新型光纤传感器监测地铁隧道结构变形分析

杜海军，丁 智，段月辉，徐 兵，江 涛，董毓庆

(1. 浙江煤炭测绘院有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙大城市学院 工程学院，浙江 杭州 310015；3. 浙江煤炭地质局，浙江 杭州 310020；4. 杭州合跃科技有限责任公司，浙江 杭州 310005)

近年来，随着地下轨道交通的快速发展，运营的地铁线路越来越多，同时城市化进程导致临近工程不断增加，将加剧既有地铁隧道结构的变形，导致隧道渗漏水、裂缝、管片破损、道床脱开等结构病害逐渐增加[1]。为解决现阶段运营地铁隧道中对于道床脱开、管片张开等隧道病害自动化监测手段匮乏的窘境，结合光纤光栅传感技术的优势，本文研发了一种光纤光栅传感器，并将该系统应用于杭州2号线地铁朝阳站出入场线区段，用于监测该区段的道床脱开、道床伸缩缝及管片张开量的监测。研究成果有利于今后隧道结构病害监测的进一步发展，其研究意义重大。

1 高精度光纤光栅传感器

1.1 传感器简介

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术是二十世纪末兴起的新一代集光子学、电子电路、计算机、软件等多项高科技为一体的传感技术，光纤光栅传感技术由于自身的特点适合于缓慢持续发展的结构变形监测，已逐步在土木工程的结构健康监测中得到应用[2]。

滚轴式光纤光栅裂缝传感器[3]和温度自补偿光纤光栅位移传感器[4]作为传统光纤光栅传感器，有很多弊端。滚轴式光纤光栅裂缝传感器结构复杂，部件安装不便，且该传感器为单光栅结构，无法消除温度带来的影响，而温度自补偿光纤光栅位移传感器虽然解决了温度补偿问题，但由于内部弹簧长期承受形变，使用寿命有限，不仅存在失效的可能，还影响长期位移监测的连贯性。而本研究所采用的光纤光栅变形传感器利用差动法将两个光纤光栅的波长变化差值输出被测物体位移测量信号，即可消除温度和应变交叉敏感的问题，进而实现温度自补偿；此外，作为监测元件的半圆环弹性片自身具备伸缩弹性，不需再另外设置复位弹簧，提高了传感器在施工检测中的存活率，还可应用于建筑以及水坝方面的结构位移实时监测；同时解决现有技术中光纤光栅传感器结构复杂、使用寿命有限等问题，再结合信息化及物联网技术，组成一套自动化监测系统。

光纤光栅传感器的原理是将来自光源的光通过光纤传入调制器，当其待测的物理量发生变化时，该测量区域光纤中光的光学性质也会发生相应的变化，而后调制的光信号最后会转化成电信号并与之前的信号相比较来判断监测物理量的变化[5]。因此，光纤传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、良好的长期稳定性和耐久性。常见的光纤光栅变形传感器的测量范围均为零至某一正向数值，而工程实际中，被测对象的变形往往会在零值左右波动，这就需要先将传感器拉伸至某一数值，并将该数值作为“零点值”，使传感器具备在“零点值”左右测量的能力。但如此设置，传感器内部的弹性元件实际上在所谓的“零点值”时已经处于变形状态，易导致弹性元件蠕变，不利于长期监测的准确性。而本研究所采用的光纤光栅变形传感器通过将两个光纤光栅(FBG1和FBG2)分别粘贴布置在两个弹性梁的表面，从而形成正负向变形分别测量、互相温度补偿的功能。传感器主体部分长176 mm、宽50 mm，量程为-50～50 mm，其余传感器参数如表1所示。

表1 光纤光栅变形传感器基本性能参数

1.2 现场安装

传感器的现场安装方法如图1所示，图1(b)为传感器进行伸缩缝和接头环缝变形测量时的安装方法，配套的拉杆固定夹具和传感器分别位于被测缝隙的两侧并通过膨胀螺栓固定，当被测细缝发生传感器轴向方向变形时，传感器即可监测到被测区域的相对变形。

