基于BOTDR的土質隧道深部圍巖變形監(jiān)測技術

尹 龍，王曉琳

(1．中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009；2. 洛陽理工學院，河南 洛陽 471000)

基于BOTDR的土質隧道深部圍巖變形監(jiān)測技術

尹 龍1，王曉琳2

(1．中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009；2. 洛陽理工學院，河南 洛陽 471000)

為了解決土質隧道深部圍巖變形實時連續(xù)監(jiān)測的難題，在分布式光纖監(jiān)測技術的基礎上，采用模型設計、試驗與應用工藝驗證的方法，研究開發(fā)了一種用于測試土質隧道深部圍巖變形的實時監(jiān)測方法，得出了監(jiān)測力學模型與監(jiān)測方程，提出了傳感器的制作、布設與安裝方法以及系統(tǒng)集成與實時監(jiān)測的工藝技術。對研究成果進行了工程實地應用驗證，并取得了初步的應用效果。

BOTDR；隧道深部圍巖變形；實時監(jiān)測；傳感器

0 引言

當前，我國正處于大規(guī)模建設時期，在交通、水利等各個領域正在進行大量隧道工程。在隧道施工和使用過程中，圍巖的應變會發(fā)生變化，而保證圍巖穩(wěn)定是一個極其重要的任務。本文介紹新建京石客專6線隧道的1項科研成果。開發(fā)的分布式光纖監(jiān)測技術，對土質隧道施工中隧道圍巖深部土體的徑向監(jiān)測有重要意義。

目前，隧道圍巖徑向監(jiān)測多采用機械點式測量設備(如多點位移計)。這類監(jiān)測技術為點式測量技術，測點不連續(xù)，自動化程度低，監(jiān)測效率不高，難以滿足高風險區(qū)段隧道自動、實時監(jiān)測的設計要求。

從20世紀90年代開始，我國就開始了光纖傳感技術的應用研究。FBG光纖傳感器等一系列傳感器已先后應用于橋梁的安全檢測中，并取得了一系列成果[1-3]。但是，這些光纖傳感都為點式，存在測點不連續(xù)等弊端。BOTDR光纖應變監(jiān)測技術，是近些年開始研發(fā)、成熟的監(jiān)測技術。該監(jiān)測技術特別適合于對大型基礎設施工程進行遠程分布式應變監(jiān)測和監(jiān)控。日本等國已將該技術應用于樁基、水利等工程的應變監(jiān)測中，并已證明了其有效性和優(yōu)越性[4-5]。BOTDR光纖應變監(jiān)測技術引入我國后，在邊坡監(jiān)測、抗滑樁監(jiān)測等方面被廣泛應用[6-9]，但是，其在地下工程領域的應用較少。王菀等[10]利用分布式光纖監(jiān)測技術，設計了管式傳感器，并應用于土體的超前監(jiān)測。

本文采用一種基于分布式光纖傳感原理的方法，對傳感方程、傳感器制作與埋設工藝及量測數(shù)據(jù)分析軟件開發(fā)等進行系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了對土質隧道深部土體徑向應變的實時、連續(xù)監(jiān)測。在本文所采用的BOTDR分布式光纖監(jiān)測技術中，光纖既作為傳輸介質，又作為傳感元器件，實現(xiàn)了空間上的連續(xù)監(jiān)測，更能真實地反映土體各點的變形。

1 技術方案

本研發(fā)的目標是開發(fā)一種探知隧道圍巖應變信息的分布式實時監(jiān)測技術。該監(jiān)測技術需同時滿足測點連續(xù)、全過程實時監(jiān)測的要求。要將這一監(jiān)測技術應用于隧道深部圍巖變形監(jiān)測，需解決以下3個關鍵問題，即傳感器的設計和制作、監(jiān)測方程的建立和傳感器的地層植入技術。

