基于分布式光纖傳感技術的隧道變形監測

潘同斌 魏紹軍 張 宇 孫寬堃

1. 青島益群地下城開發有限公司 山東 青島 264000 2. 京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京 100101

1 概述

隨著城市的發展以及地表空間資源的逐步緊張，地下空間開發的進程不斷加速，諸如地鐵等大型城市地下空間工程越來越多的出現。在地鐵隧道的施工和運營過程中，可能受到由于臨近地表加載卸載，保護區內基坑開挖以及近距離隧道穿越等因素造成的土體結構應力變化的影響發生結構沉降變形，導致安全問題，因此，需要對隧道結構進行監測[1,2]。變形監測是其中重要的監測內容。

針對大型盾構隧道中的變形監測，現有相關技術主要分為：①精密水準測量技術，憑借其測量精度高的特點，該技術在隧道監測工作中已經有了大量運用，但作業效率低，強度大，難以實現自動化；②全站儀技術，建立由全站儀等儀器組成的自動化系統對隧道變形進行監測，該技術測量精度高，但其儀器價格昂貴，測點數量有限，空間連續性偏差；③三維激光掃描技術，該方法高效快速，自動化程度高，但精度不足?？偠灾?，現有的技術難以兼顧低成本大規模布設和準確測量[3]。而分布式光纖傳感技術具有傳感距離大、穩定性好、耐久性強等優勢，在隧道結構監測方面前景廣闊。

在這些背景下，基于布里淵散射光頻域分析的分布式光纖傳感技術，在青島地鐵某線中受到臨近基坑開挖影響的某區段里設計并實施了分布式光纖監測系統。通過對地鐵隧道監測的數據采集、處理和分析，可對在本區段地鐵隧道的運營階段進行監測分析，并取得了優良的效果。

2 工程概況

監測區間沿線的地勢相對平穩，地面高程3.33-6.25m變化不大，地表主要分布厚度1.0-6.7m的第四系全新統人工填土，下伏基巖為燕山晚期閃長巖，局部可見花崗斑巖呈脈狀產出，局部受構造作用影響發育構造巖花崗斑巖（塊狀碎裂巖），強風化層厚4.30-26.00m；隧道洞身穿越強風化閃長巖地層，地下水主要為巖裂隙水，多為弱透水層，水量較貧，局部接力裂隙發育，受構造影響破碎帶裂隙水含量豐富。

監測區段隧道采用復合式盾構開挖，起點里程為K16+975.000，終點里程為K17+917.9，左線全長為805.402m，右線全長為813.000m，左右線均為單洞單線隧道，兩線隧道中軸線間距14m。在地鐵保護區內基坑開挖施工過程中，對地鐵隧道的結構變形監測，通過對分布式光纖監測數據的采集、處理和分析，確保地鐵隧道結構的安全，保證其正常使用。

3 分布式光纖監測系統的實施與運行

3.1 分布式光纖傳感原理

分布式光纖監測技術是基于布里淵散射原理發展而來的。布里淵散射是光在光纖內傳輸引起的一種散射現象[4,5]。受激布里淵散射的條件是：從待測光纖兩端射入其中的直流連續光和脈沖泵浦光的頻率差值與待測光纖某區域產生的布里淵頻移值相等。當受激布里淵散射發生時，該區域的布里淵散射光信號強度會出現放大或縮小。通過分析布里淵增益譜，可以確定待測光纖該區域的布里淵頻移值，再通過光纖各區域發生的布里淵頻移與結構溫度和應變之間的關系，可實現結構溫度和應變信息的測量。因此，可用來進行應變或溫度測量[6,7]。基于受激布里淵散射機理的測量系統稱為BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）。

布里淵增益譜一般利用洛倫茲曲線進行擬合，下式為擬合曲線的函數表達式：

式中——光纖的折射率

式中——光纖的介質的彈性模量

當光纖附著結構溫度或者應變變化時，光纖的介質的彈性模量，介質比和密度都會發生變化，導致聲波波速的變化，即導致布里淵頻移數值的變化。整理(2)(3)式可建立布里淵頻移與溫度和應變的關系表達式：

