新型光纖傳感器監(jiān)測(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形分析

杜海軍，丁 智，段月輝，徐 兵，江 濤，董毓慶

(1. 浙江煤炭測(cè)繪院有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙大城市學(xué)院 工程學(xué)院，浙江 杭州 310015；3. 浙江煤炭地質(zhì)局，浙江 杭州 310020；4. 杭州合躍科技有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310005)

近年來(lái)，隨著地下軌道交通的快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)的地鐵線路越來(lái)越多，同時(shí)城市化進(jìn)程導(dǎo)致臨近工程不斷增加，將加劇既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形，導(dǎo)致隧道滲漏水、裂縫、管片破損、道床脫開(kāi)等結(jié)構(gòu)病害逐漸增加[1]。為解決現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)地鐵隧道中對(duì)于道床脫開(kāi)、管片張開(kāi)等隧道病害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段匱乏的窘境，結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文研發(fā)了一種光纖光柵傳感器，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于杭州2號(hào)線地鐵朝陽(yáng)站出入場(chǎng)線區(qū)段，用于監(jiān)測(cè)該區(qū)段的道床脫開(kāi)、道床伸縮縫及管片張開(kāi)量的監(jiān)測(cè)。研究成果有利于今后隧道結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展，其研究意義重大。

1 高精度光纖光柵傳感器

1.1 傳感器簡(jiǎn)介

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)是二十世紀(jì)末興起的新一代集光子學(xué)、電子電路、計(jì)算機(jī)、軟件等多項(xiàng)高科技為一體的傳感技術(shù)，光纖光柵傳感技術(shù)由于自身的特點(diǎn)適合于緩慢持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，已逐步在土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用[2]。

滾軸式光纖光柵裂縫傳感器[3]和溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器[4]作為傳統(tǒng)光纖光柵傳感器，有很多弊端。滾軸式光纖光柵裂縫傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件安裝不便，且該傳感器為單光柵結(jié)構(gòu)，無(wú)法消除溫度帶來(lái)的影響，而溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器雖然解決了溫度補(bǔ)償問(wèn)題，但由于內(nèi)部彈簧長(zhǎng)期承受形變，使用壽命有限，不僅存在失效的可能，還影響長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè)的連貫性。而本研究所采用的光纖光柵變形傳感器利用差動(dòng)法將兩個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)變化差值輸出被測(cè)物體位移測(cè)量信號(hào)，即可消除溫度和應(yīng)變交叉敏感的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償；此外，作為監(jiān)測(cè)元件的半圓環(huán)彈性片自身具備伸縮彈性，不需再另外設(shè)置復(fù)位彈簧，提高了傳感器在施工檢測(cè)中的存活率，還可應(yīng)用于建筑以及水壩方面的結(jié)構(gòu)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)解決現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命有限等問(wèn)題，再結(jié)合信息化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，組成一套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

光纖光柵傳感器的原理是將來(lái)自光源的光通過(guò)光纖傳入調(diào)制器，當(dāng)其待測(cè)的物理量發(fā)生變化時(shí)，該測(cè)量區(qū)域光纖中光的光學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而后調(diào)制的光信號(hào)最后會(huì)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并與之前的信號(hào)相比較來(lái)判斷監(jiān)測(cè)物理量的變化[5]。因此，光纖傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性。常見(jiàn)的光纖光柵變形傳感器的測(cè)量范圍均為零至某一正向數(shù)值，而工程實(shí)際中，被測(cè)對(duì)象的變形往往會(huì)在零值左右波動(dòng)，這就需要先將傳感器拉伸至某一數(shù)值，并將該數(shù)值作為“零點(diǎn)值”，使傳感器具備在“零點(diǎn)值”左右測(cè)量的能力。但如此設(shè)置，傳感器內(nèi)部的彈性元件實(shí)際上在所謂的“零點(diǎn)值”時(shí)已經(jīng)處于變形狀態(tài)，易導(dǎo)致彈性元件蠕變，不利于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。而本研究所采用的光纖光柵變形傳感器通過(guò)將兩個(gè)光纖光柵(FBG1和FBG2)分別粘貼布置在兩個(gè)彈性梁的表面，從而形成正負(fù)向變形分別測(cè)量、互相溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。傳感器主體部分長(zhǎng)176 mm、寬50 mm，量程為-50～50 mm，其余傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 光纖光柵變形傳感器基本性能參數(shù)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝方法如圖1所示，圖1(b)為傳感器進(jìn)行伸縮縫和接頭環(huán)縫變形測(cè)量時(shí)的安裝方法，配套的拉桿固定夾具和傳感器分別位于被測(cè)縫隙的兩側(cè)并通過(guò)膨脹螺栓固定，當(dāng)被測(cè)細(xì)縫發(fā)生傳感器軸向方向變形時(shí)，傳感器即可監(jiān)測(cè)到被測(cè)區(qū)域的相對(duì)變形。

