FBG传感器监测钻爆对邻近隧道衬砌结构的影响*

， ， ， ， ， 英娜

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

随着我国铁路建设事业的不断发展，越来越多的单向铁路改建为复向，由于受地形地质条件、交通运输等因素的限制，在设计中新建隧道往往离既有隧道之间的净距较小，新建隧道在施工爆破过程中产生的冲击波将对既有隧道围岩的稳定性和支护保护的安全性产生不可避免的影响，既有隧道衬砌开裂、剥落和变形等现象时有发生[1～3]。新建隧道采用钻爆法开挖时，大量炸药爆破释放的能量部分直接以应力波的形式传播到周围岩体中，并进而引起邻近隧道衬砌表面应变变化[4,5]。当既有隧道与新建隧道的净距较小、围岩软弱、初砌质量较差时，隧道衬砌结构就容易破坏[6,7]。为了保证既有隧道的安全，在新隧道施工爆破过程中对既有隧道进行监控是非常必要的。

本文将FBG表面应变传感器应用于既有隧道迎爆侧的应变监测中。根据开挖隧道的进度，选择监测时段为爆破前、中、后3个时段和火车通过隧道时段对既有隧道迎爆侧的应变变化进行监测，从而了解隧道当前的应力状态。

1 FBG表面应变传感器的测量原理

碧鸡关隧道区属高原低中山剥蚀地貌，隧道穿越昆明市著名风景区西山，地面高程1 900～2 090 m，最大相对高为差190 m，地形起伏较大，自然横坡为10°～45°，局部地形陡峻，坡面多为第四系土层覆盖，厚约2～6 m。新建碧鸡关隧道左线中线与既有碧鸡关隧道右线中线间距在进口端为20.5 m，然后渐变至144 m，最后在出口端为33.8 m。新建隧道除局部段落深埋外，其余地段均属浅埋；洞口和洞身范围地表建筑物密集，洞身所通过的地层围岩条件差。

根据碧鸡关隧道的地质情况，应用FBG表面应变传感器对既有隧道衬砌表面迎爆侧的应变进行监测。FBG表面应变传感器主要用于测量混凝土结构和钢结构上的应变，例如：桥梁、桩、隧道初砌、建筑物等。FBG表面应变传感器由内管、外管、FBG和固定块4个部分组成，安装时把传感器两端的固定块焊接或粘贴于被测结构表面即可[8,9]。FBG表面应变传感器的传感结构参见图1。

图1 FBG表面应变传感器的传感结构

当被测结构受到力的拉伸或压缩时，固定块之间的距离发生变化，导致FBG产生轴向形变，从而引起FBG中心波长移位，根据FBG中心波长移位量计算出被测结构的应变[10]。FBG表面应变传感器测量原理，参见图2。

图2 FBG表面应变传感器测量原理

2 FBG应变传感器的布设和监测

为了能准确地监测到邻近隧道在爆破的影响下衬砌表面的应变变化，结合现场的实际情况，在邻近隧道中靠近新掘进隧道一侧共布设15只FBG应变传感器,FBG应变传感器布设示意图参见图3。

图3 应变传感器布设示意图

传感器的具体安装情况，参见表1。

表1 应变传感器安装统计表

根据隧道开挖的进度，以60 Hz的采样频率采集了爆破前0.5 min、爆破时刻、爆破后1 min的传感器数据,以及火车通过隧道时的传感数据。通过光纤分析仪接收和解调FBG的波长移位量，计算出对应监测点的应变的大小，实时掌握隧道在爆破的影响下衬砌表面的应变的变化趋势。

表2 2010年6月23日监测结果

2010年6月23日17时26分进行爆破，爆破药量为129 kg，爆破量为中等，监测结果，参见表2。其中，传感器1和2监测应变变化曲线，参见图4、图5。

图4 爆破前后传感器1应变变化曲线

图5 爆破前后传感器2 应变变化曲线

2010年6月23日17时39分列车通过碧鸡关隧道，监测结果，参见表3。其中，传感器1和2监测应变变化曲线，参见图6、图7。

表3 火车通过时监测结果

图6 火车通过时传感器1应变变化曲线

图7 火车通过时传感器2应变变化曲线

从表2可以得知，爆破过程中，FBG应变传感器监测到的应变最大变化量在35×10-6～43×10-6之间。从图4,图5可以得知，爆破前后仪器监测到衬砌表面应变产生了明显的变化。监测数据表明，爆破对邻近既有隧道衬砌结构产生扰动作用，引起传感器在发生爆破前后出现数据突变。

从表3可以得知，火车通过时，FBG应变传感器监测到的应变最大变化量在9×10-6～12×10-6之间。从图6、图7可以得知，当列车通过碧鸡关隧道，衬砌表面的应变产生的轻微变化，该变化在隧道衬砌正常受力允许的范围内。

3 结 论

本文应用FBG表面应变传感器对既有隧道迎爆侧进行应变监测。2010年6月23日爆破药量为129 kg，爆破量为中等，爆破对衬砌表面的应变产生了明显的波动影响，应变最大变化量在35×10-6～43×10-6之间。当列车通过碧鸡关隧道时，衬砌表面的应变变化较小，应变最大变化量在9×10-6～12×10-6之间。监测数据表明:爆破对邻近既有隧道衬砌结构产生扰动作用，引起传感器在发生爆破前后出现数据突变，但该变化在隧道衬砌正常受力允许的范围内。

参考文献:

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