式中——光纖應變

式(4)表明布里淵頻移值和結構的溫度與應變有關。考慮這種關系，可以將布里淵頻移的增量用下式表示：

根據式(5)，經過定壓實驗和定溫實驗，可以確定溫度和應變影響系數，進而確定布里淵頻移與溫度變化量和應變變化量的關系。

3.2 分布式光纖監測系統的安裝

軌道板變形采用應變溫度復合感測光纜，采用粘貼在軌道板兩側方式進行安裝布設，本次監測區間長度為500m。

安裝過程分為三步：

1）打磨除塵：軌道板混凝土需去除表面污漬，油脂等，確保粘貼位置干凈整潔。

2）涂覆底膠：為提高光纖與結構的粘合度，需在隧道結構上刷底膠粘結劑涂層作為傳感光纖的鋪設路徑。涂膠寬度為5cm。

3）布設光纖：在底膠涂刷區域將傳感光纖水平粘貼，避免光纖彎曲；而后，還需在傳感光纖上再刷面膠粘結劑涂層，保證光纖與軌道板良好粘合。

3.3 分布式光纖監測系統數據采集與處理

自2021年5月10日對分布式光纖的安裝調試完成，共獲得15次有效的數據采集。

利用儀器自帶的采集軟件進行光纖數據采集時，步進5.2cm獲得一個測值。運用采集軟件完成光纖測量后，由于存在松弛段的非有效測量的光纖數據，需要從全局約15800個數據點中提取得到有效的部分數據點，如圖1所示。

圖1 有效數據提取過程示意（04月22日有效數據-應變量縱向分布曲線）

在采集的數據中，應變量基本穩定在400-600με區間之內，這與一般的光纖監測系統采集的數據存在明顯差異，整體上數值偏大。通過分析，認為光纖在安裝時，進行了拉緊操作，使光纖發生了初始的應變，以至于采集數據中出現較大的應變值。故需要對提取數據進行處理：

3.3.1 數據點上數據的確定和優化

由于測量數據存在一定的噪聲，為了提高數據的穩定性，同時排除無效異常值帶來的影響，將連續的5個（5-10個）分布式光纖測點的測量數據求平均，作為一個有效的應變測點測量數據。最終得到1321個應變測點數據。

3.3.2 累計應變的處理

在隧道工程中，位移（變形）的積累量以及位移（變形）的變化速率相對于位移（變形）數據本身更具有說服力。將最早一次的測量數據作為累計變量的基礎，計算后續數據的相對第一天的應變情況，計算累計應變，得到各測點的累計微應變時程曲線，計算微應變的積累量值以及相應的變化速率，并以此為基礎來評價隧道的安全情況。

通過上述各步的數據處理，可以得到隧道各個測點對應的應變變化時程曲線，以及相對累計應變的變化速率時程曲線。由于數據量過大，選取隧道中18個關鍵斷面（記為Y01-Y18），從光纖數據中提取出對應的光纖測點數據進行示意。

圖2 隧道結構關鍵測點處累計應變變化時程曲線

圖3 隧道結構關鍵測點處累計應變變化速率時程曲線

3.4 分布式光纖監測系統分析總結

監測過程中隧道結構累計應變穩定在-35με-35με之間，各測點最終累計應變最大值為+19.13με（Y12測點，2021年9月2日即最后一次測得數據）；累計應變最大值為+34.42με（Y13測點，2021年4月28日測得）；數據采集間隔期間累計相對應變的變化速率最大值為5.52με/day；且呈現前期變化速率較大，后期變化速率較小的趨勢；監測數據均處于正常范圍。

通過對光纖監測系統數據的處理分析，發現隧道結構在臨近基坑開挖過程中沒有出現較大的變形，隧道的整體安全狀況良好?？梢哉J為，該地鐵隧道區段布設實施的分布式光纖監測系統的監測數據在臨近基坑開挖過程中保證了地鐵運營的安全。

4 結論

為了實時監測臨近基坑開挖過程中隧道結構的變形情況，在隧道結構中設計實施了分布式光纖監測系統。通過隧道結構的監測數據的采集以及對監測數據的處理和分析，保證了臨近基坑開挖過程中地鐵隧道的運營安全。本文提出的監測系統，經過實際工程的實踐，相較于傳統的監測手段，具有如下的優點：

1）分布式光纖傳感技術的傳感距離較長，且體積小巧便于鋪設，十分適合隧道等大型結構的監測需要；

2）分布式光纖監測系統的兩相鄰傳感點的間距較小，傳感點數量較大，空間上的連續性較好，監測結論易被實際工程接受；

3）分布式光纖監測系統能夠穩定工作，基本不受地鐵運營窗口期的限制，能夠很好符合監測工作的要求，可以完成全天候自動監測的任務，系統穩定性高。

本監測項目的成功實施，表明分布式光纖監測系統在地鐵隧道結構變形監測中效果良好且有著較好地推廣與使用價值，同時也對于累積智能化監測經驗、提升監測技術水平、維護地鐵隧道的運營安全等方面有著重要意義。