分布式光纤传感监测盾构隧道收敛变形研究

钟东， 唐永圣

(1. 南京长江隧道有限责任公司， 江苏 南京 211800;2. 苏州大学 城市轨道交通学院， 江苏 苏州 215137)



分布式光纤传感监测盾构隧道收敛变形研究

钟东1， 唐永圣2

(1. 南京长江隧道有限责任公司， 江苏 南京 211800;2. 苏州大学 城市轨道交通学院， 江苏 苏州 215137)

摘要:收敛变形是表征盾构隧道结构健康、安全的重要指标，利用现有技术对其实施大规模监测存在困难。为此，引入先进的分布式光纤传感技术，建立盾构隧道收敛变形的监测方法。首先，基于传感技术特点和隧道监测特征，提出长标距光纤传感器的封装结构，试验验证了其优良的应变传感性能。然后，建立应变反演收敛变形的理论方法。最后，通过室内足尺模型试验对提出的方法进行了验证。结果表明：文中提出的方法可准确评估盾构隧道的收敛变形，其精度满足工程管养的需求；同时还表明：管片接缝变化对收敛变形的影响大，在实际监测中应优先满足接缝处变形的监测。考虑到分布式光纤传感在传感距离、稳定性和耐久性等方面的优势，本方法具有广阔的应用前景。

关键词：盾构隧道；收敛变形；分布式光纤传感技术；结构健康监测

近年来，为了解决城市交通拥堵的问题，我国各大城市开始大规模建设地铁，其结构形式主要是盾构隧道。由于临近基坑开挖、地表加卸载、隧道近距离穿越及地质变化等因素，引起土体的附加应力，从而引起盾构隧道的收敛变形，易产生结构安全问题[1]。因此，学者提出了盾构隧道结构健康监测[2]，保障设施安全运营。所谓结构健康监测就是通过对结构某些关键指标实施长期在线监测，并利用其对结构的使用、安全等性能实施评估。针对盾构隧道的收敛变形监测，现阶段的相关技术大主要有以下几类：1)自动跟踪全站仪观测技术，已在隧道建设中得到大量应用，如上海地铁二号线[3]和香港地铁[4]，测量精度高，但监测设备昂贵，无法大规模布设；2)自动化近景摄影技术，如刘燕萍等[5]应用三维激光扫描技术分析盾构隧道的收敛变形，测量效果易受照明质量的影响；3)点式直接测量技术，如李玉宝等[6]采用数显收敛计监测盾构隧道腰部的收敛变形，精度高，但仅限于有限点的收敛监测。从长期监测的角度来看，既有技术要么成本高无法大规模布设，要么受隧道环境影响难以实施准确监测。分布式光纤传感技术具有传感距离大(一般可达到几十公里)、分布式传感、光传感稳定性好等优势，是适用于隧道结构监测的优良技术[7]。王飞等[8-9]初步研究了分布式光纤传感技术用于盾构隧道收敛变形方面的可行性，并为进一步利用该技术实现盾构隧道的收敛变形监测提供了理论和技术支持。基于分布式光纤传感技术的特点，本文首先提出了适用于盾构隧道收敛变形监测的传感器封装方法，然后提出了收敛变形监测理论，并通过足尺模型进行了试验验证。

1分布式光纤传感技术

1.1基本传感原理

分布式光纤传感的基本原理是布里渊散射机

理，即当光纤某区域的应变或温度发生变化时，该区域的布里渊散射的中心频率会随之发生变化，两者之间存在着良好的线性关系，因此测量各点的布里渊频移就可以实现应变或温度的分布式测量。为了提高测量效果，在光纤两端分别注入调制好的一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)，产生布里渊放大效应(受激布里渊散射)，如图1所示。由于采用脉冲预泵浦技术，日本NEUBREX公司制造的基于PPP-BOTDA(Pulse-PrePumpBrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)技术[10]的NBX-6050在同类商品中具有较高的空间分辨率(10cm)与测量精度(±7.5με)，本文的研究基于此产品展开。

