周釗 陶津 韓天然 高永 趙學(xué)亮

1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京210000

2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司 210000

引言

近年來城市化進(jìn)程加快，城市基坑工程向著更深、更大、更密集、環(huán)境條件更復(fù)雜化發(fā)展。周邊環(huán)境對(duì)基坑開挖比較敏感，基坑工程施工過程中會(huì)導(dǎo)致周邊建（構(gòu)）筑物發(fā)生位移、沉降或傾斜，甚至?xí)绊懼苓吔ǎ?gòu)）筑物正常使用［1］。因此，緊鄰地鐵隧道的基坑工程，施工過程中要對(duì)緊鄰隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并預(yù)測(cè)該基坑工程施工是否會(huì)造成緊鄰隧道的破壞，判斷對(duì)隧道的影響程度，從而可以采取有效的措施，以便最大程度降低基坑開挖對(duì)緊鄰隧道帶來的影響。

光纖傳感技術(shù)可獲得分布式數(shù)據(jù)集。由于其具有分布式、耐久性好、良好的數(shù)據(jù)收集功能等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)較適合隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，主要適用于隧道縱向變形［2，3］及橫截面變形［4］監(jiān)測(cè)。近年來，研究結(jié)果表明，盾構(gòu)隧道的縱向運(yùn)動(dòng)可分解為兩種不同的變形模式，即剪切模式和彎曲模式［2，3］。不同的變形模式會(huì)在管片中產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)和不同的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)性能的退化。因此，制定合理的監(jiān)測(cè)方案，分析管片的應(yīng)力和變形，研究不同的變形模式，對(duì)隧道的正常運(yùn)營(yíng)及健康狀態(tài)評(píng)估具有非常重要的意義。

Shen等提出了一種基于改進(jìn)共軛光束法的隧道縱向變形監(jiān)測(cè)方案，僅考慮了彎曲模式，并通過模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)精度［2］。倫敦交叉鐵路項(xiàng)目中分布式光纖傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)緊鄰新隧道施工引起的既有舊隧道的變形進(jìn)行了分析［3］。然而，由于所用傳感器的性質(zhì)不同，隧道的變形行為和模式缺乏深入的監(jiān)測(cè)研究。為了更好地保護(hù)既有隧道結(jié)構(gòu)，需要深層次地了解敏感段盾構(gòu)隧道具體的變形狀態(tài)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)提出更加精細(xì)化的要求。如何得到有效的隧道結(jié)構(gòu)的變形性能，仍需要對(duì)精細(xì)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案進(jìn)行研究。

本文提出了一種新的縱向及橫向光纖傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方案，對(duì)緊鄰基坑開挖時(shí)，既有盾構(gòu)隧道的受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該方案的基礎(chǔ)是測(cè)量隧道的縱向應(yīng)變分布，所提出的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑺淼揽v向運(yùn)動(dòng)分解為剪切和彎曲分量，可以較好地分析隧道的變形性能。

1 工程概況

所監(jiān)測(cè)隧道緊鄰某基坑工程，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線距地鐵車站最近距離為17.1m，距區(qū)間隧道最近距離為18.9m，開挖基坑區(qū)段對(duì)應(yīng)的隧道長(zhǎng)度約210m，具體平面位置關(guān)系如圖1 所示，豎向位置關(guān)系如圖2 所示。

圖1 基坑與地鐵隧道平面位置示意Fig.1 Schematic diagram of plane position of foundation pit and subway structure

圖2 基坑與區(qū)間隧道豎向位置示意（單位： mm）Fig.2 Schematic diagram of vertical position of foundation pit and section tunnel（unit：mm）

