基于分布式光纖的隧道振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)研究

張 浩

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

近些年，我國隧道與地下工程發(fā)展迅速，已躋身國際先進(jìn)行列[1-2]。但隨著隧道運(yùn)營數(shù)量及運(yùn)營年限的增加，隧道突發(fā)事故不斷對隧道的運(yùn)營安全提出挑戰(zhàn)[3-6]。為此，國內(nèi)很多隧道工程設(shè)置了運(yùn)營期自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。廣州地鐵黃沙站隧道設(shè)置了全站儀+自動(dòng)監(jiān)測軟件的運(yùn)營期隧道監(jiān)測系統(tǒng)，解決了多目標(biāo)干擾、地基振動(dòng)等技術(shù)難題[7]；廈門翔安海底隧道通過預(yù)埋光纖光柵傳感器，對運(yùn)營期二襯變形進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，結(jié)果表明隧道結(jié)構(gòu)有較大的安全儲備[8]；贛皖公路隧道采用基于分布式光纖技術(shù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，用于運(yùn)營期火災(zāi)信號的感知與預(yù)警[9]；川黔線受滑坡影響較為嚴(yán)重的明洞結(jié)構(gòu)，采用基于傳統(tǒng)點(diǎn)式電信號傳感器的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，對圍巖壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測評估，系統(tǒng)實(shí)測分布規(guī)律與實(shí)際情況基本相符[10]。

綜上可知，目前，對于隧道結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測多集中在公路隧道，而鐵路隧道實(shí)施運(yùn)營期自動(dòng)化監(jiān)測的工程相對較少，且多為試驗(yàn)、科研性質(zhì)的，仍處于發(fā)展初期。隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，研究一套可用于高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、沉降變形、異常侵入等綜合形位感測的系統(tǒng)意義重大[11-12]。

本文基于京雄高速鐵路隧道光纖振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對鉆機(jī)打孔、挖掘機(jī)鏟土、工程車輛行駛、隧道內(nèi)落石等振動(dòng)事件進(jìn)行模擬，全方面評估該監(jiān)測系統(tǒng)的采集靈敏度和精度，以期為該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)營期的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 隧道振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1 隧道工程概況

京雄高速鐵路機(jī)場隧道為與機(jī)場地下站首尾相連的兩段地下區(qū)間隧道。其中1號隧道全長 2 200 m，速度目標(biāo)值為250 km/h，整座隧道位于北京市大興區(qū)范圍內(nèi)；2號隧道全長 8 388.651 m，位于北京市大興區(qū)范圍 6 238.651 m，位于河北省廊坊市固安縣范圍 2 150 m，速度目標(biāo)值為350 km/h。隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，線間距5 m，全線采用明挖法施工，拱形明洞結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 隧道主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)概況

隧道振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由振動(dòng)感測光纜、分布式振動(dòng)解調(diào)儀和相關(guān)軟件構(gòu)成，在中央排水溝側(cè)槽內(nèi)和拱頂外側(cè)混凝土保護(hù)層外分別沿隧道縱向通長布置1條振動(dòng)感測光纜，布設(shè)長度為7 208 m。拱頂外側(cè)光纜在隧道拱頂防水板及保護(hù)層施作完成后，通過水泥砂漿固定并保護(hù)于隧頂細(xì)石混凝土保護(hù)層外側(cè)。溝槽內(nèi)光纜在中央水溝澆筑完成后一次性布設(shè)，如圖2、圖3所示。

圖2 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)平面布置圖

圖3 振動(dòng)感測光纜安裝示意圖

振動(dòng)監(jiān)測光纜采用振動(dòng)增敏光纖光纜，由著色光纖、防水油膏、PBT束管、鋼帶鎧裝層、加強(qiáng)件及護(hù)套組成，如圖4所示。光纜具有優(yōu)良的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能，防鼠咬，防刀割，防水防潮，防紫外線，適合各種惡劣的使用環(huán)境。光纜性能參數(shù)如表1所示。

圖4 振動(dòng)感測光纜示意圖

表1 振動(dòng)感測光纜性能參數(shù)表

光纖分布式振動(dòng)解調(diào)儀具有高靈敏度，耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、高疲勞性能、性能穩(wěn)定、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)收集光纜線路上每一點(diǎn)的振動(dòng)信息，并提供精準(zhǔn)定位，配合專業(yè)的模式識別軟件，能對振動(dòng)事件進(jìn)行分類預(yù)警預(yù)報(bào)。分布式振動(dòng)解調(diào)儀性能參數(shù)如表2所示。