隧道圍巖徑向應變分布式監(jiān)測技術的特征是所述徑向監(jiān)測孔穿越圍巖松動影響圈，孔底達到圍巖穩(wěn)定區(qū)域，以孔底作為基點，對上述應變分布進行一次積分運算，得到圍巖徑向變形的分布。因此，沿隧道開挖面周邊徑向鉆孔，監(jiān)測孔長度可選取圍巖松動圈計算值或經(jīng)驗值的1.5倍以上，使監(jiān)測孔穿越圍巖松動圈的底部到達圍巖穩(wěn)定區(qū)域。將傳感光纖光纜布設于鉆孔中，通過向孔內注入與地層彈性模量相近的材料，實現(xiàn)傳感光纜與地層的耦合,使光纖和底層協(xié)調變形。由于應變測量中需對溫度引起的應變進行修正，所以設計采用2種不同特性的光纖，分別作為應變測量光纖和溫度測量光纖。應變傳感光纜通過彈簧秤施加定量預拉力，以保持光纖與地層土體平順接觸。溫度補償光纖傳感器則不施加預拉力。

1.1 傳感器的設計與制作

應變傳感器采用GFRP加強型緊套單模光纖，溫度補償光纖傳感器為鎧裝松套單模光纖。將光纖附著于特制的支撐桿上，組成傳感器件，如圖1所示。傳感系統(tǒng)由光纖傳感器支撐桿件、注漿管、排氣管、孔口固定系統(tǒng)等組成。

圖1 傳感器示意圖

支撐桿件采用高強度不銹鋼管，每節(jié)桿件長1 m，桿件之間用外接頭相連，以適應不同長度的監(jiān)測孔；桿件端點留有圓弧凹槽，以固定光纖傳感器；排氣管采用PVC管材，每節(jié)長2～3 m，用PVC管接頭相連。套筒直徑略大于監(jiān)測孔徑，尾部留有圓形裙邊，裙邊上留有螺栓固定孔，如圖2所示；蓋板中心位置固定支撐桿件，并在蓋板中間區(qū)域開設光纖傳感器引出孔2個、注漿孔1個、注漿排氣管出口1個，如圖3所示。

圖2 孔口固定系統(tǒng)套筒示意圖

圖3 固定支撐系統(tǒng)的蓋板示意圖

1.2 監(jiān)測方程的建立

當隧道圍巖應變發(fā)生變化時，植入圍巖體內的分布式光纖傳感器隨巖體同步發(fā)生變形而產(chǎn)生拉壓。通過測量布里淵背向散射光的頻移量，并根據(jù)頻移量與應變和溫度之間的線性關系，可以得到光纖傳感器所在位置圍巖的應變分布和溫度分布，通過運算，得到圍巖在隧道徑向上的變形/位移。

通過光時域反射技術可以對光纖上的事件點進行精確地空間定位。頻移量與應變、溫度之間的線性關系為

VB(ε,T)=VB(0)+?VB(ε)/?ε·ε+?VB(T)/?T·T。

(1)

式中：VB(ε,T)為應變和溫度作用下的布里淵背向散射光頻移量；VB(0)為初始頻移；?VB(ε)/?ε和?VB(T)/?T分別為布里淵頻移-應變系數(shù)和布里淵頻移-溫度系數(shù)；ε，T分別為作用在光纖傳感器上的應變、溫度。

溫度補償光纖的頻移與溫度關系為

VB(0,T)=VB(0)+?VB(T)/?T·T。

(2)

溫度補償采用參考光纖法。該方法是解決基于布里淵散射的分布式光纖傳感器交叉敏感問題最常用的一種方法，具有簡單、可靠的優(yōu)點，在實際工程監(jiān)測中應用較多。方法如下：通過在測量光纖旁邊平行布置參考光纖，使參考光纖處于不受應變的自由松弛狀態(tài)，只對溫度的變化敏感，作為溫度傳感光纖；測量光纖則采用全面粘貼或定點粘貼的方法安裝在待測結構上，使其對溫度和應變都敏感。這樣，通過測量參考光纖，獲得待測物理場的溫度信息，然后采用公式(1)從測量光纖的測量信息中扣除溫度信息，獲得待測物理場的應變信息，如式(3)所示

(3)

式中：?VB(ε)/?ε為布里淵頻移-應變系數(shù)，對于ANDO的AQ8603系統(tǒng)，應變系數(shù)為493 MHz/%；VB(ε，T)為應變傳感光纜測量的布里淵頻移；VB(0，T)為溫度傳感光纜測量的布里淵頻移。

徑向位移計算積分式為

(4)

