基于光纤传感的公路隧道下穿河流段安全监测技术研究

杨勇

(太原西北二环高速公路发展有限公司 山西太原 030045)

1 工程概况

山西某高速公路隧道为分离式双向四车道隧道，全长3 105 m，属特长隧道。该隧道下穿河流段位于山间沟谷冲洪积区，地形呈东高西低，隧道洞顶与河床底部最小距离仅20 m，其穿越河流受影响的隧道段长度达850 m。该隧道地层岩性主要为第四系全新统洪冲积（Q4pal）松散堆积物，上部为粘土层，下部为含泥卵石混合土，呈典型的二元结构。上层粘土层呈浅黄色，稍湿，液限低，具有中等压缩性，含有少量植物根系及砾石，厚度为1.5～5.0 m；下层含泥卵石混合土呈浅棕色，呈饱和状，稍密，卵石为强风化砂岩，强度较低，手搓即碎裂，呈圆状-次圆状，厚度为5.0～29.5 m。由于该隧道下穿河流段地层强度较低，含水量较大，在施工扰动下产生了多次突泥、涌水、初支结构大变形、塌方等不良地质灾害，并伴随发生多次隧道地表塌陷，对隧道施工安全造成极大的威胁，其现场情况如图1、图2所示。

图1 隧道突泥涌水情况

图2 隧道掌子面塌方情况

鉴于此，为确保隧道施工及运营安全，准确掌握下穿河流隧道段结构健康状况，避免因地质灾害而产生的不良影响，该项目采用新型光纤传感技术对隧道下穿河流段进行大范围、全方位的监测，以实现对隧道结构的自动、实时、长期的健康监测。

2 监测内容

根据隧道下穿河流段监测目的及现场实际情况，确定该项目的具体监测内容及技术路线。首先，以该隧道下穿河流的中心位置为中点，前后50 m范围内确定为重度影响区，采用密集分布式定点应变感测光缆对该隧道段所有的接缝多维变形进行监测，实现对隧道结构变形缝的纵向开合变形、两侧边墙位置竖向差异变形、顶板位置水平差异变形的全面监测；其次，针对该隧道施工期出现突泥涌水的不良地质段、工法转换过渡段等部位选取10个典型断面，采用光纤光栅表面应变计进行结构应变监测。通过上述两方面的监测，可实现对该隧道下穿河流段进行全方位的结构健康监测，为其安全运营提供技术支撑。

3 监测实施方案

3.1 隧道接缝多维变形监测

隧道结构接缝处的变形主要表现为纵向开合变形、两腰位置竖向差异变形、顶板位置水平差异变形等表现形式[1-2]。沿隧道环向定间距布设传感光缆，在隧道边墙部位布设横向传感光缆，同时为提高隧道接缝变形监测精度，在拱脚部位布设一条温度补偿光纤，整体设计如图3所示。

图3 隧道接缝多维变形监测示意图

该项目采用1.5 m定点密集分布式应变感测光缆，该光缆采用独特内定点设计实现空间非连续非均匀应变分段测量，配合密集分布式光纤感测技术（DDS）使用，具有良好的机械性能和抗拉压性能，施工便捷，可抵御各种恶劣工况[3]，其现场安装情况如图4所示。

图4 定点光缆现场安装图

3.2 隧道结构应变监测

针对该隧道施工期出现突泥涌水的不良地质段、工法转换过渡段等部位选取典型断面，采用光纤光栅表面应变计进行结构应变监测，在每个监测断面的左右拱肩、左右拱腰和拱顶各布设1支表面应变计，布设位置如图5所示。该传感器的量程为-1 500～+1 000 με，分辨率为0.1%F.S.，尺寸为φ13×126 mm。在现场实施过程中，首先选取相应的夹具，用膨胀螺丝将夹具底座固定在隧道混凝土结构上；然后将光纤光栅应变计放入夹具底座，利用水平尺确定位置，以保证应变计与夹具呈垂直状态，再将夹具上部进行固定安装；最后将应变计接入光纤光栅解调仪进行调试，检测应变计在自由状态下及均匀受力状态下的波长信号，确保波长变化量小于200 pm方可认定为安装成功[4]。其现场安装情况如图6所示。

图5 表面应变计安装位置示意图

图6 表面应变计现场安装图

3.3 监测频率

根据《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660-2020）中关于隧道监测频次的要求，并结合该项目监测工作的实际情况，其具体监测频率如表1 所示。由于该项目所有数据可以实现实时、自动采集，遇汛期、雨季及有异常情况发生时可随时根据需要提高监测频率[5-6]。

表1 隧道下穿河流段监测频率

4 监测结果分析

在上述传感器布设完成后，该项目采用光纤调制解调仪按照既定监测频率对其进行长期监测。对于分布式光纤，该项目采用国产AV6419 型光纤调制解调仪，其频率范围为10.5～11.5 GHz，脉宽为10 ns，平均采样间隔为0.05 m，空间分辨率为1 m；对于光纤光栅传感器，该项目采用FBG-A03 型便携式光纤光栅解调仪，其波长范围为0～40 nm，解调速率为1 Hz，动态范围为45 dB。利用上述监测系统，对重度影响区内的隧道接缝多维变形及典型断面变形情况的监测结果见图7、图8。

图8 隧道结构变形监测曲线图

从图7 中可以看出，该隧道段结构接缝的绝大部分变形监测值分布在350～550 με 之间，经换算后，其裂缝宽度为0.075～0.15 mm，结合《混凝土结构设计规范》可初步判断该段隧道结构接缝小于其规定的限值0.20 mm，基本处于稳定安全状态。但在距离光纤起点75 m处，其对应的监测应变值出现突变点，即图中的红色部分，该应变值达到1 300～1 500 με之间，经换算后其裂缝宽度达到0.32～0.38 mm；结合该处监测值的综合分析，发现该处应变值在8 个月内由1 300 με 增加至1 500 με，其增幅达到17%，可见该处隧道结构接缝处于快速发展阶段，需采用相应工程措施进行处治加固。

图7 隧道接缝多维变形曲线图

从图8 曲线图可以看出，该典型隧道断面的结构变形值均小于6 mm，其测点1、2、3 分别在监测20 d、52 d时产生突变，尤其是测点1在20 d时由1.38 mm增至3.14 mm，其增幅达到127%。结合现场实际情况，经综合分析后，该处监测值剧增的主要原因在于隧道地表发生强降雨，隧道下穿的河流水量剧增，导致地表水下渗增多，进而引起隧道拱部及边墙部位结构变形值增大。结合隧道结构整体变形情况可知，隧道下部（测点4、5）的变形值增幅较缓，且各测点结构变形值最终基本处于稳定状态。但结构整体变形分布不均衡，易引起局部应力集中，因此在隧道运营过程中应注意地表防水，避免地表水大量下渗引起隧道变形加剧。

5 结语

针对公路隧道下穿河流段施工过程中产生突泥、涌水、结构开裂、塌方等一系列不良地质灾害的复杂工况，采用分布式光纤及光纤光栅传感技术对隧道接缝多维变形、差异沉降、结构局部应变进行全面监测，并结合现场实际情况确定其监测频率，实现了隧道下穿河流段结构健康状态的高精度、大范围、全方位地进行监测，为隧道施工及运营提供准确的监测数据，确保施工及运营安全，促进隧道建设及养护技术朝信息化、智能化发展。