基于光纖傳感的盾構(gòu)隧道收斂變形監(jiān)測(cè)研究★

孫晶晶　唐永圣

(1.南京長(zhǎng)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)

基于光纖傳感的盾構(gòu)隧道收斂變形監(jiān)測(cè)研究★

孫晶晶1唐永圣2

(1.南京長(zhǎng)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:基于光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)，建立了盾構(gòu)隧道收斂變形的監(jiān)測(cè)方法，提出了長(zhǎng)標(biāo)距光纖傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，建立了應(yīng)變反演收斂變形的理論方法，通過室內(nèi)足尺盾構(gòu)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性，指出光纖傳感在穩(wěn)定性、耐久性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道，收斂變形，光纖光柵，長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

近年來，為了解決城市交通擁堵的問題，我國(guó)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(cè)［2］，保障設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)。但是，現(xiàn)有技術(shù)如自動(dòng)跟蹤全站儀觀測(cè)［3］、自動(dòng)化近景攝影技術(shù)［4］和點(diǎn)式直接測(cè)量技術(shù)［5］等，因技術(shù)、成本等方面的限制，無法滿足盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。因此，開發(fā)適合盾構(gòu)隧道收斂變形長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的新方法成為隧道工程領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。

光纖光柵技術(shù)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、傳感器系統(tǒng)集成性優(yōu)等特點(diǎn)，近來不斷被引入隧道工程的監(jiān)測(cè)［6］?；诠饫w光柵技術(shù)，本文提出了盾構(gòu)隧道收斂變形監(jiān)測(cè)的新方法，并通過足尺模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　光纖光柵傳感技術(shù)

布拉格光纖光柵FBG( Fiber Bragg Grating) (如圖1所示)的基本傳感原理是:當(dāng)寬帶入射光在光柵中傳輸時(shí)，入射光將在相應(yīng)的波長(zhǎng)上被反射回來，該波長(zhǎng)與光柵周期Λ線性相關(guān)，而發(fā)生在柵區(qū)的應(yīng)變會(huì)改變光柵周期Λ，因此，通過檢測(cè)反射光的波長(zhǎng)變化就能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量。

圖1　光纖光柵的傳感結(jié)構(gòu)

因光纖易脆斷，故FBG一般需要進(jìn)行封裝后才能應(yīng)用。本文中采用纖維復(fù)合材料封裝FBG(見圖2)，并形成長(zhǎng)標(biāo)距傳感，直徑僅為1 mm，長(zhǎng)度可達(dá)1 m，適合在隧道弧面布設(shè)。

圖2　光纖光柵的傳感器

該傳感器的典型應(yīng)變傳感性能如圖3所示，線性傳感特征優(yōu)良，可重復(fù)性好。

圖3　應(yīng)變傳感性能

2　應(yīng)變反演收斂變形的監(jiān)測(cè)方法

盾構(gòu)隧道在外部荷載下產(chǎn)生收斂變形，該變形包括兩部分: 1)管片的應(yīng)力變形; 2)管片在接縫處相對(duì)錯(cuò)位或轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的剛體位移。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，管片的應(yīng)力變形可以通過式( 1)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于盾構(gòu)隧道，收斂主要是由于彎曲變形引起。因此，可忽略后兩項(xiàng)。

其中，εM，εN和εQ分別為彎曲應(yīng)變、軸力應(yīng)變和剪切應(yīng)變; 珚M，珚N和珚Q分別為虛彎矩、虛軸力和虛剪力。管片在接縫處產(chǎn)生的剛體位移，可以通過監(jiān)測(cè)接縫的變化，利用幾何方法實(shí)施計(jì)算。

3　盾構(gòu)隧道收斂變形的試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)概況

結(jié)合試驗(yàn)條件，選擇某城際軌道交通工程的中埋段兩塊標(biāo)準(zhǔn)塊拼裝成試驗(yàn)構(gòu)件并實(shí)施靜態(tài)加載。管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，壁厚0.35 m。管片側(cè)面設(shè)置用于拼裝的凹凸槽，采用高強(qiáng)螺栓實(shí)施連接，螺栓直徑為30 mm。拼裝后，跨度為5.4 m，高2.1 m，寬1.2 m。

試驗(yàn)中，通過錨桿將試件固定在混凝土地板上，在端部可轉(zhuǎn)動(dòng)，且可在水平向有一定約束性的位移，即設(shè)計(jì)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( 100 t)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)。盾構(gòu)管片試件及試驗(yàn)裝置見圖4。

為了光纖傳感器，將內(nèi)側(cè)圓弧按弧長(zhǎng)0.5 m等分為11個(gè)單元，編號(hào)依次E1～E11，其中接縫處于E6的中間。傳感器布設(shè)時(shí)采用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑，提高粘結(jié)效果。作為對(duì)比，采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)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(cè)量。