圖1 伸縮縫和接頭環(huán)縫變形測(cè)量方法與安裝示意圖

為了應(yīng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)中不同的安裝環(huán)境和安裝需求，研發(fā)人員專門(mén)設(shè)計(jì)了用于道床和襯砌相對(duì)變形監(jiān)測(cè)的“延伸式”安裝裝置，如圖2所示。該裝置一端通過(guò)螺母固定于圓形襯砌上，延伸桿托起光纖光柵變形傳感器，將傳感器的監(jiān)測(cè)桿固定在被測(cè)物體上，即可測(cè)得被測(cè)物體在傳感器軸向方向上的相對(duì)位移。同時(shí)，傳感器端的角度可以自由調(diào)整，從而解決襯砌壁傾斜角度不確定而引起的安裝問(wèn)題。

圖2 用于道床和襯砌相對(duì)變形監(jiān)測(cè)的配套安裝裝置

通過(guò)室內(nèi)測(cè)試后，測(cè)得該光纖光柵變形傳感器的量程為±50 mm，室內(nèi)測(cè)試結(jié)果中，傳感器以全量程測(cè)量輸出特性y=46.272 7+29.458 2x(y為波長(zhǎng)漂移量，x為測(cè)試變形量)，得到傳感器的靈敏度為29.458 2 pm/mm，按照光纖光柵解調(diào)器的長(zhǎng)期精度為±10 pm估算，理論精度為10/29.458 2=0.339 mm。蠕變是影響傳感器長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度與穩(wěn)定性的重要因素之一[6]。在傳感器蠕變測(cè)試中，通過(guò)對(duì)傳感器施加固定變形值并保持40 min以上，結(jié)果表明：傳感器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性很好，說(shuō)明該新型傳感器具有良好的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)適用性。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本項(xiàng)目依托工程為杭州地鐵2號(hào)線朝陽(yáng)站，隧道臨近蕭山蜀山街道2號(hào)線末站上蓋綜合體。該綜合體地下為兩層地下室，基坑開(kāi)挖深度為10.5 m，與隧道最近距離為16 m，與臨近車站主體結(jié)構(gòu)最近處為12 m，基坑采用分區(qū)開(kāi)挖來(lái)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與周邊土體沉降[7]，進(jìn)而保護(hù)臨近地鐵設(shè)施安全。該工程臨近的2號(hào)線出入場(chǎng)線區(qū)間有較大沉降，出現(xiàn)了管片張開(kāi)與道床脫開(kāi)等病害現(xiàn)象，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握隧道變形情況以保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)的行車安全。

2.2 隧道內(nèi)傳感器布設(shè)情況

監(jiān)測(cè)總體安裝如圖3所示，主要監(jiān)測(cè)兩個(gè)斷面處的道床與襯砌的相對(duì)變形、兩個(gè)斷面處的管片接頭環(huán)縫和道床伸縮縫，通過(guò)打孔、膨脹螺栓，最后，再用AB膠封裝螺母的方式，將各個(gè)傳感器安裝至指定位置，具體傳感器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布置方案如表2所示。

圖3 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)1:1三維示意圖

表2 傳感器測(cè)項(xiàng)及位置統(tǒng)計(jì)表

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 傳感器單日監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

各傳感器安裝初期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)程圖如圖4所示，圖中數(shù)據(jù)采集頻率為一秒一次。由圖可知，傳感器自安裝之后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)穩(wěn)定在0.002～0.003 mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)的病害監(jiān)測(cè)需求，如隧道裂縫監(jiān)測(cè)、伸縮縫監(jiān)測(cè)、道床脫開(kāi)監(jiān)測(cè)。傳感器的頻率設(shè)定為一秒一次，單日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)次數(shù)可達(dá)86 400次，可實(shí)現(xiàn)“高精度、高頻率密集監(jiān)測(cè)”的監(jiān)測(cè)要求。

