2)，將內側圓弧按弧長0.5m等分為11個單元，編號依次E1～E11，其中接縫處于E6的中間，每個單元對應的圓心角約為12.5°。傳感器布設時采用環氧樹脂作為黏結劑，提高黏結效果。因為PPP-BOTDA技術對應變和溫度交叉敏感，試驗中通過一段自由光纖的監測數據，補償溫度變化的影響。在試驗中，作為對比，采用位移計監測接縫附近的豎向位移和試件底部的水平位移，接縫的寬度采用游標卡尺測量。

(a)管片；(b)管片拼裝圖5　盾構管片試件Fig.5 Specimen of shield segment

在試驗中，以豎向位移的數值作為加載控制值，具體為：0～1mm，加載級為0.2mm；1～10mm，加載級為0.5mm；10～20mm，加載級為1mm；20～66mm，加載級為2mm。規范中2%D作為收斂控制值，本試件約為半圓，因此位移達到62mm即認為已經達到極限。

圖6　傳感器布設Fig.6 Sensor installation

3.2試驗結果

3.2.1應變分布

典型的應變結果如圖7所示，顯示在荷載42t下的試件內側應變分布，其中E6的應變不包含在內，其數值反映接縫的變化。作為比較，按照曲梁模型計算了各級荷載下的理論應變分布。結果比較發現，光纖測量的應變趨勢與理論值一致，數值接近。

以E3為例，進一步比較應變測量精度，如圖8所示。結果表明，在小應變階段精度較差，出現了明顯的波動，但當應變大于30 με后，精度顯著提高。

圖7　典型應變分布結果Fig.7 Typical results of strain distribution

圖8　典型單元應變布結果Fig.8 Typical results of element strain

3.2.2接縫縫寬

通過E6的應變測量值(圖9)，可獲得接縫縫寬變化的信息，其結果如圖10所示。結果表明，光纖評估的縫寬變化與游標卡尺的實測值接近，誤差可控制在0.1mm內，滿足隧道監測要求。

圖9　接縫處應變布結果Fig.9 Strain results at seam

圖10　接縫寬度變化結果Fig.10 Results of seam width change

3.2.3收斂變形

針對本試驗的具體情況，將結構簡化成如圖11(a)所示具有彈簧約束的結構。在進行應變反演收斂時，進一步將模型拆分成2部分進行計算：模型部分I(圖11(b))，兩端鉸接的曲梁模型，用于計算結構應力產生的收斂變形，計算中輸入的是除E6外的各單元應變，因為在該模型中E6的平均應力為0；模型部分II(圖11(c))，2根曲梁鉸接的模型，水平向無約束，該模型實際上是一種機構，僅用于計算中間較轉動引起的頂部幾何豎向位移，計算中輸入中間鉸的轉動角度，而該角度通過E6的應變進行計算。

(a)簡化模型；(b)模型部分I；(c)模型部分II圖11　分析模型Fig.11 Analysis model

本試驗中的收斂變形是頂部的豎向位移，其計算結果如圖12所示。結果表明，光纖評估的收斂變形與位移計實測值的趨勢一致，數值接近。當然，在某些階段存在誤差，其范圍為-5～2mm，分析其原因主要有：1)簡化模型與實際結構之間存在一定的差異；2)忽略了軸壓應變對結構收斂的影響。在隧道管養中一般以厘米級的收斂變形來預警，因此，本文中所提方法的評估精度可滿足實際工程需求。

進一步分析2部分模型所計算的變形在總收斂變形中的比例，結果如圖13所示。結果表明：彎曲應力產生的位移所占比例較小，在加載后期僅為3%。因此，在實際監測中，若傳感器數量有限，應首先滿足接縫處變形的監測。

圖12　收斂變形測量結果Fig.12 Convergence deformation measurement results

圖13　收斂變形的組成分析Fig.13 Parts analysis of convergence deformation

4結論

1)基于分布式光纖傳感技術，所提出的長標距光纖傳感器具有優良的應變傳感性能，即高線性和可重復性；

2)利用所提出的分布式光纖傳感技術，可準確監測隧道環的應變變化和管片接縫的縫寬變化，其中縫寬測量誤差可控制在0.1mm內；

3)利用所提出的分布式光纖傳感技術，可實現盾構隧道收斂變形的準確監測，精度滿足工程評估、預警的需求；

4)管片接縫變化對收斂變形的影響大，在實際監測中，若傳感器數量有限，應首先滿足接縫處變形的監測。

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* 收稿日期：2016-01-18

基金項目：江蘇省交通運輸廳科技項目(2014T14)；國家自然科學基金資助項目(51508364)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20150333)；江蘇省高校自然科學研究項目(14KJB580009)

通訊作者：唐永圣 (1982- )，男，江蘇鹽城人，講師，博士，從事結構健康監測方面的研究工作；E-mail: ystang@suda.edu.cn

中圖分類號：U456.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1143-06

Study of shield tunnel convergence deformation motoringusing distributed optical fiber sensing technology

ZONG Dong1, TANG Yongsheng2

(1.NanjingYangtseRiverTunnelCompanyLimited,Nanjing211800,China;2.SchoolofUrbanRailTransportation，SuzhouUniversity,Suzhou215137，China)

Abstract:Convergence deformation is a key indicator which can indicate the health and safety of shield tunnel. However, it is difficult to implement the monitoring especially in large-scale with the traditional methods. In this paper, a new method is proposed based on the distributed optical fiber sensing technology. By considering the features of the sensing technology and shield tunnel, a long-gauge sensor was proposed and verified with some experiments. The results show a good strain sensing performance. Then, the method of assessing convergence deformation from strain measurement is proposed. Lastly, the proposed method is verified with a full size specimen of shield tunnel. Based on the static experiment, the convergence deformation could be evaluated with a good accuracy satisfying the demands of tunnel management. At the same time, the seam change show a large influence on convergence deformation. Therefore, the seam monitoring should be arranged at first in actual project. Considering the additional advantage of the distributed sensing, such as sensing distance, stability and durability, the proposed system has broad application prospects.

Key words:shield tunnel; convergence deformation; distributed optical fiber sensing technology; structural health monitoring