紧邻基坑的地铁隧道监测技术方案研究*

2021-05-12周钊陶津韩天然高永赵学亮

特种结构 2021年2期

周钊陶津韩天然高永赵学亮

1.东南大学土木工程学院南京210000

2.南京地铁运营有限责任公司 210000

引言

近年来城市化进程加快，城市基坑工程向着更深、更大、更密集、环境条件更复杂化发展。周边环境对基坑开挖比较敏感，基坑工程施工过程中会导致周边建（构）筑物发生位移、沉降或倾斜，甚至会影响周边建（构）筑物正常使用［1］。因此，紧邻地铁隧道的基坑工程，施工过程中要对紧邻隧道进行实时监测，并预测该基坑工程施工是否会造成紧邻隧道的破坏，判断对隧道的影响程度，从而可以采取有效的措施，以便最大程度降低基坑开挖对紧邻隧道带来的影响。

光纤传感技术可获得分布式数据集。由于其具有分布式、耐久性好、良好的数据收集功能等优势，该技术较适合隧道结构监测，主要适用于隧道纵向变形［2，3］及横截面变形［4］监测。近年来，研究结果表明，盾构隧道的纵向运动可分解为两种不同的变形模式，即剪切模式和弯曲模式［2，3］。不同的变形模式会在管片中产生不同的应力状态和不同的结构损伤状态，导致隧道结构运营性能的退化。因此，制定合理的监测方案，分析管片的应力和变形，研究不同的变形模式，对隧道的正常运营及健康状态评估具有非常重要的意义。

Shen等提出了一种基于改进共轭光束法的隧道纵向变形监测方案，仅考虑了弯曲模式，并通过模型实验验证了监测精度［2］。伦敦交叉铁路项目中分布式光纤传感器和无线传感器网络的现场试验对紧邻新隧道施工引起的既有旧隧道的变形进行了分析［3］。然而，由于所用传感器的性质不同，隧道的变形行为和模式缺乏深入的监测研究。为了更好地保护既有隧道结构，需要深层次地了解敏感段盾构隧道具体的变形状态，并对采集的数据提出更加精细化的要求。如何得到有效的隧道结构的变形性能，仍需要对精细监测技术方案进行研究。

本文提出了一种新的纵向及横向光纤传感网络监测方案，对紧邻基坑开挖时，既有盾构隧道的受力状态进行了监测。该方案的基础是测量隧道的纵向应变分布，所提出的光纤传感器网络能够将隧道纵向运动分解为剪切和弯曲分量，可以较好地分析隧道的变形性能。

1 工程概况

所监测隧道紧邻某基坑工程，基坑围护结构外边线距地铁车站最近距离为17.1m，距区间隧道最近距离为18.9m，开挖基坑区段对应的隧道长度约210m，具体平面位置关系如图1 所示，竖向位置关系如图2 所示。

图1 基坑与地铁隧道平面位置示意Fig.1 Schematic diagram of plane position of foundation pit and subway structure

图2 基坑与区间隧道竖向位置示意（单位： mm）Fig.2 Schematic diagram of vertical position of foundation pit and section tunnel（unit：mm）

2 既有地铁结构变形

外部基坑施工前，对既有隧道的垂直位移进行了普查。垂直位移数据采用该段隧道永久结构沉降监测成果，结果显示监测区段道床结构的相对轨后垂直位移量在-59.8mm ～-9.0mm之间，上、下行线最大垂直位移量分别为-59.8mm、-43.6mm，平均垂直位移量分别为-27.4mm、-34.1mm。近3 个月上下行线平均沉降速率分别为-0.004mm／d、0.008mm／d，沉降趋势趋于稳定，沉降变化趋势如图3 所示。

图3 监测区间段沉降数据Fig.3 Settlement data of monitoring section

对区间隧道476 环管片（下行831 环～1066环、上行837 环～1076 环）进行了逐环收敛数据观测，并与标准隧道（内径5.5m）进行对比，发现本区段的收敛值与设计值的差值在2.5mm ～67.7mm之间，盾构管片均为水平直径外扩。隧道上下行线收敛最大值分别为65.0mm、67.7mm，其中大部分收敛在2cm ～6cm，分布相对集中。左右线隧道具体收敛变形如图4 所示。