式中：S(0)為測孔孔底處圍巖徑向位移值，一般孔底遠離圍巖松動圈，其位移為0，即S(0)=0；S(h)為距孔底h處的徑向位移值；ε(z)為應變分布。

1.3 傳感器植入技術

傳感器植入巖層示意見圖4。

將傳感系統(tǒng)植入巖層的操作步驟如下：

1)在圍巖上鉆取監(jiān)測孔，孔徑為70～90 mm，測孔穿越圍巖松動圈底部到達圍巖穩(wěn)定區(qū)域，監(jiān)測孔長度可選取圍巖松動圈計算值或經(jīng)驗值的1.5倍。

2)打入套筒，套筒直徑略大于測孔，套筒長度一般取50 cm。

3)光纖長度，截取分布式光纖應變傳感器，長度一般以2L+5 m確定，其中L為測孔長度；溫度補償傳感器為鎧裝松套單模光纖傳感器，長度為L+5 m，與分布式光纖應變傳感器并排布設。

4)分布式光纖應變傳感器的中點和溫度補償傳感器的末端(與測孔底部相對應)固定在支撐桿件頂端的圓弧凹槽中，通過支撐桿件將光纖傳感器送入監(jiān)測孔內，支撐桿件頂端應達到測孔底部。

5)支撐桿件固定在孔口固定系統(tǒng)的蓋板上，蓋板與套筒的裙邊通過螺栓固定，蓋板與套筒裙邊間放置橡膠墊圈，以防止注漿時發(fā)生漏漿，光纖傳感器兩端分別從光纖傳感器引出孔引進、引出，注漿排氣管一端連接蓋板上注漿排氣管出口，一端伸入測孔底部。

6)在光纖傳感器引出處，使用彈簧秤對應變光纖傳感器施加定量預拉力；在保持預拉力前提下，通過注漿孔注入填充漿液；待漿液凝固后，撤除預拉力。

圖4 傳感器植入土體示意圖

1.4 監(jiān)測與計算

本項目測量儀器采用AQ8603解調儀和自行研制的DPST分析軟件運算，得出分布式光纖的計算結果。

當隧道開挖引起圍巖變形并帶動傳感器一起發(fā)生變形時，布里淵將直接采集到傳感器光纖應變分布信息。數(shù)據(jù)的采集過程由計算機控制模塊實現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)由計算機控制模塊導入到數(shù)據(jù)處理模塊，再將從數(shù)據(jù)處理模塊中導出的數(shù)據(jù)導入到按照一定算法寫成的DPST數(shù)據(jù)分析軟件中，由其自動計算出變形量，從而得到圍巖的變形或位移量值。

布里淵采集一次數(shù)據(jù)的時間約為5～10 min，數(shù)據(jù)分析采用專門為本項目開發(fā)的軟件系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集分析至得出成果所需時間不大于20 min。在地下工程領域中，此監(jiān)測頻率可以認為是實時監(jiān)測。

2 現(xiàn)場應用

2.1 現(xiàn)場布設

為對京石客專六線隧道暗挖段中洞開挖過程中的洞室周圍土體的徑向變形進行監(jiān)測，在開挖步序2區(qū)和4區(qū)的上部和中部分別設置了一個直埋監(jiān)測孔，孔深均為8 m，埋入長度為8 m的光纖傳感器，孔位如圖5所示。2區(qū)上直埋測孔到洞門的距離為19 m，2區(qū)下直埋測孔到洞門的距離為23 m，4區(qū)上直埋測孔到洞門的距離為24 m，4區(qū)下直埋測孔到洞門的距離為30 m。

圖5 徑向直埋監(jiān)測孔孔位圖

采用布里淵對2區(qū)直埋孔傳感光纖的應變分布進行監(jiān)測，將測孔孔底作為基準點，通過計算可以得到2個監(jiān)測孔相對于基準點的位移曲線，如圖6和圖7所示。同時，選取位移變化典型點，繪制該點位移的時程曲線，如圖8和圖9所示。圖中相對位移正值表示土體受到拉伸，即測點相對于基準點向洞內位移；負值表示土體受到壓縮，即深部土體沿隧道徑向朝洞內的位移量大于測點的位移量。

圖6 2區(qū)上部直埋測孔位移分布曲線Fig. 6 Displacement measured at monitoring points in the upper part of Zone 2

