緊鄰基坑的地鐵隧道監測技術方案研究*

周釗 陶津 韓天然 高永 趙學亮

1.東南大學土木工程學院 南京210000

2.南京地鐵運營有限責任公司 210000

引言

近年來城市化進程加快，城市基坑工程向著更深、更大、更密集、環境條件更復雜化發展。周邊環境對基坑開挖比較敏感，基坑工程施工過程中會導致周邊建（構）筑物發生位移、沉降或傾斜，甚至會影響周邊建（構）筑物正常使用［1］。因此，緊鄰地鐵隧道的基坑工程，施工過程中要對緊鄰隧道進行實時監測，并預測該基坑工程施工是否會造成緊鄰隧道的破壞，判斷對隧道的影響程度，從而可以采取有效的措施，以便最大程度降低基坑開挖對緊鄰隧道帶來的影響。

光纖傳感技術可獲得分布式數據集。由于其具有分布式、耐久性好、良好的數據收集功能等優勢，該技術較適合隧道結構監測，主要適用于隧道縱向變形［2，3］及橫截面變形［4］監測。近年來，研究結果表明，盾構隧道的縱向運動可分解為兩種不同的變形模式，即剪切模式和彎曲模式［2，3］。不同的變形模式會在管片中產生不同的應力狀態和不同的結構損傷狀態，導致隧道結構運營性能的退化。因此，制定合理的監測方案，分析管片的應力和變形，研究不同的變形模式，對隧道的正常運營及健康狀態評估具有非常重要的意義。

Shen等提出了一種基于改進共軛光束法的隧道縱向變形監測方案，僅考慮了彎曲模式，并通過模型實驗驗證了監測精度［2］。倫敦交叉鐵路項目中分布式光纖傳感器和無線傳感器網絡的現場試驗對緊鄰新隧道施工引起的既有舊隧道的變形進行了分析［3］。然而，由于所用傳感器的性質不同，隧道的變形行為和模式缺乏深入的監測研究。為了更好地保護既有隧道結構，需要深層次地了解敏感段盾構隧道具體的變形狀態，并對采集的數據提出更加精細化的要求。如何得到有效的隧道結構的變形性能，仍需要對精細監測技術方案進行研究。

本文提出了一種新的縱向及橫向光纖傳感網絡監測方案，對緊鄰基坑開挖時，既有盾構隧道的受力狀態進行了監測。該方案的基礎是測量隧道的縱向應變分布，所提出的光纖傳感器網絡能夠將隧道縱向運動分解為剪切和彎曲分量，可以較好地分析隧道的變形性能。

1 工程概況

所監測隧道緊鄰某基坑工程，基坑圍護結構外邊線距地鐵車站最近距離為17.1m，距區間隧道最近距離為18.9m，開挖基坑區段對應的隧道長度約210m，具體平面位置關系如圖1 所示，豎向位置關系如圖2 所示。

圖1 基坑與地鐵隧道平面位置示意Fig.1 Schematic diagram of plane position of foundation pit and subway structure

圖2 基坑與區間隧道豎向位置示意（單位： mm）Fig.2 Schematic diagram of vertical position of foundation pit and section tunnel（unit：mm）

2 既有地鐵結構變形

外部基坑施工前，對既有隧道的垂直位移進行了普查。垂直位移數據采用該段隧道永久結構沉降監測成果，結果顯示監測區段道床結構的相對軌后垂直位移量在-59.8mm ～-9.0mm之間，上、下行線最大垂直位移量分別為-59.8mm、-43.6mm，平均垂直位移量分別為-27.4mm、-34.1mm。近3 個月上下行線平均沉降速率分別為-0.004mm／d、0.008mm／d，沉降趨勢趨于穩定，沉降變化趨勢如圖3 所示。

圖3 監測區間段沉降數據Fig.3 Settlement data of monitoring section

對區間隧道476 環管片（下行831 環～1066環、上行837 環～1076 環）進行了逐環收斂數據觀測，并與標準隧道（內徑5.5m）進行對比，發現本區段的收斂值與設計值的差值在2.5mm ～67.7mm之間，盾構管片均為水平直徑外擴。隧道上下行線收斂最大值分別為65.0mm、67.7mm，其中大部分收斂在2cm ～6cm，分布相對集中。左右線隧道具體收斂變形如圖4 所示。

圖4 隧道收斂變形Fig.4 Convergence deformation of tunnel

3 監測方法

3.1 橫斷面變形監測

選取基坑開挖影響區段的盾構隧道進行橫斷面監測，選擇6 個重點斷面分別布設2mm 和0.9mm光纖傳感器，同時從中選擇3 個典型重點斷面，其中兩個典型重點斷面加布光柵傳感器，另外一個典型重點斷面加布全分布光纖光柵串傳感器，全方面監測隧道橫斷面的安全狀態。

