基于BOTDR的土质隧道深部围岩变形监测技术

尹 龙，王晓琳

(1．中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009；2. 洛阳理工学院，河南 洛阳 471000)

基于BOTDR的土质隧道深部围岩变形监测技术

尹 龙1，王晓琳2

(1．中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009；2. 洛阳理工学院，河南 洛阳 471000)

为了解决土质隧道深部围岩变形实时连续监测的难题，在分布式光纤监测技术的基础上，采用模型设计、试验与应用工艺验证的方法，研究开发了一种用于测试土质隧道深部围岩变形的实时监测方法，得出了监测力学模型与监测方程，提出了传感器的制作、布设与安装方法以及系统集成与实时监测的工艺技术。对研究成果进行了工程实地应用验证，并取得了初步的应用效果。

BOTDR；隧道深部围岩变形；实时监测；传感器

0 引言

当前，我国正处于大规模建设时期，在交通、水利等各个领域正在进行大量隧道工程。在隧道施工和使用过程中，围岩的应变会发生变化，而保证围岩稳定是一个极其重要的任务。本文介绍新建京石客专6线隧道的1项科研成果。开发的分布式光纤监测技术，对土质隧道施工中隧道围岩深部土体的径向监测有重要意义。

目前，隧道围岩径向监测多采用机械点式测量设备(如多点位移计)。这类监测技术为点式测量技术，测点不连续，自动化程度低，监测效率不高，难以满足高风险区段隧道自动、实时监测的设计要求。

从20世纪90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。FBG光纤传感器等一系列传感器已先后应用于桥梁的安全检测中，并取得了一系列成果[1-3]。但是，这些光纤传感都为点式，存在测点不连续等弊端。BOTDR光纤应变监测技术，是近些年开始研发、成熟的监测技术。该监测技术特别适合于对大型基础设施工程进行远程分布式应变监测和监控。日本等国已将该技术应用于桩基、水利等工程的应变监测中，并已证明了其有效性和优越性[4-5]。BOTDR光纤应变监测技术引入我国后，在边坡监测、抗滑桩监测等方面被广泛应用[6-9]，但是，其在地下工程领域的应用较少。王菀等[10]利用分布式光纤监测技术，设计了管式传感器，并应用于土体的超前监测。

本文采用一种基于分布式光纤传感原理的方法，对传感方程、传感器制作与埋设工艺及量测数据分析软件开发等进行系统研究，实现了对土质隧道深部土体径向应变的实时、连续监测。在本文所采用的BOTDR分布式光纤监测技术中，光纤既作为传输介质，又作为传感元器件，实现了空间上的连续监测，更能真实地反映土体各点的变形。

1 技术方案

本研发的目标是开发一种探知隧道围岩应变信息的分布式实时监测技术。该监测技术需同时满足测点连续、全过程实时监测的要求。要将这一监测技术应用于隧道深部围岩变形监测，需解决以下3个关键问题，即传感器的设计和制作、监测方程的建立和传感器的地层植入技术。

隧道围岩径向应变分布式监测技术的特征是所述径向监测孔穿越围岩松动影响圈，孔底达到围岩稳定区域，以孔底作为基点，对上述应变分布进行一次积分运算，得到围岩径向变形的分布。因此，沿隧道开挖面周边径向钻孔，监测孔长度可选取围岩松动圈计算值或经验值的1.5倍以上，使监测孔穿越围岩松动圈的底部到达围岩稳定区域。将传感光纤光缆布设于钻孔中，通过向孔内注入与地层弹性模量相近的材料，实现传感光缆与地层的耦合,使光纤和底层协调变形。由于应变测量中需对温度引起的应变进行修正，所以设计采用2种不同特性的光纤，分别作为应变测量光纤和温度测量光纤。应变传感光缆通过弹簧秤施加定量预拉力，以保持光纤与地层土体平顺接触。温度补偿光纤传感器则不施加预拉力。

1.1 传感器的设计与制作

应变传感器采用GFRP加强型紧套单模光纤，温度补偿光纤传感器为铠装松套单模光纤。将光纤附着于特制的支撑杆上，组成传感器件，如图1所示。传感系统由光纤传感器支撑杆件、注浆管、排气管、孔口固定系统等组成。

图1 传感器示意图

支撑杆件采用高强度不锈钢管，每节杆件长1 m，杆件之间用外接头相连，以适应不同长度的监测孔；杆件端点留有圆弧凹槽，以固定光纤传感器；排气管采用PVC管材，每节长2～3 m，用PVC管接头相连。套筒直径略大于监测孔径，尾部留有圆形裙边，裙边上留有螺栓固定孔，如图2所示；盖板中心位置固定支撑杆件，并在盖板中间区域开设光纤传感器引出孔2个、注浆孔1个、注浆排气管出口1个，如图3所示。