图1 伸缩缝和接头环缝变形测量方法与安装示意图

为了应对隧道结构中不同的安装环境和安装需求，研发人员专门设计了用于道床和衬砌相对变形监测的“延伸式”安装装置，如图2所示。该装置一端通过螺母固定于圆形衬砌上，延伸杆托起光纤光栅变形传感器，将传感器的监测杆固定在被测物体上，即可测得被测物体在传感器轴向方向上的相对位移。同时，传感器端的角度可以自由调整，从而解决衬砌壁倾斜角度不确定而引起的安装问题。

图2 用于道床和衬砌相对变形监测的配套安装装置

通过室内测试后，测得该光纤光栅变形传感器的量程为±50 mm，室内测试结果中，传感器以全量程测量输出特性y=46.272 7+29.458 2x(y为波长漂移量，x为测试变形量)，得到传感器的灵敏度为29.458 2 pm/mm，按照光纤光栅解调器的长期精度为±10 pm估算，理论精度为10/29.458 2=0.339 mm。蠕变是影响传感器长期监测精准度与稳定性的重要因素之一[6]。在传感器蠕变测试中，通过对传感器施加固定变形值并保持40 min以上，结果表明：传感器输出波长稳定性很好，说明该新型传感器具有良好的长期监测适用性。

2 工程应用

2.1 工程概况

本项目依托工程为杭州地铁2号线朝阳站，隧道临近萧山蜀山街道2号线末站上盖综合体。该综合体地下为两层地下室，基坑开挖深度为10.5 m，与隧道最近距离为16 m，与临近车站主体结构最近处为12 m，基坑采用分区开挖来控制围护结构的变形与周边土体沉降[7]，进而保护临近地铁设施安全。该工程临近的2号线出入场线区间有较大沉降，出现了管片张开与道床脱开等病害现象，需要实时监测掌握隧道变形情况以保证地铁正常运营的行车安全。

2.2 隧道内传感器布设情况

监测总体安装如图3所示，主要监测两个断面处的道床与衬砌的相对变形、两个断面处的管片接头环缝和道床伸缩缝，通过打孔、膨胀螺栓，最后，再用AB胶封装螺母的方式，将各个传感器安装至指定位置，具体传感器监测项目及布置方案如表2所示。

图3 地铁隧道变形监测1:1三维示意图

表2 传感器测项及位置统计表

3 监测数据分析

3.1 传感器单日监测结果分析

各传感器安装初期监测数据时程图如图4所示，图中数据采集频率为一秒一次。由图可知，传感器自安装之后，监测数据的波动稳定在0.002～0.003 mm，满足隧道结构的病害监测需求，如隧道裂缝监测、伸缩缝监测、道床脱开监测。传感器的频率设定为一秒一次，单日监测数据次数可达86 400次，可实现“高精度、高频率密集监测”的监测要求。

图4 光纤光栅传感器单日监测数据图

从单日监测数据来看，12月9日，临近隧道的B1区此时正在进行第二层土体开挖，开挖深度仅6 m，对于临近隧道结构影响尚不明显，因此，1号传感器的监测数据较为稳定，数据变化规律趋于平稳。随着基坑开挖，12月27日，此时，B1区已基本完成开挖工程，开始浇筑底板，各传感器均出现了较为明显的数据波动，其中，1号传感器的变化最为明显，数据变化在0.016 mm左右，其余传感器均出现了0.003～0.006 mm的数据波动，说明此时传感器已受到临近基坑开挖的影响，并能够反映监测结构在监测时段内的变形情况。

3.2 隧道变形结果分析

3.2.1 隧道结构变形

传感器所处环段的隧道结构位移随时间变化如图5所示，图中水平位移的正值代表向基坑方向位移，负值代表向背离基坑方向位移；沉降中正值代表隆起，负值代表沉降。由图可知，该环段的隧道结构整体处于“向基坑位移并下沉”的状态，同时，隧道水平方向处于被拉伸、收敛增大的状态。虽然该区段隧道并非紧邻B1区基坑，但仍处于50 m影响范围之内，整体变形规律与魏纲等[8]总结的影响规律相近。

图5 传感器所处环段隧道结构变形时程图

3.2.2 道床脱开监测

隧道结构中道床脱开量随时间变化如图6所示，图中红色数据即表示该传感器位于靠近基坑一侧，正值表示道床与衬砌相互远离，负值表示道床与衬砌相互靠近。由图可知，1号、2号传感器监测的25环处的道床脱开数据主要是从12月28日后，30环处的4号传感器的监测数据则是从12月20日开始逐步增长，而6号传感器则基本保持稳定。由此可见，道床脱开量的变化规律并不明显，不同环段之间的变化规律存在明显差异，而同一环的两侧也并不相同，与张金红等[9]人的统计结果存在一定差异。