圖4　盾構(gòu)管片試件及試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)中，以豎向位移的數(shù)值作為加載控制值，按照規(guī)范中的2%D作為收斂控制值，本試件約為半圓，因此位移達(dá)到62 mm即認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到極限。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1應(yīng)變分布

通過FBG傳感器，可測(cè)量結(jié)構(gòu)各單元的應(yīng)變。作為比較，按照曲梁模型計(jì)算了各級(jí)荷載下的理論應(yīng)變分布。結(jié)果如圖5和圖6所示，表明光纖測(cè)量的應(yīng)變趨勢(shì)與理論值一致，數(shù)值接近。

圖5　典型應(yīng)變分布結(jié)果

圖6　典型單元E3的應(yīng)變結(jié)果

3.2.2接縫縫寬

通過E6的應(yīng)變測(cè)量值(如圖7所示)，可獲得接縫縫寬變化的信息，其結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，光纖評(píng)估的縫寬變化與游標(biāo)卡尺的實(shí)測(cè)值接近，誤差可控制在0.1 mm內(nèi)，滿足隧道監(jiān)測(cè)要求。

圖7　接縫處應(yīng)變結(jié)果

3.2.3收斂變形

針對(duì)本試驗(yàn)的具體情況，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成具有水平彈簧約束和中間彈簧鉸的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行應(yīng)變反演收斂時(shí)，進(jìn)一步將模型拆分成兩部分進(jìn)行計(jì)算:模型部分Ⅰ，兩端鉸接的曲梁模型，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的收斂變形，計(jì)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，兩根曲梁鉸接的模型，水平向無約束，該模型實(shí)際上是一種機(jī)構(gòu)，僅用于計(jì)算中間鉸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的頂部幾何豎向位移，計(jì)算中輸入中間鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而該角度通過E6的應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

圖8　接縫寬度變化結(jié)果

本試驗(yàn)中的收斂變形是頂部的豎向位移，其計(jì)算結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，光纖評(píng)估的收斂變形與位移計(jì)實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)一致，數(shù)值接近。當(dāng)然，在某些階段存在誤差，其范圍為－5 mm～2 mm，分析其原因主要有: 1)簡(jiǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)收斂的影響。在隧道管養(yǎng)中一般以厘米級(jí)的收斂變形來預(yù)警，因此，本文中所提方法的評(píng)估精度可滿足實(shí)際工程需求。

圖9　收斂變形測(cè)量結(jié)果

進(jìn)一步分析兩部分模型所計(jì)算的變形在總收斂變形中的比例，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(cè)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(cè)。

4　結(jié)語

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)，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)其實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)存在困難，本文引入先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，建立盾構(gòu)隧道收斂變形的監(jiān)測(cè)方法，并通過足尺模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過本文的研究，獲得一些主要結(jié)論如下:

1)利用所提出的光纖傳感技術(shù)，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(cè)量的誤差可控制在0.1 mm以內(nèi)。

2)利用所提出的光纖傳感技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道收斂變形的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，精度滿足工程評(píng)估、預(yù)警的需求。

3)管片接縫變化對(duì)收斂變形的影響大，在實(shí)際監(jiān)測(cè)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(cè)。

考慮到光纖傳感在穩(wěn)定性、耐久性以及系統(tǒng)集成性方面的優(yōu)勢(shì)，本方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

［1］王志良，申林方，劉國(guó)彬.運(yùn)營(yíng)地鐵隧道收斂變形對(duì)接頭性能影響的研究［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，38( 2) :38-43.

［2］劉勝春，張頂立，黃俊，等.大型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7( 4) : 741-748.

［3］黃小平，楊新安，雷震宇，等.地鐵運(yùn)營(yíng)隧道收斂變形分析［J］.城市軌道交通研究，2009，12( 3) :55-58.

［4］劉燕萍，程效軍，賈東峰.基于三維激光掃描的隧道收斂分析［J］.工程勘察，2013( 3) :74-77.

［5］李玉寶，沈志敏，蘇明，等.地鐵盾構(gòu)隧道收斂和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，43 (Ⅱ) :296-301.

［6］魏綱，蘇勤衛(wèi)，邢建見，等.基于光纖光柵技術(shù)的海底沉管隧道管段應(yīng)變研究［J］.巖土力學(xué)，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，F(xiàn)iber Bragg Grating，long-gauge strain sensor，structural monitoring

作者簡(jiǎn)介:孫晶晶(1984-)，男，工程師;唐永圣(1982-)，男，講師

收稿日期:2015-11-27★:江蘇省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2014T14);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):51508364);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):BK20150333);江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào): 14KJB580009)

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0165-03

中圖分類號(hào):U456.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A