图1　PPP-BOTDA技术的基本原理Fig.1 Principle of PPP-BOTDA

1.2分布式光纤传感器

基于PPP-BOTDA的分布式光纤传感器采用的是普通商业光纤，产品质量稳定、价格优势显著。但是，光纤易脆断，需要适当的封装后方能适应相对粗放的土木工程环境。考虑到盾构隧道环的传感器布设面为弧面，以及在管片接缝处的应变比较大，故采用长标距柔性传感器的设计方法(图2)[11]。通过长标距封装，提高了PPP-BOTDA技术在接缝处的应变测量精度，并扩大缝宽的量程。传感器的直径约为1mm，便于在弧面处布设。

理论上，布里渊散射中心频率变化与光纤的应变变化呈线性关系，系数为49.7MHz/0.1%。对研制的传感器实施静态拉伸试验，典型结果如图3所示。结果表明了优良的线性传感特征，其系数为50.3MHz/0.1%，与理论值接近。

图2　分布式光纤传感器Fig.2 Distributed fibre optic sensor

图3　光纤传感性能Fig.3 Sensing performance of fiber optic sensor

2盾构隧道收敛变形的监测理论

盾构隧道在外部荷载下产生收敛变形，该变形包括2个部分：1)管片的应力变形；2)管片在接缝处相对错位或转动产生的刚体位移。

根据结构力学的知识，管片的应力变形可以通过公式(1)进行计算。对于盾构隧道，收敛主要是由于弯曲变形引起[8]。因此，可忽略后2项。

管片在接缝处产生的刚体位移，可以通过监测接缝的变化，利用几何方法实施计算。基本过程是：首先通过应变计算接缝缝宽；然后利用缝宽变化计算转角；再基于转角计算收敛变形。

接缝的缝宽变化采用在接缝处布设长标距传感器，要求传感器标距不宜过大，尽量只包含接缝缝宽变化而引起的长标距传感器的应变变化，接缝缝宽的计算方法如下：

d=εL*L

(3)

式中：εL和L分别是接缝处长标距传感器的应变和标距。

转角计算方法如下：

(3)

式中，yL是接缝处长标距传感器至接缝截面名义中和轴的距离。

(4)

(a)铰模型；(b)铰转动引起收敛图4　计算模型Fig.4 Calculation model

3盾构隧道收敛变形的试验研究

3.1试验概况

为了验证提出方法的有效性，选择某城际轨道交通工程的中埋段标准块作为试验构件。考虑到试验室条件限制，无法完成满环的静载试验，因此共选择2块标准块管片，并在试验室进行拼装，如图5所示。管片外径6.2m，内径5.5m，壁厚0.35m。每块标准块对应的圆心角是67.5°，宽1.2m。管片侧面设置用于拼装的凹凸槽，拼装时，每片管片环向两端各有2个孔，采用高强螺栓实施连接，螺栓直径为30mm。

如图6所示，将拼装后管片通过锚杆将其固定在混凝土地板上，试件在端部可转动，且可在水平向有一定约束性的位移，即设计成弹性铰模型，与结构实际情况类似。采用液压千斤顶(100t)在试件顶部施加竖向荷载，荷载通过分配梁分布在接缝两侧。

为了布设长标距光纤传感器(图2)，将内侧圆弧按弧长0.5m等分为11个单元，编号依次E1～E11，其中接缝处于E6的中间，每个单元对应的圆心角约为12.5°。传感器布设时采用环氧树脂作为黏结剂，提高黏结效果。因为PPP-BOTDA技术对应变和温度交叉敏感，试验中通过一段自由光纤的监测数据，补偿温度变化的影响。在试验中，作为对比，采用位移计监测接缝附近的竖向位移和试件底部的水平位移，接缝的宽度采用游标卡尺测量。

(a)管片；(b)管片拼装图5　盾构管片试件Fig.5 Specimen of shield segment

在试验中，以竖向位移的数值作为加载控制值，具体为：0～1mm，加载级为0.2mm；1～10mm，加载级为0.5mm；10～20mm，加载级为1mm；20～66mm，加载级为2mm。规范中2%D作为收敛控制值，本试件约为半圆，因此位移达到62mm即认为已经达到极限。

图6　传感器布设Fig.6 Sensor installation

3.2试验结果

3.2.1应变分布

典型的应变结果如图7所示，显示在荷载42t下的试件内侧应变分布，其中E6的应变不包含在内，其数值反映接缝的变化。作为比较，按照曲梁模型计算了各级荷载下的理论应变分布。结果比较发现，光纤测量的应变趋势与理论值一致，数值接近。