圖7 2區(qū)下部直埋測孔位移分布曲線Fig. 7 Displacement measured at monitoring points in the lower part of Zone 2

圖8 2區(qū)上直埋測孔位移時程曲線(2010)Fig. 8 Displacement measured at monitoring points in the upper part of Zone 2 Vs time in 2010

圖9 2區(qū)下直埋測孔位移時程曲線(2010)Fig. 9 Displacement measured at monitoring points in the lower part of Zone 2 Vs time in 2010

2.2 測試結果分析

2.2.1 隧道徑向土體變形分析

隨著隧道工作面的推進，2區(qū)上直埋測孔土體的位移由孔底向孔口逐漸增大，位移值于2010年6月6日開始在保持原有變化規(guī)律的基礎上趨于穩(wěn)定。從時程曲線可以看出，在距離測孔孔底6 m處，土體位移隨時間變化較小；在距測孔孔底4 m處，土體位移逐漸增大至1.9 mm，然后趨于穩(wěn)定。

2區(qū)下直埋測孔的相對位移與2部上直埋測孔的變化規(guī)律相似，但各點位移的變化比2部上直埋測管的位移變化小。

4區(qū)上、下直埋傳感器測試結果與2區(qū)相似。

2.2.2 與常規(guī)監(jiān)測方法的對比

在埋設光纖測孔的2區(qū)下部和4區(qū)下部區(qū)域內，選擇了一個與光纖傳感器位置相接近的土體布設多點位移計，測試位移量的同時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較。光纖傳感器與多點位移計監(jiān)測點的布置見圖5，2種方法獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)實測值見表1。從表1中可以看出，這2種方法具有較好的符合性。

表1光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)與多點位移計數(shù)據(jù)對比表
Table 1 Comparison and contrast between values measured by distributed optical fiber monitoring technology and those measured by multi-point displacement meters

位置測試方法測試結果/mm2010-05-262010-05-272010-06-5距孔口4m光纖傳感器030045069多點位移計034047066距孔口2m光纖傳感器075086151多點位移計071080144

3 結論與建議

本課題將分布式光纖監(jiān)測技術應用于隧道施工監(jiān)測中。通過與傳統(tǒng)監(jiān)測方式所得數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的符合性。這樣，實現(xiàn)了土質隧道深部土體徑向應變的分布式實時監(jiān)測。但是，該技術仍存在以下問題：

1)傳感器測量的位移實際上為基于應變測量結果的計算分析值，該技術尚不能進行位移的直接測量。

2)傳感器與土體之間的錨固是通過傳感器與土體之間的摩擦實現(xiàn)的。但是，采用這種方法，傳感器與土體極易脫開。在今后的應用中，應開發(fā)新的錨固裝置，實現(xiàn)傳感器與土體之間更加有效的直接錨固。

3)注漿材料與原土體的耦合性能關系到傳感器能否真實表達所測試的土體形變，因此應進一步加強對所用注漿材料的研究。

4)應進一步加強該測量方法與常規(guī)測量方法的對比。

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DeformationMonitoringTechnologyforDeepSurroundingRocksofSoilTunnelsBasedonBOTDR

YIN Long1,WANG Xiaolin2

(1.TechnologyCenterofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471000,Henan,China)

A new real-time deformation monitoring technology for deep surrounding rocks of soil tunnels is developed on basis of distributed optical fiber monitoring technology and by means of model design,testing and application technology verification,so as to realize the real-time continuous monitoring of the deformation of deep surrounding rocks of soil tunnels. The monitoring mechanical model and the monitoring equation are obtained;the manufacturing,arrangement and installation methods of the sensors,the system integration and the real-time monitoring technology are proposed. The study results have been testified in the field and good application effect has been achieved.

BOTDR;tunnel;deformation of deep surrounding rock;real-time monitoring;sensor

2013-10-18;

2013-12-05

鐵道部重大科技研究開發(fā)計劃項目(G006-B)

尹龍(1980—)，男，黑龍江雙城人，2004年畢業(yè)于蘭州交通大學，建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)，本科，工程師，從事隧道及地下工程技術研究與管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.012

U 45

B

1672-741X(2014)02-0158-05