表2 分布式振動(dòng)解調(diào)儀性能指標(biāo)參數(shù)表

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 鉆機(jī)打孔試驗(yàn)

根據(jù)沿光纜徑向到采集設(shè)備的距離將鉆孔分為遠(yuǎn)、中、近3組，每組距離光纖垂向距離0 m、3 m、6 m、9 m、15 m依次重復(fù)打孔操作，每個(gè)位置重復(fù)5次，孔深約50 cm。

以距離光纜垂向距離3 m的鉆機(jī)打孔數(shù)據(jù)為例，鉆機(jī)打孔和背景噪聲的時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比如圖5所示。

圖5 鉆機(jī)位置和背景噪聲時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比圖

在時(shí)域波形圖上能明顯分辨出鉆機(jī)打孔事件。從短時(shí)譜上可以看出，背景噪聲主要集中在10 Hz以下，鉆機(jī)打孔事件的頻率范圍約在60 Hz以下。

2.2 挖掘機(jī)鏟土試驗(yàn)

根據(jù)沿光纜徑向到采集設(shè)備的距離將挖掘機(jī)鏟土測點(diǎn)分為遠(yuǎn)、中、近3組，每組距離光纖垂向距離0 m、3 m、6 m、9 m、15 m依次重復(fù)挖掘操作，每個(gè)位置重復(fù)5次，挖掘深度約50 cm。

以距離光纜垂向距離3 m的挖掘機(jī)鏟土數(shù)據(jù)為例，挖掘機(jī)鏟土和背景噪聲的時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比如圖6所示。在時(shí)域波形圖上能明顯分辨出挖掘機(jī)鏟土事件的5次動(dòng)作。從短時(shí)譜圖上可以看出，背景噪聲主要集中在10 Hz以下，挖掘機(jī)鏟土事件的頻率范圍約在40 Hz以下。

圖6 挖土位置和背景噪聲時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比圖

挖掘機(jī)鏟土動(dòng)作和無鏟土動(dòng)作的相位數(shù)據(jù)波形幅度和頻率對比結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：鏟土動(dòng)作的波形幅度主要在40弧度以內(nèi)，無鏟土動(dòng)作的波形幅度主要在5弧度以內(nèi)；短時(shí)譜圖上可見，鏟土動(dòng)作的頻率主要集中在40 Hz以下，無鏟土動(dòng)作的頻率主要集中在25 Hz左右。結(jié)果對比明顯，因此，可考慮將發(fā)動(dòng)機(jī)的主頻率值作為特征進(jìn)行后續(xù)車輛類型的識別。

圖7 有無鏟土動(dòng)作波形幅度和頻率對比(局部放大)圖

2.3 工程車輛行駛

本項(xiàng)試驗(yàn)中，所用工程車輛均在光纜覆土厚度<2 m的區(qū)域內(nèi)，分別在距離光纖垂向距離0 m、3 m、6 m、9 m、15 m處來回行駛，每個(gè)位置來回勻速行駛5次。

以距離光纜垂向距離0 m的工程車輛行駛數(shù)據(jù)為例，工程車輛行駛和背景噪聲的時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比如圖8所示。在時(shí)域波形圖上能明顯分辨出工程車輛行駛事件；從短時(shí)傅里葉圖上可以看出，背景噪聲主要集中在10 Hz以下，工程車輛行駛事件的頻率范圍約在50 Hz以下。

圖8 車輛行駛和背景噪聲時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比圖

2.4 隧道內(nèi)落石

本次試驗(yàn)所用光纜平行于排水溝鋪設(shè)在地表，光纜未使用其他方法增加與地面的耦合。試驗(yàn)中所用落石重量小于0.5 kg，分別從有光纜側(cè)和無光纜側(cè)施工平臺(高度7 m)自由落體，每個(gè)位置重復(fù)試驗(yàn)5次。

(1)距光纜2.5 m處(隔排水溝)

對第一次落石事件進(jìn)行局部放大，落石沖擊信號的時(shí)域波形和短時(shí)譜如圖9所示。

圖9 落石沖擊信號的時(shí)域波形和短時(shí)譜圖

(2)距光纜1.5 m處(未隔排水溝)