图6 隧道结构道床脱开变形时程图

3.2.3 管片接头环缝监测

隧道结构中管片接头环缝张开量随时间变化如图7所示，图中红色数据即表示该传感器位于靠近基坑一侧，正值表示管片环缝张开，负值表示管片环缝收缩。由图可知，两侧管片张开量变化具有较为明显的对称性，以-0.008 mm为对称轴，临近基坑的7号传感器监测数据主要以负值为主，远离基坑的3号传感器监测数据主要以正值为主，且有增大的趋势。这是由于隧道结构处于基坑开挖面下约5 m左右，根据郑刚等[10]的研究结论：此时隧道处于水平位移区，隧道变形以水平位移为主。临近基坑一侧的管片表现为外侧张开，内侧收缩，而远离基坑一侧则是内侧张开，外侧收缩。

图7 管片张开量变化时程图

3.2.4 传感器监测准确性分析

在传感器监测时段，所监测环段的隧道结构整体处于“向基坑位移并下沉”的状态，同时，隧道水平方向处于被拉伸、收敛增大的状态。道床脱开变化整体趋势与隧道结构的变形趋势是一致的，在隧道变形时间内，所监测到的道床变形呈现出相同的变形趋势，可以看出，该光纤光栅传感器能够反映道床变形的相应趋势。管片接头环缝的变形量呈现的对称性也说明该传感器在监测数值上是相对精准的，因此才能表现出明显的对称性。隧道结构变形及传感器监测数据从12月20日后的增量倍数图如图8所示，图中数据点为隧道结构变形数据，连线为传感器监测数据。由图可知，其中用于监测管片张开的3号传感器自身初始数据过小，导致后续增长倍率过大，其余传感器均与隧道结构的发展趋势相似。

图8 隧道结构变形增量倍数时程图

总体而言，现阶段监测数据显示出趋势上的相近，而在具体数值上未显现较为明显的逻辑关系，原因主要有两点：一是本工程隧道变形小，其中，竖向位移变形小于1.8 mm，水平位移变形量小于1.2 mm，收敛变形小于0.6 mm，结构病害监测变形多数小于0.1 mm，因此，其对应的统计学规律相对不明显，受到多种因素影响；二是由于道床脱开、伸缩缝变形及管片张开量与隧道结构变形之间存在较为复杂的联系，除隧道结构水平位移、竖向位移外，隧道结构的旋转变形、临近环段的差异位移等都会造成以上病害。但从整体监测数据上来看，道床脱开、伸缩缝变形及管片张开量与隧道结构变形之间仍存在一定的相关性，说明该光纤光栅传感器监测数据具有一定的准确性。

4 结论与展望

本文针对国内隧道病害监测中对于道床脱开、伸缩缝张开等常见病害实时监测的空缺，研究出一种光纤光栅变形传感器，并应用于杭州地铁2号线朝阳站，得出如下结论：

(1)本文所研究的光纤光栅传感器具备性能优良、监测精度高、稳定、可实现自动化监测等优点，配套装置可以使传感器满足不同的安装条件，对于我国地铁隧道精细化、数字化、信息化管理有着重大意义。

(2)该传感器在现场实测工程中，各测点监测数据变化平稳，与临近工程施工情况相吻合，说明该传感器能够很好地反映监测结构的变形情况，也说明在监测时段内，所监测病害并未出现显著恶化。

(3)通过实测分析发现，隧道结构变形中道床沉降的变形规律尚不明显，与自身变形量级小且影响因素多有关，但整体仍随着隧道结构变形的增大而增大。

基于本项目研究过程及研究结果中的不足，提出以下几点建议与展望：

(1)结合现场应用情况，由于地铁运行的限界要求和较为恶劣的监测环境，在保证监测精度和稳定性的前提下，如何进一步缩小传感器尺寸及传感器保护是需要解决的问题。

(2)在此高精度仪器的现场应用中，由于人工复核的精度往往难以达到光纤光栅传感器的实际测量精度，对于监测数据的准确性缺乏数据验证，在后续研究中可进一步探索对于该类高精度传感器的复核方案设计。