2 既有地鐵結(jié)構(gòu)變形

外部基坑施工前，對(duì)既有隧道的垂直位移進(jìn)行了普查。垂直位移數(shù)據(jù)采用該段隧道永久結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)成果，結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)區(qū)段道床結(jié)構(gòu)的相對(duì)軌后垂直位移量在-59.8mm ～-9.0mm之間，上、下行線最大垂直位移量分別為-59.8mm、-43.6mm，平均垂直位移量分別為-27.4mm、-34.1mm。近3 個(gè)月上下行線平均沉降速率分別為-0.004mm／d、0.008mm／d，沉降趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，沉降變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)間段沉降數(shù)據(jù)Fig.3 Settlement data of monitoring section

對(duì)區(qū)間隧道476 環(huán)管片（下行831 環(huán)～1066環(huán)、上行837 環(huán)～1076 環(huán)）進(jìn)行了逐環(huán)收斂數(shù)據(jù)觀測(cè)，并與標(biāo)準(zhǔn)隧道（內(nèi)徑5.5m）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本區(qū)段的收斂值與設(shè)計(jì)值的差值在2.5mm ～67.7mm之間，盾構(gòu)管片均為水平直徑外擴(kuò)。隧道上下行線收斂最大值分別為65.0mm、67.7mm，其中大部分收斂在2cm ～6cm，分布相對(duì)集中。左右線隧道具體收斂變形如圖4 所示。

圖4 隧道收斂變形Fig.4 Convergence deformation of tunnel

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 橫斷面變形監(jiān)測(cè)

選取基坑開挖影響區(qū)段的盾構(gòu)隧道進(jìn)行橫斷面監(jiān)測(cè)，選擇6 個(gè)重點(diǎn)斷面分別布設(shè)2mm 和0.9mm光纖傳感器，同時(shí)從中選擇3 個(gè)典型重點(diǎn)斷面，其中兩個(gè)典型重點(diǎn)斷面加布光柵傳感器，另外一個(gè)典型重點(diǎn)斷面加布全分布光纖光柵串傳感器，全方面監(jiān)測(cè)隧道橫斷面的安全狀態(tài)。

對(duì)隧道橫斷面的監(jiān)測(cè)，著重探討隧道結(jié)構(gòu)在既有損傷情況下和外部深基坑施工擾動(dòng)條件下的力學(xué)行為。根據(jù)工程具體情況，監(jiān)測(cè)區(qū)段內(nèi)很多襯砌環(huán)的橫向收斂較大，且很多襯砌環(huán)頂部已出現(xiàn)多條貫通裂縫，表明隧道結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生了一定程度的損傷?？紤]到隧道的地質(zhì)環(huán)境較為軟弱，隨緊鄰基坑開挖隧道結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)程度的繼發(fā)變形，進(jìn)一步加劇既有隧道結(jié)構(gòu)的損傷狀況［1］。

監(jiān)測(cè)方法方面，重點(diǎn)采用光纖傳感器和光纖光柵傳感器（包括光纖光柵串傳感器）進(jìn)行隧道橫斷面監(jiān)測(cè)。光纖光柵串傳感器相較于傳統(tǒng)的單點(diǎn)光纖光柵傳感器，布設(shè)施工相對(duì)簡(jiǎn)單，操作難度低，施工速度快，適用于運(yùn)營(yíng)地鐵隧道施工工期很短的情況。采用光纖光柵串結(jié)合全分布式的光纖傳感器監(jiān)測(cè)方案可方便獲取隧道斷面全分布應(yīng)變，更加適合于地下結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)［5］。方案中布設(shè)的分布式光纖傳感器，結(jié)合全面粘貼布設(shè)和創(chuàng)新的柔性定點(diǎn)光纖傳感器布設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變、結(jié)構(gòu)裂縫寬度等的測(cè)量，也可與光纖光柵串測(cè)量結(jié)果形成對(duì)比，對(duì)測(cè)試手段的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 縱斷面變形監(jiān)測(cè)

對(duì)于基坑開挖影響區(qū)段的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱斷面監(jiān)測(cè)，采用全分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)方案，感知隧道結(jié)構(gòu)的縱向不均勻沉降、水平位移及變形模式組成等性能。

