基于光纖傳感的公路隧道下穿河流段安全監測技術研究

楊勇

(太原西北二環高速公路發展有限公司 山西太原 030045)

1 工程概況

山西某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，全長3 105 m，屬特長隧道。該隧道下穿河流段位于山間溝谷沖洪積區，地形呈東高西低，隧道洞頂與河床底部最小距離僅20 m，其穿越河流受影響的隧道段長度達850 m。該隧道地層巖性主要為第四系全新統洪沖積（Q4pal）松散堆積物，上部為粘土層，下部為含泥卵石混合土，呈典型的二元結構。上層粘土層呈淺黃色，稍濕，液限低，具有中等壓縮性，含有少量植物根系及礫石，厚度為1.5～5.0 m；下層含泥卵石混合土呈淺棕色，呈飽和狀，稍密，卵石為強風化砂巖，強度較低，手搓即碎裂，呈圓狀-次圓狀，厚度為5.0～29.5 m。由于該隧道下穿河流段地層強度較低，含水量較大，在施工擾動下產生了多次突泥、涌水、初支結構大變形、塌方等不良地質災害，并伴隨發生多次隧道地表塌陷，對隧道施工安全造成極大的威脅，其現場情況如圖1、圖2所示。

圖1 隧道突泥涌水情況

圖2 隧道掌子面塌方情況

鑒于此，為確保隧道施工及運營安全，準確掌握下穿河流隧道段結構健康狀況，避免因地質災害而產生的不良影響，該項目采用新型光纖傳感技術對隧道下穿河流段進行大范圍、全方位的監測，以實現對隧道結構的自動、實時、長期的健康監測。

2 監測內容

根據隧道下穿河流段監測目的及現場實際情況，確定該項目的具體監測內容及技術路線。首先，以該隧道下穿河流的中心位置為中點，前后50 m范圍內確定為重度影響區，采用密集分布式定點應變感測光纜對該隧道段所有的接縫多維變形進行監測，實現對隧道結構變形縫的縱向開合變形、兩側邊墻位置豎向差異變形、頂板位置水平差異變形的全面監測；其次，針對該隧道施工期出現突泥涌水的不良地質段、工法轉換過渡段等部位選取10個典型斷面，采用光纖光柵表面應變計進行結構應變監測。通過上述兩方面的監測，可實現對該隧道下穿河流段進行全方位的結構健康監測，為其安全運營提供技術支撐。

3 監測實施方案

3.1 隧道接縫多維變形監測

隧道結構接縫處的變形主要表現為縱向開合變形、兩腰位置豎向差異變形、頂板位置水平差異變形等表現形式[1-2]。沿隧道環向定間距布設傳感光纜，在隧道邊墻部位布設橫向傳感光纜，同時為提高隧道接縫變形監測精度，在拱腳部位布設一條溫度補償光纖，整體設計如圖3所示。

圖3 隧道接縫多維變形監測示意圖

該項目采用1.5 m定點密集分布式應變感測光纜，該光纜采用獨特內定點設計實現空間非連續非均勻應變分段測量，配合密集分布式光纖感測技術（DDS）使用，具有良好的機械性能和抗拉壓性能，施工便捷，可抵御各種惡劣工況[3]，其現場安裝情況如圖4所示。

圖4 定點光纜現場安裝圖

3.2 隧道結構應變監測

針對該隧道施工期出現突泥涌水的不良地質段、工法轉換過渡段等部位選取典型斷面，采用光纖光柵表面應變計進行結構應變監測，在每個監測斷面的左右拱肩、左右拱腰和拱頂各布設1支表面應變計，布設位置如圖5所示。該傳感器的量程為-1 500～+1 000 με，分辨率為0.1%F.S.，尺寸為φ13×126 mm。在現場實施過程中，首先選取相應的夾具，用膨脹螺絲將夾具底座固定在隧道混凝土結構上；然后將光纖光柵應變計放入夾具底座，利用水平尺確定位置，以保證應變計與夾具呈垂直狀態，再將夾具上部進行固定安裝；最后將應變計接入光纖光柵解調儀進行調試，檢測應變計在自由狀態下及均勻受力狀態下的波長信號，確保波長變化量小于200 pm方可認定為安裝成功[4]。其現場安裝情況如圖6所示。

圖5 表面應變計安裝位置示意圖

圖6 表面應變計現場安裝圖

3.3 監測頻率

根據《公路隧道施工技術規范》（JTG/T 3660-2020）中關于隧道監測頻次的要求，并結合該項目監測工作的實際情況，其具體監測頻率如表1 所示。由于該項目所有數據可以實現實時、自動采集，遇汛期、雨季及有異常情況發生時可隨時根據需要提高監測頻率[5-6]。

表1 隧道下穿河流段監測頻率

4 監測結果分析

在上述傳感器布設完成后，該項目采用光纖調制解調儀按照既定監測頻率對其進行長期監測。對于分布式光纖，該項目采用國產AV6419 型光纖調制解調儀，其頻率范圍為10.5～11.5 GHz，脈寬為10 ns，平均采樣間隔為0.05 m，空間分辨率為1 m；對于光纖光柵傳感器，該項目采用FBG-A03 型便攜式光纖光柵解調儀，其波長范圍為0～40 nm，解調速率為1 Hz，動態范圍為45 dB。利用上述監測系統，對重度影響區內的隧道接縫多維變形及典型斷面變形情況的監測結果見圖7、圖8。

圖8 隧道結構變形監測曲線圖

從圖7 中可以看出，該隧道段結構接縫的絕大部分變形監測值分布在350～550 με 之間，經換算后，其裂縫寬度為0.075～0.15 mm，結合《混凝土結構設計規范》可初步判斷該段隧道結構接縫小于其規定的限值0.20 mm，基本處于穩定安全狀態。但在距離光纖起點75 m處，其對應的監測應變值出現突變點，即圖中的紅色部分，該應變值達到1 300～1 500 με之間，經換算后其裂縫寬度達到0.32～0.38 mm；結合該處監測值的綜合分析，發現該處應變值在8 個月內由1 300 με 增加至1 500 με，其增幅達到17%，可見該處隧道結構接縫處于快速發展階段，需采用相應工程措施進行處治加固。

圖7 隧道接縫多維變形曲線圖

從圖8 曲線圖可以看出，該典型隧道斷面的結構變形值均小于6 mm，其測點1、2、3 分別在監測20 d、52 d時產生突變，尤其是測點1在20 d時由1.38 mm增至3.14 mm，其增幅達到127%。結合現場實際情況，經綜合分析后，該處監測值劇增的主要原因在于隧道地表發生強降雨，隧道下穿的河流水量劇增，導致地表水下滲增多，進而引起隧道拱部及邊墻部位結構變形值增大。結合隧道結構整體變形情況可知，隧道下部（測點4、5）的變形值增幅較緩，且各測點結構變形值最終基本處于穩定狀態。但結構整體變形分布不均衡，易引起局部應力集中，因此在隧道運營過程中應注意地表防水，避免地表水大量下滲引起隧道變形加劇。

5 結語

針對公路隧道下穿河流段施工過程中產生突泥、涌水、結構開裂、塌方等一系列不良地質災害的復雜工況，采用分布式光纖及光纖光柵傳感技術對隧道接縫多維變形、差異沉降、結構局部應變進行全面監測，并結合現場實際情況確定其監測頻率，實現了隧道下穿河流段結構健康狀態的高精度、大范圍、全方位地進行監測，為隧道施工及運營提供準確的監測數據，確保施工及運營安全，促進隧道建設及養護技術朝信息化、智能化發展。