鐘東， 唐永圣

(1. 南京長江隧道有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 211800;2. 蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215137)

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分布式光纖傳感監(jiān)測盾構(gòu)隧道收斂變形研究

鐘東1， 唐永圣2

(1. 南京長江隧道有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 211800;2. 蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215137)

摘要:收斂變形是表征盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康、安全的重要指標(biāo)，利用現(xiàn)有技術(shù)對其實(shí)施大規(guī)模監(jiān)測存在困難。為此，引入先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，建立盾構(gòu)隧道收斂變形的監(jiān)測方法。首先，基于傳感技術(shù)特點(diǎn)和隧道監(jiān)測特征，提出長標(biāo)距光纖傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證了其優(yōu)良的應(yīng)變傳感性能。然后，建立應(yīng)變反演收斂變形的理論方法。最后，通過室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)對提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：文中提出的方法可準(zhǔn)確評估盾構(gòu)隧道的收斂變形，其精度滿足工程管養(yǎng)的需求；同時還表明：管片接縫變化對收斂變形的影響大，在實(shí)際監(jiān)測中應(yīng)優(yōu)先滿足接縫處變形的監(jiān)測?？紤]到分布式光纖傳感在傳感距離、穩(wěn)定性和耐久性等方面的優(yōu)勢，本方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；收斂變形；分布式光纖傳感技術(shù)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

近年來，為了解決城市交通擁堵的問題，我國各大城市開始大規(guī)模建設(shè)地鐵，其結(jié)構(gòu)形式主要是盾構(gòu)隧道。由于臨近基坑開挖、地表加卸載、隧道近距離穿越及地質(zhì)變化等因素，引起土體的附加應(yīng)力，從而引起盾構(gòu)隧道的收斂變形，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安全問題[1]。因此，學(xué)者提出了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[2]，保障設(shè)施安全運(yùn)營。所謂結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測就是通過對結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)施長期在線監(jiān)測，并利用其對結(jié)構(gòu)的使用、安全等性能實(shí)施評估。針對盾構(gòu)隧道的收斂變形監(jiān)測，現(xiàn)階段的相關(guān)技術(shù)大主要有以下幾類：1)自動跟蹤全站儀觀測技術(shù)，已在隧道建設(shè)中得到大量應(yīng)用，如上海地鐵二號線[3]和香港地鐵[4]，測量精度高，但監(jiān)測設(shè)備昂貴，無法大規(guī)模布設(shè)；2)自動化近景攝影技術(shù)，如劉燕萍等[5]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)分析盾構(gòu)隧道的收斂變形，測量效果易受照明質(zhì)量的影響；3)點(diǎn)式直接測量技術(shù)，如李玉寶等[6]采用數(shù)顯收斂計監(jiān)測盾構(gòu)隧道腰部的收斂變形，精度高，但僅限于有限點(diǎn)的收斂監(jiān)測。從長期監(jiān)測的角度來看，既有技術(shù)要么成本高無法大規(guī)模布設(shè)，要么受隧道環(huán)境影響難以實(shí)施準(zhǔn)確監(jiān)測。分布式光纖傳感技術(shù)具有傳感距離大(一般可達(dá)到幾十公里)、分布式傳感、光傳感穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，是適用于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的優(yōu)良技術(shù)[7]。王飛等[8-9]初步研究了分布式光纖傳感技術(shù)用于盾構(gòu)隧道收斂變形方面的可行性，并為進(jìn)一步利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道的收斂變形監(jiān)測提供了理論和技術(shù)支持。基于分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)，本文首先提出了適用于盾構(gòu)隧道收斂變形監(jiān)測的傳感器封裝方法，然后提出了收斂變形監(jiān)測理論，并通過足尺模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1分布式光纖傳感技術(shù)

1.1基本傳感原理

分布式光纖傳感的基本原理是布里淵散射機(jī)

