基于光频域反射技术的破碎带盾构隧道管片监测研究

洪成雨，周子平，陈伟斌，*，付艳斌，沈 翔

(1.深圳大学土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，广东 深圳 518060；3.滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060)

0 引言

近年来，盾构法在城市地铁隧道建设中的应用较广泛。盾构掘进过程中会造成土体扰动，由于周围地质条件不同，管片分布在不同地质中，管片注浆效果及浆液注入时期的不同都可能引起管片变形，甚至导致管片的错台、上浮及开裂，影响城市地铁隧道结构的安全[1-2]。因此，准确监测隧道盾构施工过程中的管片变形，是保证盾构施工安全的重要条件[3-4]。

传统隧道的变形监测一般采用全站仪、水准仪、应力计及振弦式传感器等方法，周期性采集布设点的数据，对隧道管片变形进行分析[5-6]。由于传统的监测手段易受周围环境影响，布设点数有限，故只适用于特殊监测点的测量，不能全面反映隧道管片的变形效果，且监测数据容易失真[7]。光纤传感技术是近些年发展的监测技术，由于光纤的体积较小、抗干扰能力强、测量结果较为准确，并且可以实现分布式及长期实时的自动化监测等优点，从而已成为隧道管片变形监测的研究热点[8-11]。何涛等[12]利用光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, FBG)传感技术，对施工中的地铁隧道管片钢筋应力和表面应变进行测量，验证了FBG技术在盾构隧道管片变形监测上的有效性，其精度可以达到±1 με；但是FBG属于准分布式光纤传感技术，适合在关键点布设，不能满足隧道管片整体监测要求。Cheung等[13]将布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR)技术应用于伦敦地铁隧道衬砌监测中，验证了BOTDR技术在隧道管片监测上的应用。梁斯铭等[14]从分布式定点光缆和Z字形布线2个方面阐述了布里渊光频域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)技术在盾构隧道结构变形监测中的应用，验证了BOFDA技术能够准确监测隧道变形位置及相对变形量。BOTDR和BOFDA光纤传感技术都属于全分布式监测，其中，BOFDA技术应变测量精度为±2 με，空间分辨率可达20 cm[15]；BOTDR技术应变测量精度为±30 με，空间分辨率可达50 cm[16]。Christoph等[17]采用光频域反射技术(optical frequency domain reflectometry, OFDR)对隧道衬砌进行分布式监测，并与振弦式传感器测得的数据进行对比，验证了OFDR技术监测盾构衬砌的适用性。

综上，光纤传感技术已广泛应用于隧道管片监测领域，但目前采用OFDR技术对不同地质条件下盾构隧道管片注浆前后进行整体式监测的研究十分有限，且破碎带内外注浆时期的不同对管片变形的影响尚不清晰。本研究依托珠三角某工程，采用OFDR技术对位于破碎带内外的隧道管片应变进行高精度、连续和分布式监测，其应变测量精度可以达到±1 με，空间分辨率能达到1 mm；另外，将注浆后到稳定阶段的管片应变实际数据与拟合值进行对比，对注浆后及破碎带分布对管片变形的影响进行分析，以期为施工期间盾构隧道穿越断层破碎带的监测技术提供借鉴。

1 OFDR技术与传感器结构

1.1 光纤传感技术原理

光纤中的散射主要有3种，包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中，瑞利散射因其入射光和散射光的频率和波长一致又被称为弹性散射。OFDR是基于背向瑞利散射的一种探测技术[18-19]，其工作原理如图1所示。激光器发出的线性扫频光被耦合器分为2束光：一束作为参考光到达反射镜后原路返回到耦合器中；另一束作为待测光进入待测光纤向前传播的过程中，会连续产生背向的瑞利散射信号。该信号光与参考光在耦合器中互相干涉，二者干涉产生的拍频与待测光纤位置成正比，拍频信号再由光电探测器进行光电转换，通过频谱分析仪进行傅里叶转换(fast fourier transform,FFT)，可以获取距离域上光纤背向瑞利散射信号信息[19]。

图1 OFDR技术原理图

当待测光纤受到温度或应变的影响，光纤内部的折射率分布会发生变化，待测光纤会产生瑞利散射频移。OFDR测量原理如图2所示。通过对待测信号(存在扰动)与参考信号(没有扰动)进行相关运算，可以得到瑞利散射频移量，实现对光纤某一位置应变与温度的测量及整根光纤的分布式测量[20-22]。瑞利散射光频移与应变和温度的关系计算式如下[17]：

(a)未发生漂移

(1)

