基于光纖傳感的盾構隧道收斂變形監測研究★

孫晶晶　唐永圣

(1.南京長江隧道有限責任公司，江蘇南京　211800; 2.蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇蘇州　215137)

基于光纖傳感的盾構隧道收斂變形監測研究★

孫晶晶1唐永圣2

(1.南京長江隧道有限責任公司，江蘇南京211800; 2.蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇蘇州215137)

摘要:基于光纖光柵應變傳感技術，建立了盾構隧道收斂變形的監測方法，提出了長標距光纖傳感器的封裝結構，建立了應變反演收斂變形的理論方法，通過室內足尺盾構模型試驗，驗證了所提方法的有效性，指出光纖傳感在穩定性、耐久性等方面具有一定優勢，應用前景廣闊。

關鍵詞:盾構隧道，收斂變形，光纖光柵，長標距應變傳感器，結構監測

近年來，為了解決城市交通擁堵的問題，我國各大城市開始大規模建設地鐵，其結構形式主要是盾構隧道。由于臨近基坑開挖、地表加卸載、隧道近距離穿越及地質變化等因素，引起土體的附加應力，從而引起盾構隧道的收斂變形，易產生結構安全問題［1］。因此，學者提出了盾構隧道結構健康監測［2］，保障設施安全運營。但是，現有技術如自動跟蹤全站儀觀測［3］、自動化近景攝影技術［4］和點式直接測量技術［5］等，因技術、成本等方面的限制，無法滿足盾構隧道結構長期監測的要求。因此，開發適合盾構隧道收斂變形長期監測的新方法成為隧道工程領域的關注熱點。

光纖光柵技術具有測量精度高、穩定性好、傳感器系統集成性優等特點，近來不斷被引入隧道工程的監測［6］。基于光纖光柵技術，本文提出了盾構隧道收斂變形監測的新方法，并通過足尺模型進行了試驗驗證。

1　光纖光柵傳感技術

布拉格光纖光柵FBG( Fiber Bragg Grating) (如圖1所示)的基本傳感原理是:當寬帶入射光在光柵中傳輸時，入射光將在相應的波長上被反射回來，該波長與光柵周期Λ線性相關，而發生在柵區的應變會改變光柵周期Λ，因此，通過檢測反射光的波長變化就能實現應變測量。

圖1　光纖光柵的傳感結構

因光纖易脆斷，故FBG一般需要進行封裝后才能應用。本文中采用纖維復合材料封裝FBG(見圖2)，并形成長標距傳感，直徑僅為1 mm，長度可達1 m，適合在隧道弧面布設。

圖2　光纖光柵的傳感器

該傳感器的典型應變傳感性能如圖3所示，線性傳感特征優良，可重復性好。

圖3　應變傳感性能

2　應變反演收斂變形的監測方法

盾構隧道在外部荷載下產生收斂變形，該變形包括兩部分: 1)管片的應力變形; 2)管片在接縫處相對錯位或轉動產生的剛體位移。

根據結構力學的知識，管片的應力變形可以通過式( 1)進行計算。對于盾構隧道，收斂主要是由于彎曲變形引起。因此，可忽略后兩項。

其中，εM，εN和εQ分別為彎曲應變、軸力應變和剪切應變; 珚M，珚N和珚Q分別為虛彎矩、虛軸力和虛剪力。管片在接縫處產生的剛體位移，可以通過監測接縫的變化，利用幾何方法實施計算。

3　盾構隧道收斂變形的試驗研究

3.1試驗概況

結合試驗條件，選擇某城際軌道交通工程的中埋段兩塊標準塊拼裝成試驗構件并實施靜態加載。管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，壁厚0.35 m。管片側面設置用于拼裝的凹凸槽，采用高強螺栓實施連接，螺栓直徑為30 mm。拼裝后，跨度為5.4 m，高2.1 m，寬1.2 m。

試驗中，通過錨桿將試件固定在混凝土地板上，在端部可轉動，且可在水平向有一定約束性的位移，即設計成彈性鉸模型，與結構實際情況類似。采用液壓千斤頂( 100 t)在試件頂部施加豎向荷載，荷載通過分配梁分布在接縫兩側。盾構管片試件及試驗裝置見圖4。

為了光纖傳感器，將內側圓弧按弧長0.5 m等分為11個單元，編號依次E1～E11，其中接縫處于E6的中間。傳感器布設時采用環氧樹脂作為粘結劑，提高粘結效果。作為對比，采用位移計監測接縫附近的豎向位移和試件底部的水平位移，接縫的寬度采用游標卡尺測量。

圖4　盾構管片試件及試驗裝置

在試驗中，以豎向位移的數值作為加載控制值，按照規范中的2%D作為收斂控制值，本試件約為半圓，因此位移達到62 mm即認為已經達到極限。

3.2試驗結果

3.2.1應變分布

通過FBG傳感器，可測量結構各單元的應變。作為比較，按照曲梁模型計算了各級荷載下的理論應變分布。結果如圖5和圖6所示，表明光纖測量的應變趨勢與理論值一致，數值接近。

