基于光纤传感的盾构隧道收敛变形监测研究★

孙晶晶　唐永圣

(1.南京长江隧道有限责任公司，江苏南京　211800; 2.苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州　215137)

基于光纤传感的盾构隧道收敛变形监测研究★

孙晶晶1唐永圣2

(1.南京长江隧道有限责任公司，江苏南京211800; 2.苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215137)

摘要:基于光纤光栅应变传感技术，建立了盾构隧道收敛变形的监测方法，提出了长标距光纤传感器的封装结构，建立了应变反演收敛变形的理论方法，通过室内足尺盾构模型试验，验证了所提方法的有效性，指出光纤传感在稳定性、耐久性等方面具有一定优势，应用前景广阔。

关键词:盾构隧道，收敛变形，光纤光栅，长标距应变传感器，结构监测

近年来，为了解决城市交通拥堵的问题，我国各大城市开始大规模建设地铁，其结构形式主要是盾构隧道。由于临近基坑开挖、地表加卸载、隧道近距离穿越及地质变化等因素，引起土体的附加应力，从而引起盾构隧道的收敛变形，易产生结构安全问题［1］。因此，学者提出了盾构隧道结构健康监测［2］，保障设施安全运营。但是，现有技术如自动跟踪全站仪观测［3］、自动化近景摄影技术［4］和点式直接测量技术［5］等，因技术、成本等方面的限制，无法满足盾构隧道结构长期监测的要求。因此，开发适合盾构隧道收敛变形长期监测的新方法成为隧道工程领域的关注热点。

光纤光栅技术具有测量精度高、稳定性好、传感器系统集成性优等特点，近来不断被引入隧道工程的监测［6］。基于光纤光栅技术，本文提出了盾构隧道收敛变形监测的新方法，并通过足尺模型进行了试验验证。

1　光纤光栅传感技术

布拉格光纤光栅FBG( Fiber Bragg Grating) (如图1所示)的基本传感原理是:当宽带入射光在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，该波长与光栅周期Λ线性相关，而发生在栅区的应变会改变光栅周期Λ，因此，通过检测反射光的波长变化就能实现应变测量。

图1　光纤光栅的传感结构

因光纤易脆断，故FBG一般需要进行封装后才能应用。本文中采用纤维复合材料封装FBG(见图2)，并形成长标距传感，直径仅为1 mm，长度可达1 m，适合在隧道弧面布设。

图2　光纤光栅的传感器

该传感器的典型应变传感性能如图3所示，线性传感特征优良，可重复性好。

图3　应变传感性能

2　应变反演收敛变形的监测方法

盾构隧道在外部荷载下产生收敛变形，该变形包括两部分: 1)管片的应力变形; 2)管片在接缝处相对错位或转动产生的刚体位移。

根据结构力学的知识，管片的应力变形可以通过式( 1)进行计算。对于盾构隧道，收敛主要是由于弯曲变形引起。因此，可忽略后两项。

其中，εM，εN和εQ分别为弯曲应变、轴力应变和剪切应变; 珚M，珚N和珚Q分别为虚弯矩、虚轴力和虚剪力。管片在接缝处产生的刚体位移，可以通过监测接缝的变化，利用几何方法实施计算。

3　盾构隧道收敛变形的试验研究

3.1试验概况

结合试验条件，选择某城际轨道交通工程的中埋段两块标准块拼装成试验构件并实施静态加载。管片外径6.2 m，内径5.5 m，壁厚0.35 m。管片侧面设置用于拼装的凹凸槽，采用高强螺栓实施连接，螺栓直径为30 mm。拼装后，跨度为5.4 m，高2.1 m，宽1.2 m。

试验中，通过锚杆将试件固定在混凝土地板上，在端部可转动，且可在水平向有一定约束性的位移，即设计成弹性铰模型，与结构实际情况类似。采用液压千斤顶( 100 t)在试件顶部施加竖向荷载，荷载通过分配梁分布在接缝两侧。盾构管片试件及试验装置见图4。

为了光纤传感器，将内侧圆弧按弧长0.5 m等分为11个单元，编号依次E1～E11，其中接缝处于E6的中间。传感器布设时采用环氧树脂作为粘结剂，提高粘结效果。作为对比，采用位移计监测接缝附近的竖向位移和试件底部的水平位移，接缝的宽度采用游标卡尺测量。

图4　盾构管片试件及试验装置

在试验中，以竖向位移的数值作为加载控制值，按照规范中的2%D作为收敛控制值，本试件约为半圆，因此位移达到62 mm即认为已经达到极限。

3.2试验结果

3.2.1应变分布

通过FBG传感器，可测量结构各单元的应变。作为比较，按照曲梁模型计算了各级荷载下的理论应变分布。结果如图5和图6所示，表明光纤测量的应变趋势与理论值一致，数值接近。