沿隧道縱斷面布置分布式定點(diǎn)光纖傳感器，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)縱向的分布式應(yīng)變并反演隧道縱斷面變形。這種方法優(yōu)點(diǎn)有：①自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，適用于隧道運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求；②分布式測(cè)量保證了對(duì)隧道關(guān)鍵區(qū)域的全面覆蓋，可獲取關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)任意截面的變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的精確定位，避免了傳統(tǒng)點(diǎn)式測(cè)量方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感的缺陷。

縱向分布式光纖傳感布設(shè)采用“Z”字形布設(shè)與直線型布設(shè)相結(jié)合的總體布設(shè)方案。在得到隧道縱向總體分布式變形的同時(shí)，還能將隧道的縱向變形模式進(jìn)行解耦，得到縱向變形中剪切變形模式與彎曲變形模式相應(yīng)的貢獻(xiàn)比率，從而加深對(duì)于隧道變形和病害發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為隧道縱向力學(xué)模型的參數(shù)標(biāo)定提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4 監(jiān)測(cè)方案

4.1 傳感器安裝

1.橫斷面變形監(jiān)測(cè)

本工程中，隧道結(jié)構(gòu)橫斷面的全分布式光纖傳感器布設(shè)方案見圖5。采用全面粘貼的安裝方式，將直徑2mm與直徑0.9mm 的光纖傳感器分別用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠全面粘貼在隧道管片內(nèi)壁上，其中，0.9mm的光纖傳感器在易開裂的管片拱頂區(qū)域全面粘貼，并進(jìn)行短標(biāo)距定點(diǎn)布設(shè)，如圖5 中的藍(lán)色線所示。此外，為了監(jiān)測(cè)接頭的變形情況，在隧道壁角落將2mm 光纖傳感器向回拉接，如圖5 中的紅色線所示，在接頭兩邊安裝輪錨。在輪錨間的接頭段，將光纖傳感器施加預(yù)拉力拉緊，在其他段，將光纖傳感器松弛的定點(diǎn)粘貼在隧道管片壁上。

圖5 橫斷面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)示意Fig.5 Layout of cross section sensor

光纖光柵串傳感器的布設(shè)方案，安裝與全分布式光纖傳感器類似，由于光纖光柵串本身就具有護(hù)套，故采用全面粘貼的方式安裝，一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上布設(shè)3 個(gè)光纖光柵串傳感器，中間用冗余光纖連接。

監(jiān)測(cè)斷面方面，選取6 個(gè)斷面進(jìn)行分布式光纖監(jiān)測(cè)，6 個(gè)斷面的環(huán)號(hào)分別為1000、1003、1004、1009、1025、1067，在其中選取2 +1 個(gè)重點(diǎn)斷面，2 個(gè)重點(diǎn)斷面在管片接縫處布設(shè)單個(gè)光柵，分別需要7 ～8 個(gè)光柵，其他位置用光纖傳感器監(jiān)測(cè)。另一個(gè)重點(diǎn)斷面布設(shè)光柵串傳感器，每個(gè)斷面布設(shè)3 根光纖光柵串傳感器、溫度補(bǔ)償傳感器及分布式光纖傳感器。

如圖5 所示，將布設(shè)在管片表面的傳感器與溫度補(bǔ)償傳感器的引出端埋入接線盒中，將二者在接線盒內(nèi)串聯(lián)。端頭被保護(hù)在線盒中，再將線盒中的線連入總線，傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)儀器。目的是當(dāng)其中任何一個(gè)傳感器出現(xiàn)損壞時(shí)，可以重新串聯(lián)，不影響其他區(qū)間的正常數(shù)據(jù)采集。

2.縱斷面變形監(jiān)測(cè)