图4 隧道收敛变形Fig.4 Convergence deformation of tunnel

3 监测方法

3.1 横断面变形监测

选取基坑开挖影响区段的盾构隧道进行横断面监测，选择6 个重点断面分别布设2mm 和0.9mm光纤传感器，同时从中选择3 个典型重点断面，其中两个典型重点断面加布光栅传感器，另外一个典型重点断面加布全分布光纤光栅串传感器，全方面监测隧道横断面的安全状态。

对隧道横断面的监测，着重探讨隧道结构在既有损伤情况下和外部深基坑施工扰动条件下的力学行为。根据工程具体情况，监测区段内很多衬砌环的横向收敛较大，且很多衬砌环顶部已出现多条贯通裂缝，表明隧道结构已产生了一定程度的损伤。考虑到隧道的地质环境较为软弱，随紧邻基坑开挖隧道结构可能会产生相当程度的继发变形，进一步加剧既有隧道结构的损伤状况［1］。

监测方法方面，重点采用光纤传感器和光纤光栅传感器（包括光纤光栅串传感器）进行隧道横断面监测。光纤光栅串传感器相较于传统的单点光纤光栅传感器，布设施工相对简单，操作难度低，施工速度快，适用于运营地铁隧道施工工期很短的情况。采用光纤光栅串结合全分布式的光纤传感器监测方案可方便获取隧道断面全分布应变，更加适合于地下结构的监测［5］。方案中布设的分布式光纤传感器，结合全面粘贴布设和创新的柔性定点光纤传感器布设方案，实现对结构分布式应变、结构裂缝宽度等的测量，也可与光纤光栅串测量结果形成对比，对测试手段的有效性进行评价。

3.2 纵断面变形监测

对于基坑开挖影响区段的盾构隧道结构进行纵断面监测，采用全分布式光纤传感监测方案，感知隧道结构的纵向不均匀沉降、水平位移及变形模式组成等性能。

沿隧道纵断面布置分布式定点光纤传感器，监测结构纵向的分布式应变并反演隧道纵断面变形。这种方法优点有：①自动化远程监测，适用于隧道运营期监测，可实现长期监测的需求；②分布式测量保证了对隧道关键区域的全面覆盖，可获取关键区域内任意截面的变形，实现对结构损伤的精确定位，避免了传统点式测量方案对隧道结构局部损伤不敏感的缺陷。

纵向分布式光纤传感布设采用“Z”字形布设与直线型布设相结合的总体布设方案。在得到隧道纵向总体分布式变形的同时，还能将隧道的纵向变形模式进行解耦，得到纵向变形中剪切变形模式与弯曲变形模式相应的贡献比率，从而加深对于隧道变形和病害发展规律的认识，同时为隧道纵向力学模型的参数标定提供有效的数据支撑。

4 监测方案

4.1 传感器安装

1.横断面变形监测

本工程中，隧道结构横断面的全分布式光纤传感器布设方案见图5。采用全面粘贴的安装方式，将直径2mm与直径0.9mm 的光纤传感器分别用环氧树脂结构胶全面粘贴在隧道管片内壁上，其中，0.9mm的光纤传感器在易开裂的管片拱顶区域全面粘贴，并进行短标距定点布设，如图5 中的蓝色线所示。此外，为了监测接头的变形情况，在隧道壁角落将2mm 光纤传感器向回拉接，如图5 中的红色线所示，在接头两边安装轮锚。在轮锚间的接头段，将光纤传感器施加预拉力拉紧，在其他段，将光纤传感器松弛的定点粘贴在隧道管片壁上。

图5 横断面传感器布设示意Fig.5 Layout of cross section sensor

光纤光栅串传感器的布设方案，安装与全分布式光纤传感器类似，由于光纤光栅串本身就具有护套，故采用全面粘贴的方式安装，一个监测断面上布设3 个光纤光栅串传感器，中间用冗余光纤连接。

监测断面方面，选取6 个断面进行分布式光纤监测，6 个断面的环号分别为1000、1003、1004、1009、1025、1067，在其中选取2 +1 个重点断面，2 个重点断面在管片接缝处布设单个光栅，分别需要7 ～8 个光栅，其他位置用光纤传感器监测。另一个重点断面布设光栅串传感器，每个断面布设3 根光纤光栅串传感器、温度补偿传感器及分布式光纤传感器。

如图5 所示，将布设在管片表面的传感器与温度补偿传感器的引出端埋入接线盒中，将二者在接线盒内串联。端头被保护在线盒中，再将线盒中的线连入总线，传输到监测仪器。目的是当其中任何一个传感器出现损坏时，可以重新串联，不影响其他区间的正常数据采集。