理，即當(dāng)光纖某區(qū)域的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化時，該區(qū)域的布里淵散射的中心頻率會隨之發(fā)生變化，兩者之間存在著良好的線性關(guān)系，因此測量各點(diǎn)的布里淵頻移就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度的分布式測量。為了提高測量效果，在光纖兩端分別注入調(diào)制好的一脈沖光(泵浦光)與一連續(xù)光(探測光)，產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)(受激布里淵散射)，如圖1所示。由于采用脈沖預(yù)泵浦技術(shù)，日本NEUBREX公司制造的基于PPP-BOTDA(Pulse-PrePumpBrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)技術(shù)[10]的NBX-6050在同類商品中具有較高的空間分辨率(10cm)與測量精度(±7.5με)，本文的研究基于此產(chǎn)品展開。

圖1　PPP-BOTDA技術(shù)的基本原理Fig.1 Principle of PPP-BOTDA

1.2分布式光纖傳感器

基于PPP-BOTDA的分布式光纖傳感器采用的是普通商業(yè)光纖，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、價格優(yōu)勢顯著。但是，光纖易脆斷，需要適當(dāng)?shù)姆庋b后方能適應(yīng)相對粗放的土木工程環(huán)境。考慮到盾構(gòu)隧道環(huán)的傳感器布設(shè)面為弧面，以及在管片接縫處的應(yīng)變比較大，故采用長標(biāo)距柔性傳感器的設(shè)計方法(圖2)[11]。通過長標(biāo)距封裝，提高了PPP-BOTDA技術(shù)在接縫處的應(yīng)變測量精度，并擴(kuò)大縫寬的量程。傳感器的直徑約為1mm，便于在弧面處布設(shè)。

理論上，布里淵散射中心頻率變化與光纖的應(yīng)變變化呈線性關(guān)系，系數(shù)為49.7MHz/0.1%。對研制的傳感器實(shí)施靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，典型結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明了優(yōu)良的線性傳感特征，其系數(shù)為50.3MHz/0.1%，與理論值接近。

圖2　分布式光纖傳感器Fig.2 Distributed fibre optic sensor

圖3　光纖傳感性能Fig.3 Sensing performance of fiber optic sensor

2盾構(gòu)隧道收斂變形的監(jiān)測理論

盾構(gòu)隧道在外部荷載下產(chǎn)生收斂變形，該變形包括2個部分：1)管片的應(yīng)力變形；2)管片在接縫處相對錯位或轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的剛體位移。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識，管片的應(yīng)力變形可以通過公式(1)進(jìn)行計算。對于盾構(gòu)隧道，收斂主要是由于彎曲變形引起[8]。因此，可忽略后2項(xiàng)。

管片在接縫處產(chǎn)生的剛體位移，可以通過監(jiān)測接縫的變化，利用幾何方法實(shí)施計算?；具^程是：首先通過應(yīng)變計算接縫縫寬；然后利用縫寬變化計算轉(zhuǎn)角；再基于轉(zhuǎn)角計算收斂變形。

接縫的縫寬變化采用在接縫處布設(shè)長標(biāo)距傳感器，要求傳感器標(biāo)距不宜過大，盡量只包含接縫縫寬變化而引起的長標(biāo)距傳感器的應(yīng)變變化，接縫縫寬的計算方法如下：

d=εL*L

(3)

式中：εL和L分別是接縫處長標(biāo)距傳感器的應(yīng)變和標(biāo)距。

轉(zhuǎn)角計算方法如下：

(3)

式中，yL是接縫處長標(biāo)距傳感器至接縫截面名義中和軸的距離。

(4)

(a)鉸模型；(b)鉸轉(zhuǎn)動引起收斂圖4　計算模型Fig.4 Calculation model

3盾構(gòu)隧道收斂變形的試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證提出方法的有效性，選擇某城際軌道交通工程的中埋段標(biāo)準(zhǔn)塊作為試驗(yàn)構(gòu)件?？紤]到試驗(yàn)室條件限制，無法完成滿環(huán)的靜載試驗(yàn)，因此共選擇2塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片，并在試驗(yàn)室進(jìn)行拼裝，如圖5所示。管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，壁厚0.35m。每塊標(biāo)準(zhǔn)塊對應(yīng)的圓心角是67.5°，寬1.2m。管片側(cè)面設(shè)置用于拼裝的凹凸槽，拼裝時，每片管片環(huán)向兩端各有2個孔，采用高強(qiáng)螺栓實(shí)施連接，螺栓直徑為30mm。