以E3为例，进一步比较应变测量精度，如图8所示。结果表明，在小应变阶段精度较差，出现了明显的波动，但当应变大于30 με后，精度显著提高。

图7　典型应变分布结果Fig.7 Typical results of strain distribution

图8　典型单元应变布结果Fig.8 Typical results of element strain

3.2.2接缝缝宽

通过E6的应变测量值(图9)，可获得接缝缝宽变化的信息，其结果如图10所示。结果表明，光纤评估的缝宽变化与游标卡尺的实测值接近，误差可控制在0.1mm内，满足隧道监测要求。

图9　接缝处应变布结果Fig.9 Strain results at seam

图10　接缝宽度变化结果Fig.10 Results of seam width change

3.2.3收敛变形

针对本试验的具体情况，将结构简化成如图11(a)所示具有弹簧约束的结构。在进行应变反演收敛时，进一步将模型拆分成2部分进行计算：模型部分I(图11(b))，两端铰接的曲梁模型，用于计算结构应力产生的收敛变形，计算中输入的是除E6外的各单元应变，因为在该模型中E6的平均应力为0；模型部分II(图11(c))，2根曲梁铰接的模型，水平向无约束，该模型实际上是一种机构，仅用于计算中间较转动引起的顶部几何竖向位移，计算中输入中间铰的转动角度，而该角度通过E6的应变进行计算。

(a)简化模型；(b)模型部分I；(c)模型部分II图11　分析模型Fig.11 Analysis model

本试验中的收敛变形是顶部的竖向位移，其计算结果如图12所示。结果表明，光纤评估的收敛变形与位移计实测值的趋势一致，数值接近。当然，在某些阶段存在误差，其范围为-5～2mm，分析其原因主要有：1)简化模型与实际结构之间存在一定的差异；2)忽略了轴压应变对结构收敛的影响。在隧道管养中一般以厘米级的收敛变形来预警，因此，本文中所提方法的评估精度可满足实际工程需求。

进一步分析2部分模型所计算的变形在总收敛变形中的比例，结果如图13所示。结果表明：弯曲应力产生的位移所占比例较小，在加载后期仅为3%。因此，在实际监测中，若传感器数量有限，应首先满足接缝处变形的监测。

图12　收敛变形测量结果Fig.12 Convergence deformation measurement results

图13　收敛变形的组成分析Fig.13 Parts analysis of convergence deformation

4结论

1)基于分布式光纤传感技术，所提出的长标距光纤传感器具有优良的应变传感性能，即高线性和可重复性；

2)利用所提出的分布式光纤传感技术，可准确监测隧道环的应变变化和管片接缝的缝宽变化，其中缝宽测量误差可控制在0.1mm内；

3)利用所提出的分布式光纤传感技术，可实现盾构隧道收敛变形的准确监测，精度满足工程评估、预警的需求；

4)管片接缝变化对收敛变形的影响大，在实际监测中，若传感器数量有限，应首先满足接缝处变形的监测。

参考文献：

[1] 郭典塔，周翠英，谢琳. 近接地铁隧道基坑开挖静动力学行为研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(12): 393-401.

GUODianta,ZHOUCuiying,XIELin.Researchonstaticanddynamicperformanceofthefoundationpitexcavationadjacenttosubwaytunnels[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2015, 12(12): 393-401.

[2] 刘胜春，张顶立，黄俊，等. 大型盾构隧道结构健康监测系统设计研究[J]. 地下空间与工程学报，2011，7(4): 741-748.

LIUShengchun,ZHANGDingli,HUANGJun,etal.Researchanddesignonstructuralhealthmonitoringsystemforlarge-scaleshieldtunnel[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2011, 7(4): 741-748.

[3] 黄小平，杨新安，雷震宇，等. 地铁运营隧道收敛变形分析[J]. 城市轨道交通研究，2009，12(3): 55-58.

HUANGXiaoping,YANGXin'an,LEIZhenyu,etal.Onconvergentdeformationoftheexistingmetrotunnel[J].UrbanMassTransit, 2009, 12(3): 55-58.