2.纵断面变形监测

纵断面部分，传感器沿纵向安装在所需监测的地铁区间隧道管片内，全长大约100m，在隧道管片结构的左右侧布置。传感器选用全分布式光纤传感器，“Z”字形与直线型布设相结合，如图6 所示，使用轮锚将全分布式光纤固定在隧道管片内侧，光纤在拐点处利用轮锚实现转向及与结构固接。

在布线的起始环位置，左右环分别设线盒用以保护传感器的端头，平时端头被保护在线盒中，需要采集数据时，将端头从线盒中取出，用仪器进行数据采集。

图6 纵向监测布置Fig.6 Layout of longitudinal monitoring cross section

3.接缝宽度监测

隧道管片受载变化会引起管片环内接缝和环间接缝宽度的变化，同时接缝宽度变化与渗漏水有密切关系，接缝宽度的变化与隧道结构的受力及变形等状态都有密切的关系。因此，监测方案中也需要重点关注隧道管片环向接缝及纵向环间接缝宽度的变化。

对于混凝土结构裂缝宽度监测，常规方法一般是通过人工观测发现接缝宽度较大时，通过裂缝计进行测量。在盾构隧道的接缝测量中，这种方法受到很大限制，主要是由于盾构隧道管片接缝数量很多，无法一一观测，以及无法直接观测到隧道接缝宽度的变化情况。实际上与接缝内侧宽度变化相比，接缝外侧宽度的变化对于判断渗漏水等具有更为重要的作用。分布式光纤传感器可以监测布设范围内所有接缝的内侧宽度变化。同时通过适当的布设，可以通过某一截面的内侧宽度变化反推接缝外侧宽度变化。

隧道管片的环向接缝及环间接缝宽度的变化可分别通过横断面和纵断面布设的传感器监测数据计算得出，故不需重复布设。

4.温度补偿传感器布设

布设一条光纤传感器兼作横向和纵向的温度补偿传感器，采用定点粘贴的方式，用环氧树脂胶粘贴在隧道管片内壁上，具体布设方式如图7所示。布设至需监测的横断面处时，将纵向温度传感光纤沿所要监测的断面定点粘贴于隧道壁上，绕至隧道另一侧继续向前布设，以此类推，完成隧道纵向和横向监测断面的温度补偿传感器布设。

图7 温度补偿传感器布设Fig.7 Layout of temperature compensation sensor

4.2 信号处理

采用非接触间接式测量方法，即沿管片结构环向安装分布式应变传感器，通过监测管片结构应变分布数据反演管片收敛变形演化。这种方法优点如下：①不需要安装专门的观测仪器，只需要在隧道运营期仅需要对传感器进行适当保护和人工数据采集；②理论上可对管片环上任意角度的收敛变形进行监测。

监测信号通过线路传输到地铁站，在地铁站内进行数据的采集和处理，光纤光栅传感器得到的数据通过相应解调器进行采集处理，实现监测数据实时传输；光纤部分使用BOTDR设备进行采集。

4.3 监测频率

完成安装后即可开始监测，光纤光栅传感器可实现数据实时传输，全分布光纤传感器根据基坑工程进度采集数据，关键时期提高监测频率［6］。传感器布置如图8 所示。

5 监测结果分析

基于上述光纤传感网络布设方案，在基坑开挖期间进行了监测和数据采集工作，得到温度补偿后，左直线传感器的累积分布应变值数据如图9 所示。从原始分布应变可以看出，施加在装置上的预张力在1200με 到近7000με 之间，而4次测量期间的应变变化与施加的初始应变相比非常小。直线传感器的每个应变剖面的总体趋势大致相似。直线传感器显示出更一致的轮廓形状，在不同时间采集的应变在形状上是相似的。与本次监测得到的“Z”字形传感器相比，左直线传感器的波动更大。

图8 隧道内布设的“Z”字形和直线形传感器Fig.8 Zigzag and linear sensors in tunnels

将隧道管片的应变经过自行编制的算法转换求解，求得隧道管片弯曲变形和剪切变形量，并分别将弯曲变形和剪切变形分解为水平弯曲变形和竖向弯曲变形，以及水平剪切位移和竖向剪切位移，分别如图10 和图11 所示。可以看出，1023 环至1047 环竖向和水平向剪切位移和弯曲变形明显，是整个监测段隧道管环变形较大的部分，在后期巡检及养护中需要予以重点关注。