式中：λ为平均光波长；Δλ为光的波长偏移量；v为平均光频率；Δv为光的频率偏移量；Kε为应变灵敏系数；ε为光纤应变；KT为温度灵敏系数；ΔT为温度变化量。

1.2 传感光纤的结构

本次测量采用光纤传感器，传感光纤结构如图3所示。其包括：1)125 μm直径的内部裸光纤，主要用于监测结构的应变信息和传输数据；2)聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)光纤芯线的涂覆层，用于固定和保护内部的裸光纤；3)金属加强件，主要用于增加光纤的韧性，可以承受一定程度的弯折；4)聚乙烯(polyethylene，PE)材料的外包层，主要保护内部传感光纤免受外界环境的影响，保证光纤监测的安全。

图3 光纤结构示意图

2 工程应用

2.1 工程概况与监测点位

本研究以珠三角某工程项目为研究背景，输水隧洞自西向东穿越珠三角经济发达地区，包括5个圆形工作竖井、4个盾构区间。其中，GS04—GS05段及GS07—GS08段为土压盾构区间，GS05—GS06段及GS06—GS07段为泥水盾构区间。盾构隧道穿越狮子洋段(GS06—GS07段)存在较多断层破碎带，选取此段进行监测研究可以较为明显地区分破碎带内外管片的变形情况。狮子洋区间隧道的地质剖面见图4。狮子洋水域宽2 400 m，最大水深27 m，该海底隧洞长2 252 m，隧洞最大埋深接近60 m，输水隧洞下穿狮子洋承受水土压力最大达到0.55 MPa。工程地区主要地层有泥质粉砂岩、石英质砂岩及含砾砂岩，部分岩层抗压强度达到97.2 MPa，且岩层石英质量分数达到50%～70%。下穿狮子洋段隧洞的北西向有断层F113破碎带发育，破碎带为断层泥充填，胶结差，上、下盘岩体破碎，断层与设计线路交角为47°；受破碎带影响，隧道穿越岩体为不均质、上软下硬岩土体，对盾构掘进进度造成一定影响。因此，盾构隧道管片选取位于破碎带内的1 551环及位于破碎带外的1 529环、1 538环进行监测研究。

图4 狮子洋区间隧道的地质剖面

2.2 传感器的布设方案

由于现场条件有限，传感光纤未布设所有管片，只选取部分典型环块进行监测。

2.2.1 传感光纤布设

1 551环管片传感光纤布设的是标准块B1和B2；1 529环管片布设的是标准块B1和连接块L1；1 538环管片布设的是标准块B4和连接块L2。其中，标准块弧长为3.8 m，连接块弧长为3.5 m。传感光纤布设如图5所示，将光纤绑扎于钢筋笼内外侧主筋上，并沿多个纵筋呈网状布设，该布置方式的合理性已被验证[23-24]。由于受到现场环境条件限制，每环管片块光纤布设的长度差异控制在5%内。起始端从钢筋笼a处依次开始布设(图5中钢筋笼上的字母代表传感光纤的布设顺序)。其中，1 529环标准块B1的布设长度为21 m，连接块L1的布设长度为20 m；1 538环标准块B4和连接块L2的布设长度相同，均为20 m；1 551环标准块B1及标准块B2的布设长度为20 m。

(a)1 529环

2.2.2 监测系统的构成

隧道每环管片的宽度为1.5 m，外径为7.4 m，内径为6.6 m，厚度为0.3 m。传感器整体布设位置如图6所示。其监测系统构成主要包含待测管片块、传感光纤及OFDR解调仪。

图6 隧道管片传感器位置

2.2.3 系统测试精度

传感光纤采集仪采用OSI-S高精度分布式光纤传感系统进行数据采集，OFDR解调仪的静态数据采集空间分辨率指标可以达到1 mm，应变测量精度达到±1 με，温度测量精度达到±0.1 ℃。

2.2.4 监测系统现场施工与监测

现场传感光纤的数据采集如图7所示。采集周期为每1～7 d采集1次数据。2021年8月28日1 529环管片完成拼装，当盾构掘进到1 532环管片位置(距离1 529环4.5 m)，开始采集1 529环管片的应变数据，初期每1 d读取1次数据；当盾构掘进到1 595环管片位置时，每3 d采集1次数据；后期盾构掘进到1 624环管片位置时，每7 d采集1次数据；当盾构掘进到1 835环时，停止数据采集。