縱斷面部分，傳感器沿縱向安裝在所需監(jiān)測(cè)的地鐵區(qū)間隧道管片內(nèi)，全長(zhǎng)大約100m，在隧道管片結(jié)構(gòu)的左右側(cè)布置。傳感器選用全分布式光纖傳感器，“Z”字形與直線型布設(shè)相結(jié)合，如圖6 所示，使用輪錨將全分布式光纖固定在隧道管片內(nèi)側(cè)，光纖在拐點(diǎn)處利用輪錨實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向及與結(jié)構(gòu)固接。

在布線的起始環(huán)位置，左右環(huán)分別設(shè)線盒用以保護(hù)傳感器的端頭，平時(shí)端頭被保護(hù)在線盒中，需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，將端頭從線盒中取出，用儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖6 縱向監(jiān)測(cè)布置Fig.6 Layout of longitudinal monitoring cross section

3.接縫寬度監(jiān)測(cè)

隧道管片受載變化會(huì)引起管片環(huán)內(nèi)接縫和環(huán)間接縫寬度的變化，同時(shí)接縫寬度變化與滲漏水有密切關(guān)系，接縫寬度的變化與隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形等狀態(tài)都有密切的關(guān)系。因此，監(jiān)測(cè)方案中也需要重點(diǎn)關(guān)注隧道管片環(huán)向接縫及縱向環(huán)間接縫寬度的變化。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度監(jiān)測(cè)，常規(guī)方法一般是通過人工觀測(cè)發(fā)現(xiàn)接縫寬度較大時(shí)，通過裂縫計(jì)進(jìn)行測(cè)量。在盾構(gòu)隧道的接縫測(cè)量中，這種方法受到很大限制，主要是由于盾構(gòu)隧道管片接縫數(shù)量很多，無法一一觀測(cè)，以及無法直接觀測(cè)到隧道接縫寬度的變化情況。實(shí)際上與接縫內(nèi)側(cè)寬度變化相比，接縫外側(cè)寬度的變化對(duì)于判斷滲漏水等具有更為重要的作用。分布式光纖傳感器可以監(jiān)測(cè)布設(shè)范圍內(nèi)所有接縫的內(nèi)側(cè)寬度變化。同時(shí)通過適當(dāng)?shù)牟荚O(shè)，可以通過某一截面的內(nèi)側(cè)寬度變化反推接縫外側(cè)寬度變化。

隧道管片的環(huán)向接縫及環(huán)間接縫寬度的變化可分別通過橫斷面和縱斷面布設(shè)的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，故不需重復(fù)布設(shè)。

4.溫度補(bǔ)償傳感器布設(shè)

布設(shè)一條光纖傳感器兼作橫向和縱向的溫度補(bǔ)償傳感器，采用定點(diǎn)粘貼的方式，用環(huán)氧樹脂膠粘貼在隧道管片內(nèi)壁上，具體布設(shè)方式如圖7所示。布設(shè)至需監(jiān)測(cè)的橫斷面處時(shí)，將縱向溫度傳感光纖沿所要監(jiān)測(cè)的斷面定點(diǎn)粘貼于隧道壁上，繞至隧道另一側(cè)繼續(xù)向前布設(shè)，以此類推，完成隧道縱向和橫向監(jiān)測(cè)斷面的溫度補(bǔ)償傳感器布設(shè)。

圖7 溫度補(bǔ)償傳感器布設(shè)Fig.7 Layout of temperature compensation sensor

4.2 信號(hào)處理

采用非接觸間接式測(cè)量方法，即沿管片結(jié)構(gòu)環(huán)向安裝分布式應(yīng)變傳感器，通過監(jiān)測(cè)管片結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)反演管片收斂變形演化。這種方法優(yōu)點(diǎn)如下：①不需要安裝專門的觀測(cè)儀器，只需要在隧道運(yùn)營(yíng)期僅需要對(duì)傳感器進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)和人工數(shù)據(jù)采集；②理論上可對(duì)管片環(huán)上任意角度的收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)信號(hào)通過線路傳輸?shù)降罔F站，在地鐵站內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，光纖光柵傳感器得到的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)解調(diào)器進(jìn)行采集處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；光纖部分使用BOTDR設(shè)備進(jìn)行采集。