對隧道橫斷面的監測，著重探討隧道結構在既有損傷情況下和外部深基坑施工擾動條件下的力學行為。根據工程具體情況，監測區段內很多襯砌環的橫向收斂較大，且很多襯砌環頂部已出現多條貫通裂縫，表明隧道結構已產生了一定程度的損傷。考慮到隧道的地質環境較為軟弱，隨緊鄰基坑開挖隧道結構可能會產生相當程度的繼發變形，進一步加劇既有隧道結構的損傷狀況［1］。

監測方法方面，重點采用光纖傳感器和光纖光柵傳感器（包括光纖光柵串傳感器）進行隧道橫斷面監測。光纖光柵串傳感器相較于傳統的單點光纖光柵傳感器，布設施工相對簡單，操作難度低，施工速度快，適用于運營地鐵隧道施工工期很短的情況。采用光纖光柵串結合全分布式的光纖傳感器監測方案可方便獲取隧道斷面全分布應變，更加適合于地下結構的監測［5］。方案中布設的分布式光纖傳感器，結合全面粘貼布設和創新的柔性定點光纖傳感器布設方案，實現對結構分布式應變、結構裂縫寬度等的測量，也可與光纖光柵串測量結果形成對比，對測試手段的有效性進行評價。

3.2 縱斷面變形監測

對于基坑開挖影響區段的盾構隧道結構進行縱斷面監測，采用全分布式光纖傳感監測方案，感知隧道結構的縱向不均勻沉降、水平位移及變形模式組成等性能。

沿隧道縱斷面布置分布式定點光纖傳感器，監測結構縱向的分布式應變并反演隧道縱斷面變形。這種方法優點有：①自動化遠程監測，適用于隧道運營期監測，可實現長期監測的需求；②分布式測量保證了對隧道關鍵區域的全面覆蓋，可獲取關鍵區域內任意截面的變形，實現對結構損傷的精確定位，避免了傳統點式測量方案對隧道結構局部損傷不敏感的缺陷。

縱向分布式光纖傳感布設采用“Z”字形布設與直線型布設相結合的總體布設方案。在得到隧道縱向總體分布式變形的同時，還能將隧道的縱向變形模式進行解耦，得到縱向變形中剪切變形模式與彎曲變形模式相應的貢獻比率，從而加深對于隧道變形和病害發展規律的認識，同時為隧道縱向力學模型的參數標定提供有效的數據支撐。

4 監測方案

4.1 傳感器安裝

1.橫斷面變形監測

本工程中，隧道結構橫斷面的全分布式光纖傳感器布設方案見圖5。采用全面粘貼的安裝方式，將直徑2mm與直徑0.9mm 的光纖傳感器分別用環氧樹脂結構膠全面粘貼在隧道管片內壁上，其中，0.9mm的光纖傳感器在易開裂的管片拱頂區域全面粘貼，并進行短標距定點布設，如圖5 中的藍色線所示。此外，為了監測接頭的變形情況，在隧道壁角落將2mm 光纖傳感器向回拉接，如圖5 中的紅色線所示，在接頭兩邊安裝輪錨。在輪錨間的接頭段，將光纖傳感器施加預拉力拉緊，在其他段，將光纖傳感器松弛的定點粘貼在隧道管片壁上。

圖5 橫斷面傳感器布設示意Fig.5 Layout of cross section sensor

光纖光柵串傳感器的布設方案，安裝與全分布式光纖傳感器類似，由于光纖光柵串本身就具有護套，故采用全面粘貼的方式安裝，一個監測斷面上布設3 個光纖光柵串傳感器，中間用冗余光纖連接。

監測斷面方面，選取6 個斷面進行分布式光纖監測，6 個斷面的環號分別為1000、1003、1004、1009、1025、1067，在其中選取2 +1 個重點斷面，2 個重點斷面在管片接縫處布設單個光柵，分別需要7 ～8 個光柵，其他位置用光纖傳感器監測。另一個重點斷面布設光柵串傳感器，每個斷面布設3 根光纖光柵串傳感器、溫度補償傳感器及分布式光纖傳感器。

如圖5 所示，將布設在管片表面的傳感器與溫度補償傳感器的引出端埋入接線盒中，將二者在接線盒內串聯。端頭被保護在線盒中，再將線盒中的線連入總線，傳輸到監測儀器。目的是當其中任何一個傳感器出現損壞時，可以重新串聯，不影響其他區間的正常數據采集。

2.縱斷面變形監測

縱斷面部分，傳感器沿縱向安裝在所需監測的地鐵區間隧道管片內，全長大約100m，在隧道管片結構的左右側布置。傳感器選用全分布式光纖傳感器，“Z”字形與直線型布設相結合，如圖6 所示，使用輪錨將全分布式光纖固定在隧道管片內側，光纖在拐點處利用輪錨實現轉向及與結構固接。

在布線的起始環位置，左右環分別設線盒用以保護傳感器的端頭，平時端頭被保護在線盒中，需要采集數據時，將端頭從線盒中取出，用儀器進行數據采集。

圖6 縱向監測布置Fig.6 Layout of longitudinal monitoring cross section

3.接縫寬度監測

隧道管片受載變化會引起管片環內接縫和環間接縫寬度的變化，同時接縫寬度變化與滲漏水有密切關系，接縫寬度的變化與隧道結構的受力及變形等狀態都有密切的關系。因此，監測方案中也需要重點關注隧道管片環向接縫及縱向環間接縫寬度的變化。

