基于分布式光纤传感技术的隧道变形监测

潘同斌 魏绍军 张 宇 孙宽堃

1. 青岛益群地下城开发有限公司 山东 青岛 264000 2. 京城建勘测设计研究院有限责任公司 北京 100101

1 概述

随着城市的发展以及地表空间资源的逐步紧张，地下空间开发的进程不断加速，诸如地铁等大型城市地下空间工程越来越多的出现。在地铁隧道的施工和运营过程中，可能受到由于临近地表加载卸载，保护区内基坑开挖以及近距离隧道穿越等因素造成的土体结构应力变化的影响发生结构沉降变形，导致安全问题，因此，需要对隧道结构进行监测[1,2]。变形监测是其中重要的监测内容。

针对大型盾构隧道中的变形监测，现有相关技术主要分为：①精密水准测量技术，凭借其测量精度高的特点，该技术在隧道监测工作中已经有了大量运用，但作业效率低，强度大，难以实现自动化；②全站仪技术，建立由全站仪等仪器组成的自动化系统对隧道变形进行监测，该技术测量精度高，但其仪器价格昂贵，测点数量有限，空间连续性偏差；③三维激光扫描技术，该方法高效快速，自动化程度高，但精度不足。总而言之，现有的技术难以兼顾低成本大规模布设和准确测量[3]。而分布式光纤传感技术具有传感距离大、稳定性好、耐久性强等优势，在隧道结构监测方面前景广阔。

在这些背景下，基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤传感技术，在青岛地铁某线中受到临近基坑开挖影响的某区段里设计并实施了分布式光纤监测系统。通过对地铁隧道监测的数据采集、处理和分析，可对在本区段地铁隧道的运营阶段进行监测分析，并取得了优良的效果。

2 工程概况

监测区间沿线的地势相对平稳，地面高程3.33-6.25m变化不大，地表主要分布厚度1.0-6.7m的第四系全新统人工填土，下伏基岩为燕山晚期闪长岩，局部可见花岗斑岩呈脉状产出，局部受构造作用影响发育构造岩花岗斑岩（块状碎裂岩），强风化层厚4.30-26.00m；隧道洞身穿越强风化闪长岩地层，地下水主要为岩裂隙水，多为弱透水层，水量较贫，局部接力裂隙发育，受构造影响破碎带裂隙水含量丰富。

监测区段隧道采用复合式盾构开挖，起点里程为K16+975.000，终点里程为K17+917.9，左线全长为805.402m，右线全长为813.000m，左右线均为单洞单线隧道，两线隧道中轴线间距14m。在地铁保护区内基坑开挖施工过程中，对地铁隧道的结构变形监测，通过对分布式光纤监测数据的采集、处理和分析，确保地铁隧道结构的安全，保证其正常使用。

3 分布式光纤监测系统的实施与运行

3.1 分布式光纤传感原理

分布式光纤监测技术是基于布里渊散射原理发展而来的。布里渊散射是光在光纤内传输引起的一种散射现象[4,5]。受激布里渊散射的条件是：从待测光纤两端射入其中的直流连续光和脉冲泵浦光的频率差值与待测光纤某区域产生的布里渊频移值相等。当受激布里渊散射发生时，该区域的布里渊散射光信号强度会出现放大或缩小。通过分析布里渊增益谱，可以确定待测光纤该区域的布里渊频移值，再通过光纤各区域发生的布里渊频移与结构温度和应变之间的关系，可实现结构温度和应变信息的测量。因此，可用来进行应变或温度测量[6,7]。基于受激布里渊散射机理的测量系统称为BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）。

布里渊增益谱一般利用洛伦兹曲线进行拟合，下式为拟合曲线的函数表达式：

式中——光纤的折射率

式中——光纤的介质的弹性模量

当光纤附着结构温度或者应变变化时，光纤的介质的弹性模量，介质比和密度都会发生变化，导致声波波速的变化，即导致布里渊频移数值的变化。整理(2)(3)式可建立布里渊频移与温度和应变的关系表达式：