图2 孔口固定系统套筒示意图

图3 固定支撑系统的盖板示意图

1.2 监测方程的建立

当隧道围岩应变发生变化时，植入围岩体内的分布式光纤传感器随岩体同步发生变形而产生拉压。通过测量布里渊背向散射光的频移量，并根据频移量与应变和温度之间的线性关系，可以得到光纤传感器所在位置围岩的应变分布和温度分布，通过运算，得到围岩在隧道径向上的变形/位移。

通过光时域反射技术可以对光纤上的事件点进行精确地空间定位。频移量与应变、温度之间的线性关系为

VB(ε,T)=VB(0)+∂VB(ε)/∂ε·ε+∂VB(T)/∂T·T。

(1)

式中：VB(ε,T)为应变和温度作用下的布里渊背向散射光频移量；VB(0)为初始频移；∂VB(ε)/∂ε和∂VB(T)/∂T分别为布里渊频移-应变系数和布里渊频移-温度系数；ε，T分别为作用在光纤传感器上的应变、温度。

温度补偿光纤的频移与温度关系为

VB(0,T)=VB(0)+∂VB(T)/∂T·T。

(2)

温度补偿采用参考光纤法。该方法是解决基于布里渊散射的分布式光纤传感器交叉敏感问题最常用的一种方法，具有简单、可靠的优点，在实际工程监测中应用较多。方法如下：通过在测量光纤旁边平行布置参考光纤，使参考光纤处于不受应变的自由松弛状态，只对温度的变化敏感，作为温度传感光纤；测量光纤则采用全面粘贴或定点粘贴的方法安装在待测结构上，使其对温度和应变都敏感。这样，通过测量参考光纤，获得待测物理场的温度信息，然后采用公式(1)从测量光纤的测量信息中扣除温度信息，获得待测物理场的应变信息，如式(3)所示

(3)

式中：∂VB(ε)/∂ε为布里渊频移-应变系数，对于ANDO的AQ8603系统，应变系数为493 MHz/%；VB(ε，T)为应变传感光缆测量的布里渊频移；VB(0，T)为温度传感光缆测量的布里渊频移。

径向位移计算积分式为

(4)

式中：S(0)为测孔孔底处围岩径向位移值，一般孔底远离围岩松动圈，其位移为0，即S(0)=0；S(h)为距孔底h处的径向位移值；ε(z)为应变分布。

1.3 传感器植入技术

传感器植入岩层示意见图4。

将传感系统植入岩层的操作步骤如下：

1)在围岩上钻取监测孔，孔径为70～90 mm，测孔穿越围岩松动圈底部到达围岩稳定区域，监测孔长度可选取围岩松动圈计算值或经验值的1.5倍。

2)打入套筒，套筒直径略大于测孔，套筒长度一般取50 cm。

3)光纤长度，截取分布式光纤应变传感器，长度一般以2L+5 m确定，其中L为测孔长度；温度补偿传感器为铠装松套单模光纤传感器，长度为L+5 m，与分布式光纤应变传感器并排布设。

4)分布式光纤应变传感器的中点和温度补偿传感器的末端(与测孔底部相对应)固定在支撑杆件顶端的圆弧凹槽中，通过支撑杆件将光纤传感器送入监测孔内，支撑杆件顶端应达到测孔底部。

5)支撑杆件固定在孔口固定系统的盖板上，盖板与套筒的裙边通过螺栓固定，盖板与套筒裙边间放置橡胶垫圈，以防止注浆时发生漏浆，光纤传感器两端分别从光纤传感器引出孔引进、引出，注浆排气管一端连接盖板上注浆排气管出口，一端伸入测孔底部。

6)在光纤传感器引出处，使用弹簧秤对应变光纤传感器施加定量预拉力；在保持预拉力前提下，通过注浆孔注入填充浆液；待浆液凝固后，撤除预拉力。

图4 传感器植入土体示意图

1.4 监测与计算

本项目测量仪器采用AQ8603解调仪和自行研制的DPST分析软件运算，得出分布式光纤的计算结果。

当隧道开挖引起围岩变形并带动传感器一起发生变形时，布里渊将直接采集到传感器光纤应变分布信息。数据的采集过程由计算机控制模块实现，采集到的数据由计算机控制模块导入到数据处理模块，再将从数据处理模块中导出的数据导入到按照一定算法写成的DPST数据分析软件中，由其自动计算出变形量，从而得到围岩的变形或位移量值。

布里渊采集一次数据的时间约为5～10 min，数据分析采用专门为本项目开发的软件系统，从数据采集分析至得出成果所需时间不大于20 min。在地下工程领域中，此监测频率可以认为是实时监测。