(a)自动化数据采集仪 (b)实时数据采集

3 监测结果及数据分析

3.1 监测结果

本研究的管片监测周期是从2021年8月28日至11月13日，选取其中较为典型的监测时段，破碎带内外3环管片应变随传感光纤距离的变化曲线如图8所示，且管片应变曲线中不同矩形区域对应图5中不同管片标准块和连接块钢筋笼上传感光纤布设的位置，图8(a)、(b)为1 529环B1标准块和L2连接块应变随传感光纤长度的变化曲线，监测的时间周期为盾构从1 532环到1 835环掘进期间的数据。在长20 m的光纤监测区间内，第1次采集的数据初始应变接近于0 με，管片未发生明显的压缩变形；随着时间的推移，管片受压变形逐步增大，标准块B1最大压应变增大到220 με，连接块L2最大压应变增大到180 με，1 529环管片块平均每d的压缩应变变化量均在40 με以内，压缩应变变化十分有限。1 538环B4标准块和L2连接块在传感光纤监测区间内的应变变化如图8(c)、(d)所示。由于浇筑管片、管片拼装及脱出盾尾等施工因素引起的震动，1 538环连接块L2的15～20 m监测区间内布设于钢筋笼上的传感光纤和纵筋耦合受到影响，导致监测效果不好，监测区间只有16 m。该监测管片应变数据变化规律与1 529环管片应变变化基本一致，受压变形逐步增大，应变波动范围为-220 με～40 με。1 538环B4标准块和L2连接块在10月16日至11月13日监测得到的数据的重合度较高，说明1 538环管片块状态趋于稳定。位于破碎带外区域，管片受压变形基本稳定条件是监测环管片离施工环管片距离达70环以上，混凝土极限抗压应变值为-3 300 με，而所监测破碎带外的1 529环和1 538环趋于稳定时的最大压应变仅为极限压应变的6%～7%，因此，管片变形十分有限。

(a)1 529环B1块应变变化 (b)1 529环L1块应变变化

破碎带内1 551环的B1标准块和B2标准块应变随传感光纤距离的变化曲线如图8(e)、(f)所示，应变波动为-300～50 με，压应变随着时间逐渐增大，稳定时最大压应变为混凝土极限压应变的9%，管片受压变形有限。平均每d压应变变化量相对于破碎带外的1 529环和1 538环管片增加25%；1 551环管片的应变波动较大，这是由于其位于破碎带内，注浆后及盾构掘进过程中都会对其应变产生显著影响，相较于破碎带外管片变形趋于稳定时距施工环多50环。

为深入分析所有管片变形的时效作用，本研究中将不同时间段的应变信息均值进行拟合，对所有的分布式应变信息进行趋势分析。图9(a)显示的是破碎带外1 529环和1 538环的平均应变随监测时间变化曲线及拟合变化曲线。可以看出，采用二次曲线可以较好地拟合应变的变化规律。1 529环和1 538环的平均应变从初始的0 με开始，随时间推移呈现持续下降的趋势，在第65 天1 529环平均应变降至201 με，1 538环平均应变下降至148 με；二次拟合曲线与实际曲线拟合程度较高，应变拟合曲线显示，1 529环平均应变在第55 天趋于稳定，1 538环平均应变则在第45 天达到稳定。稳定阶段1 529环受压变形增大到混凝土极限压应变的5%；相对于1 529环的变形，1 538环的受压变形更加有限，只增大到混凝土极限压应变的4%。破碎带内1 551环的平均应变随监测时间的变化曲线及拟合曲线的变化曲线如图9(b)所示。可以看出，1 551环平均应变整体呈现下降的趋势，相较于破碎带外的1 529环和1 538环，1 551环的平均应变波动较大，稳定性相对较差，在第60 天1 551环平均应变降至210 με；二次拟合曲线与实际曲线拟合程度较低，R2只达到0.67，应变拟合曲线可以看出1 551环平均应变在第55天达到稳定。稳定阶段的受压变形相对于破碎带内的1 529环和1 538环增加23%，因此，破碎带内的管片受压变形更大。

(a)破碎带外管片

3.2 注浆工况对管片变形的影响规律

隧道管片施工的步骤是推进—拼装管片再推进—拼装，循环进行。在盾尾拼装完管片后，再进行下一环的推进。推进过程中，管片会脱出盾尾，与土体接触。由于盾尾外径比管片外径大，管片脱出盾尾时，与土体之间存在一定的间隙，因此，需要浆液填充这部分间隙，避免土体塌陷，造成地面的沉降。盾构推进的同时进行同步注浆，主要起控制地面沉降的作用，避免发生位移。二次注浆是后期发现同步注浆效果不理想时再进行的浆液补注。