式中——光纤应变

式(4)表明布里渊频移值和结构的温度与应变有关。考虑这种关系，可以将布里渊频移的增量用下式表示：

根据式(5)，经过定压实验和定温实验，可以确定温度和应变影响系数，进而确定布里渊频移与温度变化量和应变变化量的关系。

3.2 分布式光纤监测系统的安装

轨道板变形采用应变温度复合感测光缆，采用粘贴在轨道板两侧方式进行安装布设，本次监测区间长度为500m。

安装过程分为三步：

1）打磨除尘：轨道板混凝土需去除表面污渍，油脂等，确保粘贴位置干净整洁。

2）涂覆底胶：为提高光纤与结构的粘合度，需在隧道结构上刷底胶粘结剂涂层作为传感光纤的铺设路径。涂胶宽度为5cm。

3）布设光纤：在底胶涂刷区域将传感光纤水平粘贴，避免光纤弯曲；而后，还需在传感光纤上再刷面胶粘结剂涂层，保证光纤与轨道板良好粘合。

3.3 分布式光纤监测系统数据采集与处理

自2021年5月10日对分布式光纤的安装调试完成，共获得15次有效的数据采集。

利用仪器自带的采集软件进行光纤数据采集时，步进5.2cm获得一个测值。运用采集软件完成光纤测量后，由于存在松弛段的非有效测量的光纤数据，需要从全局约15800个数据点中提取得到有效的部分数据点，如图1所示。

图1 有效数据提取过程示意（04月22日有效数据-应变量纵向分布曲线）

在采集的数据中，应变量基本稳定在400-600με区间之内，这与一般的光纤监测系统采集的数据存在明显差异，整体上数值偏大。通过分析，认为光纤在安装时，进行了拉紧操作，使光纤发生了初始的应变，以至于采集数据中出现较大的应变值。故需要对提取数据进行处理：

3.3.1 数据点上数据的确定和优化

由于测量数据存在一定的噪声，为了提高数据的稳定性，同时排除无效异常值带来的影响，将连续的5个（5-10个）分布式光纤测点的测量数据求平均，作为一个有效的应变测点测量数据。最终得到1321个应变测点数据。

3.3.2 累计应变的处理

在隧道工程中，位移（变形）的积累量以及位移（变形）的变化速率相对于位移（变形）数据本身更具有说服力。将最早一次的测量数据作为累计变量的基础，计算后续数据的相对第一天的应变情况，计算累计应变，得到各测点的累计微应变时程曲线，计算微应变的积累量值以及相应的变化速率，并以此为基础来评价隧道的安全情况。

通过上述各步的数据处理，可以得到隧道各个测点对应的应变变化时程曲线，以及相对累计应变的变化速率时程曲线。由于数据量过大，选取隧道中18个关键断面（记为Y01-Y18），从光纤数据中提取出对应的光纤测点数据进行示意。

图2 隧道结构关键测点处累计应变变化时程曲线

图3 隧道结构关键测点处累计应变变化速率时程曲线

3.4 分布式光纤监测系统分析总结

监测过程中隧道结构累计应变稳定在-35με-35με之间，各测点最终累计应变最大值为+19.13με（Y12测点，2021年9月2日即最后一次测得数据）；累计应变最大值为+34.42με（Y13测点，2021年4月28日测得）；数据采集间隔期间累计相对应变的变化速率最大值为5.52με/day；且呈现前期变化速率较大，后期变化速率较小的趋势；监测数据均处于正常范围。

通过对光纤监测系统数据的处理分析，发现隧道结构在临近基坑开挖过程中没有出现较大的变形，隧道的整体安全状况良好。可以认为，该地铁隧道区段布设实施的分布式光纤监测系统的监测数据在临近基坑开挖过程中保证了地铁运营的安全。

4 结论

为了实时监测临近基坑开挖过程中隧道结构的变形情况，在隧道结构中设计实施了分布式光纤监测系统。通过隧道结构的监测数据的采集以及对监测数据的处理和分析，保证了临近基坑开挖过程中地铁隧道的运营安全。本文提出的监测系统，经过实际工程的实践，相较于传统的监测手段，具有如下的优点：

1）分布式光纤传感技术的传感距离较长，且体积小巧便于铺设，十分适合隧道等大型结构的监测需要；

2）分布式光纤监测系统的两相邻传感点的间距较小，传感点数量较大，空间上的连续性较好，监测结论易被实际工程接受；

3）分布式光纤监测系统能够稳定工作，基本不受地铁运营窗口期的限制，能够很好符合监测工作的要求，可以完成全天候自动监测的任务，系统稳定性高。

本监测项目的成功实施，表明分布式光纤监测系统在地铁隧道结构变形监测中效果良好且有着较好地推广与使用价值，同时也对于累积智能化监测经验、提升监测技术水平、维护地铁隧道的运营安全等方面有着重要意义。