4.3 監(jiān)測(cè)頻率

完成安裝后即可開始監(jiān)測(cè)，光纖光柵傳感器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，全分布光纖傳感器根據(jù)基坑工程進(jìn)度采集數(shù)據(jù)，關(guān)鍵時(shí)期提高監(jiān)測(cè)頻率［6］。傳感器布置如圖8 所示。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基于上述光纖傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案，在基坑開挖期間進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集工作，得到溫度補(bǔ)償后，左直線傳感器的累積分布應(yīng)變值數(shù)據(jù)如圖9 所示。從原始分布應(yīng)變可以看出，施加在裝置上的預(yù)張力在1200με 到近7000με 之間，而4次測(cè)量期間的應(yīng)變變化與施加的初始應(yīng)變相比非常小。直線傳感器的每個(gè)應(yīng)變剖面的總體趨勢(shì)大致相似。直線傳感器顯示出更一致的輪廓形狀，在不同時(shí)間采集的應(yīng)變?cè)谛螤钌鲜窍嗨频?。與本次監(jiān)測(cè)得到的“Z”字形傳感器相比，左直線傳感器的波動(dòng)更大。

圖8 隧道內(nèi)布設(shè)的“Z”字形和直線形傳感器Fig.8 Zigzag and linear sensors in tunnels

將隧道管片的應(yīng)變經(jīng)過自行編制的算法轉(zhuǎn)換求解，求得隧道管片彎曲變形和剪切變形量，并分別將彎曲變形和剪切變形分解為水平彎曲變形和豎向彎曲變形，以及水平剪切位移和豎向剪切位移，分別如圖10 和圖11 所示?？梢钥闯?，1023 環(huán)至1047 環(huán)豎向和水平向剪切位移和彎曲變形明顯，是整個(gè)監(jiān)測(cè)段隧道管環(huán)變形較大的部分，在后期巡檢及養(yǎng)護(hù)中需要予以重點(diǎn)關(guān)注。

圖9 左側(cè)直線布設(shè)的傳感器應(yīng)變值Fig.9 Strain values of sensors arranged in straight line on the left side

圖10 隧道管片彎曲變形Fig.10 Bending deformation of the tunnel

圖11 隧道管片剪切位移Fig.11 Shear deformation of the tunnel

6 結(jié)論

本文采用一種新的縱向光纖和光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)化布設(shè)方案，對(duì)緊鄰基坑工程的既有盾構(gòu)隧道在基坑開挖時(shí)的受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該技術(shù)是將光纖傳感器的直線和“Z”字形安裝方案相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道變形進(jìn)行彎曲變形和剪切變形解耦。通過對(duì)實(shí)測(cè)的分布應(yīng)變、環(huán)間位移和累積變形的監(jiān)測(cè)和分析，主要結(jié)論如下：

1.采用“Z”字形和直線形的全分布式光纖布設(shè)方案，可以有效地研究分析隧道結(jié)構(gòu)的變形性能和模式，是一種切實(shí)可行的布設(shè)技術(shù)方案。

2.光纖網(wǎng)絡(luò)傳感器的布設(shè)方案可以提供隧道縱向環(huán)間水平行為的詳細(xì)信息集，將隧道縱向運(yùn)動(dòng)有效分解為彎曲和剪切分量。詳細(xì)介紹了光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的安裝過程，提出了一種高效的安裝程序的建議。

3.監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示了盾構(gòu)隧道的縱向彎曲運(yùn)動(dòng)和剪切運(yùn)動(dòng)，表明隧道在縱向上表現(xiàn)出明顯的剪切變形，剪切運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)特征。