如圖6所示，將拼裝后管片通過錨桿將其固定在混凝土地板上，試件在端部可轉(zhuǎn)動，且可在水平向有一定約束性的位移，即設(shè)計成彈性鉸模型，與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況類似。采用液壓千斤頂(100t)在試件頂部施加豎向荷載，荷載通過分配梁分布在接縫兩側(cè)。

為了布設(shè)長標(biāo)距光纖傳感器(圖2)，將內(nèi)側(cè)圓弧按弧長0.5m等分為11個單元，編號依次E1～E11，其中接縫處于E6的中間，每個單元對應(yīng)的圓心角約為12.5°。傳感器布設(shè)時采用環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑，提高黏結(jié)效果。因?yàn)镻PP-BOTDA技術(shù)對應(yīng)變和溫度交叉敏感，試驗(yàn)中通過一段自由光纖的監(jiān)測數(shù)據(jù)，補(bǔ)償溫度變化的影響。在試驗(yàn)中，作為對比，采用位移計監(jiān)測接縫附近的豎向位移和試件底部的水平位移，接縫的寬度采用游標(biāo)卡尺測量。

(a)管片；(b)管片拼裝圖5　盾構(gòu)管片試件Fig.5 Specimen of shield segment

在試驗(yàn)中，以豎向位移的數(shù)值作為加載控制值，具體為：0～1mm，加載級為0.2mm；1～10mm，加載級為0.5mm；10～20mm，加載級為1mm；20～66mm，加載級為2mm。規(guī)范中2%D作為收斂控制值，本試件約為半圓，因此位移達(dá)到62mm即認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到極限。

圖6　傳感器布設(shè)Fig.6 Sensor installation

3.2試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1應(yīng)變分布

典型的應(yīng)變結(jié)果如圖7所示，顯示在荷載42t下的試件內(nèi)側(cè)應(yīng)變分布，其中E6的應(yīng)變不包含在內(nèi)，其數(shù)值反映接縫的變化。作為比較，按照曲梁模型計算了各級荷載下的理論應(yīng)變分布。結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，光纖測量的應(yīng)變趨勢與理論值一致，數(shù)值接近。

以E3為例，進(jìn)一步比較應(yīng)變測量精度，如圖8所示。結(jié)果表明，在小應(yīng)變階段精度較差，出現(xiàn)了明顯的波動，但當(dāng)應(yīng)變大于30 με后，精度顯著提高。

圖7　典型應(yīng)變分布結(jié)果Fig.7 Typical results of strain distribution

圖8　典型單元應(yīng)變布結(jié)果Fig.8 Typical results of element strain

3.2.2接縫縫寬

通過E6的應(yīng)變測量值(圖9)，可獲得接縫縫寬變化的信息，其結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，光纖評估的縫寬變化與游標(biāo)卡尺的實(shí)測值接近，誤差可控制在0.1mm內(nèi)，滿足隧道監(jiān)測要求。

圖9　接縫處應(yīng)變布結(jié)果Fig.9 Strain results at seam

圖10　接縫寬度變化結(jié)果Fig.10 Results of seam width change

3.2.3收斂變形

針對本試驗(yàn)的具體情況，將結(jié)構(gòu)簡化成如圖11(a)所示具有彈簧約束的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行應(yīng)變反演收斂時，進(jìn)一步將模型拆分成2部分進(jìn)行計算：模型部分I(圖11(b))，兩端鉸接的曲梁模型，用于計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的收斂變形，計算中輸入的是除E6外的各單元應(yīng)變，因?yàn)樵谠撃Ｐ椭蠩6的平均應(yīng)力為0；模型部分II(圖11(c))，2根曲梁鉸接的模型，水平向無約束，該模型實(shí)際上是一種機(jī)構(gòu)，僅用于計算中間較轉(zhuǎn)動引起的頂部幾何豎向位移，計算中輸入中間鉸的轉(zhuǎn)動角度，而該角度通過E6的應(yīng)變進(jìn)行計算。