圖4 光纖光柵傳感器單日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

從單日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，12月9日，臨近隧道的B1區(qū)此時(shí)正在進(jìn)行第二層土體開(kāi)挖，開(kāi)挖深度僅6 m，對(duì)于臨近隧道結(jié)構(gòu)影響尚不明顯，因此，1號(hào)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)變化規(guī)律趨于平穩(wěn)。隨著基坑開(kāi)挖，12月27日，此時(shí)，B1區(qū)已基本完成開(kāi)挖工程，開(kāi)始澆筑底板，各傳感器均出現(xiàn)了較為明顯的數(shù)據(jù)波動(dòng)，其中，1號(hào)傳感器的變化最為明顯，數(shù)據(jù)變化在0.016 mm左右，其余傳感器均出現(xiàn)了0.003～0.006 mm的數(shù)據(jù)波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)傳感器已受到臨近基坑開(kāi)挖的影響，并能夠反映監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的變形情況。

3.2 隧道變形結(jié)果分析

3.2.1 隧道結(jié)構(gòu)變形

傳感器所處環(huán)段的隧道結(jié)構(gòu)位移隨時(shí)間變化如圖5所示，圖中水平位移的正值代表向基坑方向位移，負(fù)值代表向背離基坑方向位移；沉降中正值代表隆起，負(fù)值代表沉降。由圖可知，該環(huán)段的隧道結(jié)構(gòu)整體處于“向基坑位移并下沉”的狀態(tài)，同時(shí)，隧道水平方向處于被拉伸、收斂增大的狀態(tài)。雖然該區(qū)段隧道并非緊鄰B1區(qū)基坑，但仍處于50 m影響范圍之內(nèi)，整體變形規(guī)律與魏綱等[8]總結(jié)的影響規(guī)律相近。

圖5 傳感器所處環(huán)段隧道結(jié)構(gòu)變形時(shí)程圖

3.2.2 道床脫開(kāi)監(jiān)測(cè)

隧道結(jié)構(gòu)中道床脫開(kāi)量隨時(shí)間變化如圖6所示，圖中紅色數(shù)據(jù)即表示該傳感器位于靠近基坑一側(cè)，正值表示道床與襯砌相互遠(yuǎn)離，負(fù)值表示道床與襯砌相互靠近。由圖可知，1號(hào)、2號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)的25環(huán)處的道床脫開(kāi)數(shù)據(jù)主要是從12月28日后，30環(huán)處的4號(hào)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則是從12月20日開(kāi)始逐步增長(zhǎng)，而6號(hào)傳感器則基本保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，道床脫開(kāi)量的變化規(guī)律并不明顯，不同環(huán)段之間的變化規(guī)律存在明顯差異，而同一環(huán)的兩側(cè)也并不相同，與張金紅等[9]人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定差異。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)道床脫開(kāi)變形時(shí)程圖

3.2.3 管片接頭環(huán)縫監(jiān)測(cè)

隧道結(jié)構(gòu)中管片接頭環(huán)縫張開(kāi)量隨時(shí)間變化如圖7所示，圖中紅色數(shù)據(jù)即表示該傳感器位于靠近基坑一側(cè)，正值表示管片環(huán)縫張開(kāi)，負(fù)值表示管片環(huán)縫收縮。由圖可知，兩側(cè)管片張開(kāi)量變化具有較為明顯的對(duì)稱性，以-0.008 mm為對(duì)稱軸，臨近基坑的7號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要以負(fù)值為主，遠(yuǎn)離基坑的3號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要以正值為主，且有增大的趨勢(shì)。這是由于隧道結(jié)構(gòu)處于基坑開(kāi)挖面下約5 m左右，根據(jù)鄭剛等[10]的研究結(jié)論：此時(shí)隧道處于水平位移區(qū)，隧道變形以水平位移為主。臨近基坑一側(cè)的管片表現(xiàn)為外側(cè)張開(kāi)，內(nèi)側(cè)收縮，而遠(yuǎn)離基坑一側(cè)則是內(nèi)側(cè)張開(kāi)，外側(cè)收縮。