图5　典型应变分布结果

图6　典型单元E3的应变结果

3.2.2接缝缝宽

通过E6的应变测量值(如图7所示)，可获得接缝缝宽变化的信息，其结果如图8所示。结果表明，光纤评估的缝宽变化与游标卡尺的实测值接近，误差可控制在0.1 mm内，满足隧道监测要求。

图7　接缝处应变结果

3.2.3收敛变形

针对本试验的具体情况，将结构简化成具有水平弹簧约束和中间弹簧铰的结构。在进行应变反演收敛时，进一步将模型拆分成两部分进行计算:模型部分Ⅰ，两端铰接的曲梁模型，用于计算结构应力产生的收敛变形，计算中输入的是除E6外的各单元应变，因为在该模型中E6的平均应力为0;模型部分Ⅱ，两根曲梁铰接的模型，水平向无约束，该模型实际上是一种机构，仅用于计算中间铰转动引起的顶部几何竖向位移，计算中输入中间铰的转动角度，而该角度通过E6的应变进行计算。

图8　接缝宽度变化结果

本试验中的收敛变形是顶部的竖向位移，其计算结果如图9所示。结果表明，光纤评估的收敛变形与位移计实测值的趋势一致，数值接近。当然，在某些阶段存在误差，其范围为－5 mm～2 mm，分析其原因主要有: 1)简化模型与实际结构之间存在一定的差异; 2)忽略了轴压应变对结构收敛的影响。在隧道管养中一般以厘米级的收敛变形来预警，因此，本文中所提方法的评估精度可满足实际工程需求。

图9　收敛变形测量结果

进一步分析两部分模型所计算的变形在总收敛变形中的比例，结果表明:弯曲应力产生的位移所占比例较小，在加载后期仅为3%。因此，在实际监测中，若传感器数量有限，应首先满足接缝处变形的监测。

4　结语

收敛变形是表征盾构隧道结构健康、安全的重要指标，现有技术对其实施长期监测存在困难，本文引入先进的光纤传感技术，建立盾构隧道收敛变形的监测方法，并通过足尺模型试验进行了验证。通过本文的研究，获得一些主要结论如下:

1)利用所提出的光纤传感技术，可准确监测隧道环的应变变化和管片接缝的缝宽变化，其中缝宽测量的误差可控制在0.1 mm以内。

2)利用所提出的光纤传感技术，可实现盾构隧道收敛变形的准确监测，精度满足工程评估、预警的需求。

3)管片接缝变化对收敛变形的影响大，在实际监测中，若传感器数量有限，应首先满足接缝处变形的监测。

考虑到光纤传感在稳定性、耐久性以及系统集成性方面的优势，本方法具有广阔的应用前景。

参考文献:

［1］王志良，申林方，刘国彬.运营地铁隧道收敛变形对接头性能影响的研究［J］.昆明理工大学学报(自然科学版)，2013，38( 2) :38-43.

［2］刘胜春，张顶立，黄俊，等.大型盾构隧道结构健康监测系统设计研究［J］.地下空间与工程学报，2011，7( 4) : 741-748.

［3］黄小平，杨新安，雷震宇，等.地铁运营隧道收敛变形分析［J］.城市轨道交通研究，2009，12( 3) :55-58.

［4］刘燕萍，程效军，贾东峰.基于三维激光扫描的隧道收敛分析［J］.工程勘察，2013( 3) :74-77.

［5］李玉宝，沈志敏，苏明，等.地铁盾构隧道收敛和沉降监测数据处理与分析［J］.东南大学学报(自然科学版)，2013，43 (Ⅱ) :296-301.

［6］魏纲，苏勤卫，邢建见，等.基于光纤光栅技术的海底沉管隧道管段应变研究［J］.岩土力学，2015，36( 2) :499-506.

Study of shield tunnel convergence deformation monitoring based on optical fiber sensing★

Sun Jingjing1Tang Yongsheng2
( 1.Nanjing Yangtze River Tunnel Company Limited，Nanjing 211800，China; 2.School of Urban Rail Transportation，Suzhou University，Suzhou 215137，China)

Abstract:A new method is proposed for monitoring convergence deformation of shield tunnel based on Fiber Bragg Grating( FBG) sensing technology，a long-gauge sensor was proposed to improve the sensing performance.Then，the method of assessing convergence deformation from strain measurement was proposed.The effectiveness of the proposed method was verified with a full size specimen of shield tunnel.Considering the additional advantage of optical fiber sensing，such as stability and durability，the proposed system presents broad application prospects.

Key words:shield tunnel，convergence deformation，Fiber Bragg Grating，long-gauge strain sensor，structural monitoring

作者简介:孙晶晶(1984-)，男，工程师;唐永圣(1982-)，男，讲师

收稿日期:2015-11-27★:江苏省交通运输厅科技项目(项目编号:2014T14);国家自然科学基金资助项目(项目编号:51508364);江苏省自然科学基金资助项目(项目编号:BK20150333);江苏省高校自然科学研究项目(项目编号: 14KJB580009)

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0165-03

中图分类号:U456.3

文献标识码:A