圖5　典型應變分布結果

圖6　典型單元E3的應變結果

3.2.2接縫縫寬

通過E6的應變測量值(如圖7所示)，可獲得接縫縫寬變化的信息，其結果如圖8所示。結果表明，光纖評估的縫寬變化與游標卡尺的實測值接近，誤差可控制在0.1 mm內，滿足隧道監測要求。

圖7　接縫處應變結果

3.2.3收斂變形

針對本試驗的具體情況，將結構簡化成具有水平彈簧約束和中間彈簧鉸的結構。在進行應變反演收斂時，進一步將模型拆分成兩部分進行計算:模型部分Ⅰ，兩端鉸接的曲梁模型，用于計算結構應力產生的收斂變形，計算中輸入的是除E6外的各單元應變，因為在該模型中E6的平均應力為0;模型部分Ⅱ，兩根曲梁鉸接的模型，水平向無約束，該模型實際上是一種機構，僅用于計算中間鉸轉動引起的頂部幾何豎向位移，計算中輸入中間鉸的轉動角度，而該角度通過E6的應變進行計算。

圖8　接縫寬度變化結果

本試驗中的收斂變形是頂部的豎向位移，其計算結果如圖9所示。結果表明，光纖評估的收斂變形與位移計實測值的趨勢一致，數值接近。當然，在某些階段存在誤差，其范圍為－5 mm～2 mm，分析其原因主要有: 1)簡化模型與實際結構之間存在一定的差異; 2)忽略了軸壓應變對結構收斂的影響。在隧道管養中一般以厘米級的收斂變形來預警，因此，本文中所提方法的評估精度可滿足實際工程需求。

圖9　收斂變形測量結果

進一步分析兩部分模型所計算的變形在總收斂變形中的比例，結果表明:彎曲應力產生的位移所占比例較小，在加載后期僅為3%。因此，在實際監測中，若傳感器數量有限，應首先滿足接縫處變形的監測。

4　結語

收斂變形是表征盾構隧道結構健康、安全的重要指標，現有技術對其實施長期監測存在困難，本文引入先進的光纖傳感技術，建立盾構隧道收斂變形的監測方法，并通過足尺模型試驗進行了驗證。通過本文的研究，獲得一些主要結論如下:

1)利用所提出的光纖傳感技術，可準確監測隧道環的應變變化和管片接縫的縫寬變化，其中縫寬測量的誤差可控制在0.1 mm以內。

2)利用所提出的光纖傳感技術，可實現盾構隧道收斂變形的準確監測，精度滿足工程評估、預警的需求。

3)管片接縫變化對收斂變形的影響大，在實際監測中，若傳感器數量有限，應首先滿足接縫處變形的監測。

考慮到光纖傳感在穩定性、耐久性以及系統集成性方面的優勢，本方法具有廣闊的應用前景。

參考文獻:

［1］王志良，申林方，劉國彬.運營地鐵隧道收斂變形對接頭性能影響的研究［J］.昆明理工大學學報(自然科學版)，2013，38( 2) :38-43.

［2］劉勝春，張頂立，黃俊，等.大型盾構隧道結構健康監測系統設計研究［J］.地下空間與工程學報，2011，7( 4) : 741-748.

［3］黃小平，楊新安，雷震宇，等.地鐵運營隧道收斂變形分析［J］.城市軌道交通研究，2009，12( 3) :55-58.

［4］劉燕萍，程效軍，賈東峰.基于三維激光掃描的隧道收斂分析［J］.工程勘察，2013( 3) :74-77.

［5］李玉寶，沈志敏，蘇明，等.地鐵盾構隧道收斂和沉降監測數據處理與分析［J］.東南大學學報(自然科學版)，2013，43 (Ⅱ) :296-301.

［6］魏綱，蘇勤衛，邢建見，等.基于光纖光柵技術的海底沉管隧道管段應變研究［J］.巖土力學，2015，36( 2) :499-506.

Study of shield tunnel convergence deformation monitoring based on optical fiber sensing★

Sun Jingjing1Tang Yongsheng2
( 1.Nanjing Yangtze River Tunnel Company Limited，Nanjing 211800，China; 2.School of Urban Rail Transportation，Suzhou University，Suzhou 215137，China)

Abstract:A new method is proposed for monitoring convergence deformation of shield tunnel based on Fiber Bragg Grating( FBG) sensing technology，a long-gauge sensor was proposed to improve the sensing performance.Then，the method of assessing convergence deformation from strain measurement was proposed.The effectiveness of the proposed method was verified with a full size specimen of shield tunnel.Considering the additional advantage of optical fiber sensing，such as stability and durability，the proposed system presents broad application prospects.

Key words:shield tunnel，convergence deformation，Fiber Bragg Grating，long-gauge strain sensor，structural monitoring

作者簡介:孫晶晶(1984-)，男，工程師;唐永圣(1982-)，男，講師

收稿日期:2015-11-27★:江蘇省交通運輸廳科技項目(項目編號:2014T14);國家自然科學基金資助項目(項目編號:51508364);江蘇省自然科學基金資助項目(項目編號:BK20150333);江蘇省高校自然科學研究項目(項目編號: 14KJB580009)

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0165-03

中圖分類號:U456.3

文獻標識碼:A