對于混凝土結構裂縫寬度監測，常規方法一般是通過人工觀測發現接縫寬度較大時，通過裂縫計進行測量。在盾構隧道的接縫測量中，這種方法受到很大限制，主要是由于盾構隧道管片接縫數量很多，無法一一觀測，以及無法直接觀測到隧道接縫寬度的變化情況。實際上與接縫內側寬度變化相比，接縫外側寬度的變化對于判斷滲漏水等具有更為重要的作用。分布式光纖傳感器可以監測布設范圍內所有接縫的內側寬度變化。同時通過適當的布設，可以通過某一截面的內側寬度變化反推接縫外側寬度變化。

隧道管片的環向接縫及環間接縫寬度的變化可分別通過橫斷面和縱斷面布設的傳感器監測數據計算得出，故不需重復布設。

4.溫度補償傳感器布設

布設一條光纖傳感器兼作橫向和縱向的溫度補償傳感器，采用定點粘貼的方式，用環氧樹脂膠粘貼在隧道管片內壁上，具體布設方式如圖7所示。布設至需監測的橫斷面處時，將縱向溫度傳感光纖沿所要監測的斷面定點粘貼于隧道壁上，繞至隧道另一側繼續向前布設，以此類推，完成隧道縱向和橫向監測斷面的溫度補償傳感器布設。

圖7 溫度補償傳感器布設Fig.7 Layout of temperature compensation sensor

4.2 信號處理

采用非接觸間接式測量方法，即沿管片結構環向安裝分布式應變傳感器，通過監測管片結構應變分布數據反演管片收斂變形演化。這種方法優點如下：①不需要安裝專門的觀測儀器，只需要在隧道運營期僅需要對傳感器進行適當保護和人工數據采集；②理論上可對管片環上任意角度的收斂變形進行監測。

監測信號通過線路傳輸到地鐵站，在地鐵站內進行數據的采集和處理，光纖光柵傳感器得到的數據通過相應解調器進行采集處理，實現監測數據實時傳輸；光纖部分使用BOTDR設備進行采集。

4.3 監測頻率

完成安裝后即可開始監測，光纖光柵傳感器可實現數據實時傳輸，全分布光纖傳感器根據基坑工程進度采集數據，關鍵時期提高監測頻率［6］。傳感器布置如圖8 所示。

5 監測結果分析

基于上述光纖傳感網絡布設方案，在基坑開挖期間進行了監測和數據采集工作，得到溫度補償后，左直線傳感器的累積分布應變值數據如圖9 所示。從原始分布應變可以看出，施加在裝置上的預張力在1200με 到近7000με 之間，而4次測量期間的應變變化與施加的初始應變相比非常小。直線傳感器的每個應變剖面的總體趨勢大致相似。直線傳感器顯示出更一致的輪廓形狀，在不同時間采集的應變在形狀上是相似的。與本次監測得到的“Z”字形傳感器相比，左直線傳感器的波動更大。

圖8 隧道內布設的“Z”字形和直線形傳感器Fig.8 Zigzag and linear sensors in tunnels

將隧道管片的應變經過自行編制的算法轉換求解，求得隧道管片彎曲變形和剪切變形量，并分別將彎曲變形和剪切變形分解為水平彎曲變形和豎向彎曲變形，以及水平剪切位移和豎向剪切位移，分別如圖10 和圖11 所示。可以看出，1023 環至1047 環豎向和水平向剪切位移和彎曲變形明顯，是整個監測段隧道管環變形較大的部分，在后期巡檢及養護中需要予以重點關注。

圖9 左側直線布設的傳感器應變值Fig.9 Strain values of sensors arranged in straight line on the left side

圖10 隧道管片彎曲變形Fig.10 Bending deformation of the tunnel

圖11 隧道管片剪切位移Fig.11 Shear deformation of the tunnel

6 結論

本文采用一種新的縱向光纖和光纖光柵傳感器網絡化布設方案，對緊鄰基坑工程的既有盾構隧道在基坑開挖時的受力狀態進行了監測。該技術是將光纖傳感器的直線和“Z”字形安裝方案相結合，可以實現對隧道變形進行彎曲變形和剪切變形解耦。通過對實測的分布應變、環間位移和累積變形的監測和分析，主要結論如下：

1.采用“Z”字形和直線形的全分布式光纖布設方案，可以有效地研究分析隧道結構的變形性能和模式，是一種切實可行的布設技術方案。

2.光纖網絡傳感器的布設方案可以提供隧道縱向環間水平行為的詳細信息集，將隧道縱向運動有效分解為彎曲和剪切分量。詳細介紹了光纖傳感器在現場試驗中的安裝過程，提出了一種高效的安裝程序的建議。

3.監測結果揭示了盾構隧道的縱向彎曲運動和剪切運動，表明隧道在縱向上表現出明顯的剪切變形，剪切運動表現出較為明顯的波動特征。