[4]TangE,LuiV,WongA.ApplicationofautomaticdeformationmonitoringsystemforHongkongrailwaymonitoring[C]//StrategicIntegrationofSurveyingServices,FIGWorkingWeek2007,Hongkong,China, 2007: 50-54.

[5] 刘燕萍，程效军，贾东峰. 基于三维激光扫描的隧道收敛分析[J]. 工程勘察，2013(3): 74-77.

LIUYanping,CHENGXiaojun,JIADongfeng.Tunnelconvergenceanalysisbasedon3Dlaserscanning[J].GeotechnicalInvestigation&Surveying, 2013(3):74-77.

[6] 李玉宝，沈志敏，苏明，等. 地铁盾构隧道收敛和沉降监测数据处理与分析[J]. 东南大学学报(自然科学版)，2013，43(II): 296-301.

LIYubao,SHENZhiming,SUMing,etal.Dataprocessingandanalysisforconvergentandsettlementmonitoringinsubwayshieldtunnel[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2013, 43(II): 296-301.

[7]LeungCKY,WanKT,InaudiD,etal.Review:opticalfibersensorsforcivilengineeringapplications[J].MaterialsandStructures, 2015, 48: 871-906.

[8] 王飞，黄宏伟，张冬梅，等. 基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法[J]. 岩石力学与工程学报，2013， 32(9): 1901-1908.

WANGFei,HUANGHongwei,ZHANGDongmei,etal.DeformationsensingmethodofshieldtunnelbasedonopticalfibersensingtechnologyofBOTDA[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2013, 32(9): 1901-1908.

[9] 沈圣，吴智深，杨才千，等. 基于分布式光纤应变传感技术的盾构隧道横截面收敛变形监测方法[J]. 土木工程学报，2013，46(9): 104-116.

SHENSheng,WUZhishen,YANGCaiqian,etal.Convergencedeformationmonitoringofshieldtunnelsbasedondistributedopticalfiberstrainsensingtechnique[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2013, 46(9): 104-116.

[10]KishidaK,LiCH.Pulsepre-pump-BOTDAtechnologyfornewgenerationofdistributedstrainmeasuringsystem[C]//ProcStructuralHealthMonitoringandIntelligentInfrastructure, 2006, 471-477.

[11]TANGYongsheng,WUZhishen,YANGCaiqian,etal.Amodel-freedamageidentificationmethodforflexuralstructuresusingdynamicmeasurementsfromdistributedlong-gagemacro-strainsensors[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures, 2014, 25:1614-1630.

* 收稿日期：2016-01-18

基金项目：江苏省交通运输厅科技项目(2014T14)；国家自然科学基金资助项目(51508364)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20150333)；江苏省高校自然科学研究项目(14KJB580009)

通讯作者：唐永圣 (1982- )，男，江苏盐城人，讲师，博士，从事结构健康监测方面的研究工作；E-mail: ystang@suda.edu.cn

中图分类号：U456.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1143-06

Study of shield tunnel convergence deformation motoringusing distributed optical fiber sensing technology

ZONG Dong1, TANG Yongsheng2

(1.NanjingYangtseRiverTunnelCompanyLimited,Nanjing211800,China;2.SchoolofUrbanRailTransportation，SuzhouUniversity,Suzhou215137，China)

Abstract:Convergence deformation is a key indicator which can indicate the health and safety of shield tunnel. However, it is difficult to implement the monitoring especially in large-scale with the traditional methods. In this paper, a new method is proposed based on the distributed optical fiber sensing technology. By considering the features of the sensing technology and shield tunnel, a long-gauge sensor was proposed and verified with some experiments. The results show a good strain sensing performance. Then, the method of assessing convergence deformation from strain measurement is proposed. Lastly, the proposed method is verified with a full size specimen of shield tunnel. Based on the static experiment, the convergence deformation could be evaluated with a good accuracy satisfying the demands of tunnel management. At the same time, the seam change show a large influence on convergence deformation. Therefore, the seam monitoring should be arranged at first in actual project. Considering the additional advantage of the distributed sensing, such as sensing distance, stability and durability, the proposed system has broad application prospects.

Key words:shield tunnel; convergence deformation; distributed optical fiber sensing technology; structural health monitoring