圖7 管片張開(kāi)量變化時(shí)程圖

3.2.4 傳感器監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性分析

在傳感器監(jiān)測(cè)時(shí)段，所監(jiān)測(cè)環(huán)段的隧道結(jié)構(gòu)整體處于“向基坑位移并下沉”的狀態(tài)，同時(shí)，隧道水平方向處于被拉伸、收斂增大的狀態(tài)。道床脫開(kāi)變化整體趨勢(shì)與隧道結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)是一致的，在隧道變形時(shí)間內(nèi)，所監(jiān)測(cè)到的道床變形呈現(xiàn)出相同的變形趨勢(shì)，可以看出，該光纖光柵傳感器能夠反映道床變形的相應(yīng)趨勢(shì)。管片接頭環(huán)縫的變形量呈現(xiàn)的對(duì)稱性也說(shuō)明該傳感器在監(jiān)測(cè)數(shù)值上是相對(duì)精準(zhǔn)的，因此才能表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱性。隧道結(jié)構(gòu)變形及傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從12月20日后的增量倍數(shù)圖如圖8所示，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為隧道結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，連線為傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖可知，其中用于監(jiān)測(cè)管片張開(kāi)的3號(hào)傳感器自身初始數(shù)據(jù)過(guò)小，導(dǎo)致后續(xù)增長(zhǎng)倍率過(guò)大，其余傳感器均與隧道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)相似。

圖8 隧道結(jié)構(gòu)變形增量倍數(shù)時(shí)程圖

總體而言，現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出趨勢(shì)上的相近，而在具體數(shù)值上未顯現(xiàn)較為明顯的邏輯關(guān)系，原因主要有兩點(diǎn)：一是本工程隧道變形小，其中，豎向位移變形小于1.8 mm，水平位移變形量小于1.2 mm，收斂變形小于0.6 mm，結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)變形多數(shù)小于0.1 mm，因此，其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律相對(duì)不明顯，受到多種因素影響；二是由于道床脫開(kāi)、伸縮縫變形及管片張開(kāi)量與隧道結(jié)構(gòu)變形之間存在較為復(fù)雜的聯(lián)系，除隧道結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移外，隧道結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變形、臨近環(huán)段的差異位移等都會(huì)造成以上病害。但從整體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上來(lái)看，道床脫開(kāi)、伸縮縫變形及管片張開(kāi)量與隧道結(jié)構(gòu)變形之間仍存在一定的相關(guān)性，說(shuō)明該光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)隧道病害監(jiān)測(cè)中對(duì)于道床脫開(kāi)、伸縮縫張開(kāi)等常見(jiàn)病害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的空缺，研究出一種光纖光柵變形傳感器，并應(yīng)用于杭州地鐵2號(hào)線朝陽(yáng)站，得出如下結(jié)論：

(1)本文所研究的光纖光柵傳感器具備性能優(yōu)良、監(jiān)測(cè)精度高、穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，配套裝置可以使傳感器滿足不同的安裝條件，對(duì)于我國(guó)地鐵隧道精細(xì)化、數(shù)字化、信息化管理有著重大意義。

(2)該傳感器在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工程中，各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，與臨近工程施工情況相吻合，說(shuō)明該傳感器能夠很好地反映監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形情況，也說(shuō)明在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，所監(jiān)測(cè)病害并未出現(xiàn)顯著惡化。

(3)通過(guò)實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)變形中道床沉降的變形規(guī)律尚不明顯，與自身變形量級(jí)小且影響因素多有關(guān)，但整體仍隨著隧道結(jié)構(gòu)變形的增大而增大。

基于本項(xiàng)目研究過(guò)程及研究結(jié)果中的不足，提出以下幾點(diǎn)建議與展望：

(1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，由于地鐵運(yùn)行的限界要求和較為惡劣的監(jiān)測(cè)環(huán)境，在保證監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性的前提下，如何進(jìn)一步縮小傳感器尺寸及傳感器保護(hù)是需要解決的問(wèn)題。

(2)在此高精度儀器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于人工復(fù)核的精度往往難以達(dá)到光纖光柵傳感器的實(shí)際測(cè)量精度，對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性缺乏數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在后續(xù)研究中可進(jìn)一步探索對(duì)于該類高精度傳感器的復(fù)核方案設(shè)計(jì)。