對第二次落石事件進(jìn)行局部放大，落石沖擊信號的時(shí)域波形和短時(shí)譜如圖10所示。

圖10 落石沖擊信號的時(shí)域波形和短時(shí)譜圖

落石和背景噪聲的時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比如圖11所示。在時(shí)域波形圖上能夠明顯分辨出落石事件(后兩次較為清晰)；從短時(shí)譜圖上可以看出，背景噪聲主要集中在10 Hz以下，落石事件的頻率范圍約在40 Hz以下。

圖11 落石事件和背景噪聲時(shí)域波形和短時(shí)傅里葉對比圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 事件判別

以對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域上的分析作為依據(jù)，得出各工程事件的時(shí)域和頻域強(qiáng)度范圍如表3所示，分別將時(shí)域上的強(qiáng)度信息和頻域上的主頻率信息按照從弱到強(qiáng)劃分為0～5共6個(gè)等級，如表4所示。

表3 各工程事件的強(qiáng)度、主頻率范圍表

表4 強(qiáng)度、主頻率等級劃分表

根據(jù)表3工程事件的強(qiáng)度、主頻率范圍和表4的等級劃分情況，可得到5個(gè)工程事件在時(shí)、頻域上的特征信息，如表5所示。

表5 各事件在時(shí)頻域上的特征信息表

從表5可以看出，各事件組在特征上存在差別。因此，可采用將各工程事件的時(shí)域、頻域信號強(qiáng)度排序定級的方法，對工程事件的特征進(jìn)行定量化，從而快速識別出隧道周圍發(fā)生的工程事件，并據(jù)此做出響應(yīng)。

3.2 事件定位精度

本次試驗(yàn)振動(dòng)感測光纜沿隧道縱向布設(shè)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，信號局部強(qiáng)度變大，通過尋找局部強(qiáng)度最大位置即可確定事件發(fā)生位置，如圖12所示。

圖12 事件沿光纖皮長定位圖

從圖12可以看出，振動(dòng)感測光纜感測到5次重復(fù)試驗(yàn)事件信號的最大強(qiáng)度位置均位于350～360 m范圍內(nèi)，將信號局部放大后，發(fā)現(xiàn)第2次試驗(yàn)光纜識別事件的位置稍有偏差，位于352 m處，其余4次識別事件均發(fā)生于356 m處。由此可見，該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)沿隧道縱向的定位精度可靠，精度可達(dá)到±4 m。

當(dāng)事件沿垂直隧道方向遠(yuǎn)離光纜時(shí)，局部振動(dòng)強(qiáng)度下降，通過分析局部振動(dòng)強(qiáng)度的變化情況，可判定事件發(fā)生位置與光纜之間的距離，如圖13所示。

圖13 事件距離光纜垂直距離估計(jì)圖

從圖13可以看出，隨著事件發(fā)生位置與感測光纜間垂直距離的增大，感測光纜所采集到的信號強(qiáng)度變?nèi)酰叶邘缀醭删€性關(guān)系，可據(jù)此估算事件發(fā)生位置與光纜的實(shí)際距離。

將事件實(shí)際發(fā)生距離與估計(jì)距離進(jìn)行對比，結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出，估計(jì)距離與實(shí)際發(fā)生距離十分接近，但偏大或偏小無法判斷，最大偏差-2.8 m的事件位置距離感測光纜最遠(yuǎn)，符合工程經(jīng)驗(yàn)。由此可見，該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)垂直隧道縱向的定位精度可靠，精度可達(dá)到±3 m。

圖14 垂直定位估計(jì)偏差圖

綜上可知，該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可通過事件發(fā)生的時(shí)、頻域信號情況快速判別事件特征，且可較為準(zhǔn)確地識別出事件發(fā)生的位置范圍。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，基本可將發(fā)生位置鎖定在1個(gè)4 m×3 m(沿隧道方向×垂直隧道方向)的范圍內(nèi)，這對隧道施工、運(yùn)營期的監(jiān)測及突發(fā)事件的排查具有重要價(jià)值。

4 結(jié)論

本文通過采集并分析鉆機(jī)打孔、挖掘機(jī)鏟土、工程車輛行駛和隧道內(nèi)落石的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于分布式光纖隧道振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度與可靠性。

(1)京雄高速鐵路隧道振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可準(zhǔn)確感知隧道周圍不同工程事件的強(qiáng)度和頻率，并識別出振動(dòng)事件的特征。

(2)通過時(shí)、頻域分析方法，可短時(shí)間確定振動(dòng)事件發(fā)生的位置，具有較高的定位精度，能滿足工程對突發(fā)事件準(zhǔn)確定位的需求。