为探究不同时期注浆后管片变形的影响规律，在长20 m的光纤监测区间内选取4个应变均匀的中段点，取平均数，分析注浆后管片应变随着时间的变化规律。图10示出了1 529环、1 538环和1 551环不同块管片注浆后随监测时间变化曲线。位于破碎带外的1 529环和1 538环管片块在注浆后应变整体为下降趋势。同步注浆后，管片不断受压变形，由于处于良好的土层地质中，浆液不会向土层内扩散，且浆液还未初凝时对管片存在一定的浮力，压应变在32～47 με波动；二次注浆后，由于注浆后放热，压应变在小范围内减小，浆液初凝后压应变开始不断增大，增大到150～190 με后趋于稳定。位于破碎带内的1 551环管片，注浆后管片压应变变化规律与破碎带外的管片前期差距明显，这是由于土层地质条件不好，同步注浆后，浆液会向破碎带中的土层扩散，导致注浆效果不佳，且注浆量也相较于破碎带外的1 529环和1 538环多6%，压应变急剧增大到110～120 με；二次注浆后，管片压应变随时间的推移逐渐增大，稳定时达到150～210 με。稳定阶段各环管片块压应变相差在50 με以内。3环管片压缩变形在不同阶段的注浆后差距明显，同步注浆后的管片变形相对于二次注浆增加203%，即同步注浆后对管片变形的影响更为显著。

图10 管片注浆应变变化曲线

3.3 破碎带内外管片变形差异性分析

为研究破碎带内外对管片变形的影响，将管片块监测时段分为同步注浆、二次注浆及稳定阶段3个时间段进行变形对比分析。图11示出了同步注浆及二次注浆3 d后不同管片块的应变柱状图。其中，同步注浆中1 538环和1 551环的注浆量相差在1%以内，同步注浆后破碎带外1 538环不同块的压应变增加30～50 με，位于破碎带内的1 551环管片压应变相对于破碎带外的1 538环管片的压应变增加217%；二次注浆中1 529环和1 551环注浆量相差在5%以内，二次注浆后破碎带外的1 529环不同块的压应变增加20 με左右，位于破碎带内的1 551环管片压应变相对于破碎带外的1 538环管片的压应变增加97%。可以看出，破碎带内管片块变形是破碎带外管片块变形的2.6倍，表明注浆后管片压应变因为位于破碎带中有明显增大的趋势。

管片块

管片拼装后60 d压缩变形逐步增大直至稳定，3环管片变形趋势一致，稳定阶段的管片块应变柱状图如图12所示，变形有限且趋于稳定。现场研究发现，管片注浆后出现冒浆现象。由于注浆后会使得土体产生超孔隙水压力，根据太沙基一维固结理论，超孔隙水压力与时间成反比，在超孔隙水压力消散的同时会引起土体有效应力增加，土体体积会发生变化，产生固结压缩，最终作用在管片上，引起管片压力增大，即最终稳定时3环管片压应变相差在22%以内。

图12 施工后管片应变变化

4 结论与讨论

本研究以实际工程为背景，利用OFDR分布式光纤传感技术对盾构隧道管片在不同工况与不同地质条件下的变形特征进行监测研究，主要结论如下：

1)采用OFDR光纤传感技术可全分布式监测施工中盾构隧道管片高空间分辨率、高精度的应变特征变化。

2)OFDR应变特征反映了注浆对隧道管片的加固作用，注浆后管片压应变会逐渐增大，同步注浆的注浆量是二次注浆量的5倍左右，而同步注浆下的管片变形约为二次注浆下管片变形的3倍，即同步注浆相较于二次注浆对管片的变形影响更为显著。

3)OFDR应变特征反映了破碎带空间位置对隧道管片变形特征的影响。位于破碎带内的监测环与施工环的距离相对于破碎带外的距离要多50环以上，管片变形才会趋于稳定，且管片位于破碎带内的变形为破碎带外变形的2.6倍左右。

OFDR技术对于隧道管片的监测只能反映内部的应变场，还需要结合其他的收敛计、沉降计等综合评判隧道管片的结构安全。此外，本研究采用光纤传感器铠装光纤沿着钢筋笼纵筋回路布设，在管片混凝土浇筑、管片拼装及管片脱出盾尾等施工过程中会引起震动，传感光纤发生曲折会导致部分监测数据不理想。因此，进行管片混凝土浇筑时，为避免传感光纤接头受到浆液的影响，可用发泡胶将其封装于方盒中，起到防护作用。监测过程中发现隧道管片钢筋笼中布设的传感光纤成活率为78%，传感光纤布设于钢筋笼的方法及防护方式仍需要改进和优化，后续将进一步研究如何提高传感光纤与被测结构(盾构隧道管片)的耦合。