(a)簡化模型；(b)模型部分I；(c)模型部分II圖11　分析模型Fig.11 Analysis model

本試驗(yàn)中的收斂變形是頂部的豎向位移，其計算結(jié)果如圖12所示。結(jié)果表明，光纖評估的收斂變形與位移計實(shí)測值的趨勢一致，數(shù)值接近。當(dāng)然，在某些階段存在誤差，其范圍為-5～2mm，分析其原因主要有：1)簡化模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在一定的差異；2)忽略了軸壓應(yīng)變對結(jié)構(gòu)收斂的影響。在隧道管養(yǎng)中一般以厘米級的收斂變形來預(yù)警，因此，本文中所提方法的評估精度可滿足實(shí)際工程需求。

進(jìn)一步分析2部分模型所計算的變形在總收斂變形中的比例，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明：彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的位移所占比例較小，在加載后期僅為3%。因此，在實(shí)際監(jiān)測中，若傳感器數(shù)量有限，應(yīng)首先滿足接縫處變形的監(jiān)測。

圖12　收斂變形測量結(jié)果Fig.12 Convergence deformation measurement results

圖13　收斂變形的組成分析Fig.13 Parts analysis of convergence deformation

4結(jié)論

1)基于分布式光纖傳感技術(shù)，所提出的長標(biāo)距光纖傳感器具有優(yōu)良的應(yīng)變傳感性能，即高線性和可重復(fù)性；

2)利用所提出的分布式光纖傳感技術(shù)，可準(zhǔn)確監(jiān)測隧道環(huán)的應(yīng)變變化和管片接縫的縫寬變化，其中縫寬測量誤差可控制在0.1mm內(nèi)；

3)利用所提出的分布式光纖傳感技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道收斂變形的準(zhǔn)確監(jiān)測，精度滿足工程評估、預(yù)警的需求；

4)管片接縫變化對收斂變形的影響大，在實(shí)際監(jiān)測中，若傳感器數(shù)量有限，應(yīng)首先滿足接縫處變形的監(jiān)測。

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* 收稿日期：2016-01-18

基金項(xiàng)目：江蘇省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2014T14)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508364)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20150333)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJB580009)

通訊作者：唐永圣 (1982- )，男，江蘇鹽城人，講師，博士，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究工作；E-mail: ystang@suda.edu.cn

中圖分類號：U456.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1143-06

Study of shield tunnel convergence deformation motoringusing distributed optical fiber sensing technology

ZONG Dong1, TANG Yongsheng2

(1.NanjingYangtseRiverTunnelCompanyLimited,Nanjing211800,China;2.SchoolofUrbanRailTransportation，SuzhouUniversity,Suzhou215137，China)

Abstract:Convergence deformation is a key indicator which can indicate the health and safety of shield tunnel. However, it is difficult to implement the monitoring especially in large-scale with the traditional methods. In this paper, a new method is proposed based on the distributed optical fiber sensing technology. By considering the features of the sensing technology and shield tunnel, a long-gauge sensor was proposed and verified with some experiments. The results show a good strain sensing performance. Then, the method of assessing convergence deformation from strain measurement is proposed. Lastly, the proposed method is verified with a full size specimen of shield tunnel. Based on the static experiment, the convergence deformation could be evaluated with a good accuracy satisfying the demands of tunnel management. At the same time, the seam change show a large influence on convergence deformation. Therefore, the seam monitoring should be arranged at first in actual project. Considering the additional advantage of the distributed sensing, such as sensing distance, stability and durability, the proposed system has broad application prospects.

Key words:shield tunnel; convergence deformation; distributed optical fiber sensing technology; structural health monitoring