2 现场应用

2.1 现场布设

为对京石客专六线隧道暗挖段中洞开挖过程中的洞室周围土体的径向变形进行监测，在开挖步序2区和4区的上部和中部分别设置了一个直埋监测孔，孔深均为8 m，埋入长度为8 m的光纤传感器，孔位如图5所示。2区上直埋测孔到洞门的距离为19 m，2区下直埋测孔到洞门的距离为23 m，4区上直埋测孔到洞门的距离为24 m，4区下直埋测孔到洞门的距离为30 m。

图5 径向直埋监测孔孔位图

采用布里渊对2区直埋孔传感光纤的应变分布进行监测，将测孔孔底作为基准点，通过计算可以得到2个监测孔相对于基准点的位移曲线，如图6和图7所示。同时，选取位移变化典型点，绘制该点位移的时程曲线，如图8和图9所示。图中相对位移正值表示土体受到拉伸，即测点相对于基准点向洞内位移；负值表示土体受到压缩，即深部土体沿隧道径向朝洞内的位移量大于测点的位移量。

图6 2区上部直埋测孔位移分布曲线Fig. 6 Displacement measured at monitoring points in the upper part of Zone 2

图7 2区下部直埋测孔位移分布曲线Fig. 7 Displacement measured at monitoring points in the lower part of Zone 2

图8 2区上直埋测孔位移时程曲线(2010)Fig. 8 Displacement measured at monitoring points in the upper part of Zone 2 Vs time in 2010

图9 2区下直埋测孔位移时程曲线(2010)Fig. 9 Displacement measured at monitoring points in the lower part of Zone 2 Vs time in 2010

2.2 测试结果分析

2.2.1 隧道径向土体变形分析

随着隧道工作面的推进，2区上直埋测孔土体的位移由孔底向孔口逐渐增大，位移值于2010年6月6日开始在保持原有变化规律的基础上趋于稳定。从时程曲线可以看出，在距离测孔孔底6 m处，土体位移随时间变化较小；在距测孔孔底4 m处，土体位移逐渐增大至1.9 mm，然后趋于稳定。

2区下直埋测孔的相对位移与2部上直埋测孔的变化规律相似，但各点位移的变化比2部上直埋测管的位移变化小。

4区上、下直埋传感器测试结果与2区相似。

2.2.2 与常规监测方法的对比

在埋设光纤测孔的2区下部和4区下部区域内，选择了一个与光纤传感器位置相接近的土体布设多点位移计，测试位移量的同时对监测数据进行比较。光纤传感器与多点位移计监测点的布置见图5，2种方法获得的监测数据实测值见表1。从表1中可以看出，这2种方法具有较好的符合性。

表1光纤监测数据与多点位移计数据对比表
Table 1 Comparison and contrast between values measured by distributed optical fiber monitoring technology and those measured by multi-point displacement meters

位置测试方法测试结果/mm2010-05-262010-05-272010-06-5距孔口4m光纤传感器030045069多点位移计034047066距孔口2m光纤传感器075086151多点位移计071080144

3 结论与建议

本课题将分布式光纤监测技术应用于隧道施工监测中。通过与传统监测方式所得数据进行比较，发现二者具有较好的符合性。这样，实现了土质隧道深部土体径向应变的分布式实时监测。但是，该技术仍存在以下问题：

1)传感器测量的位移实际上为基于应变测量结果的计算分析值，该技术尚不能进行位移的直接测量。

2)传感器与土体之间的锚固是通过传感器与土体之间的摩擦实现的。但是，采用这种方法，传感器与土体极易脱开。在今后的应用中，应开发新的锚固装置，实现传感器与土体之间更加有效的直接锚固。

3)注浆材料与原土体的耦合性能关系到传感器能否真实表达所测试的土体形变，因此应进一步加强对所用注浆材料的研究。

4)应进一步加强该测量方法与常规测量方法的对比。

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DeformationMonitoringTechnologyforDeepSurroundingRocksofSoilTunnelsBasedonBOTDR

YIN Long1,WANG Xiaolin2

(1.TechnologyCenterofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471000,Henan,China)

A new real-time deformation monitoring technology for deep surrounding rocks of soil tunnels is developed on basis of distributed optical fiber monitoring technology and by means of model design,testing and application technology verification,so as to realize the real-time continuous monitoring of the deformation of deep surrounding rocks of soil tunnels. The monitoring mechanical model and the monitoring equation are obtained;the manufacturing,arrangement and installation methods of the sensors,the system integration and the real-time monitoring technology are proposed. The study results have been testified in the field and good application effect has been achieved.

BOTDR;tunnel;deformation of deep surrounding rock;real-time monitoring;sensor

2013-10-18;

2013-12-05

铁道部重大科技研究开发计划项目(G006-B)

尹龙(1980—)，男，黑龙江双城人，2004年毕业于兰州交通大学，建筑环境与设备工程专业，本科，工程师，从事隧道及地下工程技术研究与管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.012

U 45

B

1672-741X(2014)02-0158-05