基于分布式光纖傳感技術(shù)的隧道變形監(jiān)測

潘同斌 魏紹軍 張 宇 孫寬堃

1. 青島益群地下城開發(fā)有限公司 山東 青島 264000 2. 京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 北京 100101

1 概述

隨著城市的發(fā)展以及地表空間資源的逐步緊張，地下空間開發(fā)的進程不斷加速，諸如地鐵等大型城市地下空間工程越來越多的出現(xiàn)。在地鐵隧道的施工和運營過程中，可能受到由于臨近地表加載卸載，保護區(qū)內(nèi)基坑開挖以及近距離隧道穿越等因素造成的土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響發(fā)生結(jié)構(gòu)沉降變形，導(dǎo)致安全問題，因此，需要對隧道結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測[1,2]。變形監(jiān)測是其中重要的監(jiān)測內(nèi)容。

針對大型盾構(gòu)隧道中的變形監(jiān)測，現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)主要分為：①精密水準(zhǔn)測量技術(shù)，憑借其測量精度高的特點，該技術(shù)在隧道監(jiān)測工作中已經(jīng)有了大量運用，但作業(yè)效率低，強度大，難以實現(xiàn)自動化；②全站儀技術(shù)，建立由全站儀等儀器組成的自動化系統(tǒng)對隧道變形進行監(jiān)測，該技術(shù)測量精度高，但其儀器價格昂貴，測點數(shù)量有限，空間連續(xù)性偏差；③三維激光掃描技術(shù)，該方法高效快速，自動化程度高，但精度不足?？偠灾?，現(xiàn)有的技術(shù)難以兼顧低成本大規(guī)模布設(shè)和準(zhǔn)確測量[3]。而分布式光纖傳感技術(shù)具有傳感距離大、穩(wěn)定性好、耐久性強等優(yōu)勢，在隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面前景廣闊。

在這些背景下，基于布里淵散射光頻域分析的分布式光纖傳感技術(shù)，在青島地鐵某線中受到臨近基坑開挖影響的某區(qū)段里設(shè)計并實施了分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。通過對地鐵隧道監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、處理和分析，可對在本區(qū)段地鐵隧道的運營階段進行監(jiān)測分析，并取得了優(yōu)良的效果。

2 工程概況

監(jiān)測區(qū)間沿線的地勢相對平穩(wěn)，地面高程3.33-6.25m變化不大，地表主要分布厚度1.0-6.7m的第四系全新統(tǒng)人工填土，下伏基巖為燕山晚期閃長巖，局部可見花崗斑巖呈脈狀產(chǎn)出，局部受構(gòu)造作用影響發(fā)育構(gòu)造巖花崗斑巖（塊狀碎裂巖），強風(fēng)化層厚4.30-26.00m；隧道洞身穿越強風(fēng)化閃長巖地層，地下水主要為巖裂隙水，多為弱透水層，水量較貧，局部接力裂隙發(fā)育，受構(gòu)造影響破碎帶裂隙水含量豐富。

監(jiān)測區(qū)段隧道采用復(fù)合式盾構(gòu)開挖，起點里程為K16+975.000，終點里程為K17+917.9，左線全長為805.402m，右線全長為813.000m，左右線均為單洞單線隧道，兩線隧道中軸線間距14m。在地鐵保護區(qū)內(nèi)基坑開挖施工過程中，對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，通過對分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全，保證其正常使用。

3 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的實施與運行

3.1 分布式光纖傳感原理

分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是基于布里淵散射原理發(fā)展而來的。布里淵散射是光在光纖內(nèi)傳輸引起的一種散射現(xiàn)象[4,5]。受激布里淵散射的條件是：從待測光纖兩端射入其中的直流連續(xù)光和脈沖泵浦光的頻率差值與待測光纖某區(qū)域產(chǎn)生的布里淵頻移值相等。當(dāng)受激布里淵散射發(fā)生時，該區(qū)域的布里淵散射光信號強度會出現(xiàn)放大或縮小。通過分析布里淵增益譜，可以確定待測光纖該區(qū)域的布里淵頻移值，再通過光纖各區(qū)域發(fā)生的布里淵頻移與結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變之間的關(guān)系，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變信息的測量。因此，可用來進行應(yīng)變或溫度測量[6,7]?；谑芗げ祭餃Y散射機理的測量系統(tǒng)稱為BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）。

布里淵增益譜一般利用洛倫茲曲線進行擬合，下式為擬合曲線的函數(shù)表達式：

式中——光纖的折射率

式中——光纖的介質(zhì)的彈性模量

當(dāng)光纖附著結(jié)構(gòu)溫度或者應(yīng)變變化時，光纖的介質(zhì)的彈性模量，介質(zhì)比和密度都會發(fā)生變化，導(dǎo)致聲波波速的變化，即導(dǎo)致布里淵頻移數(shù)值的變化。整理(2)(3)式可建立布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系表達式：

式中——光纖應(yīng)變

式(4)表明布里淵頻移值和結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)變有關(guān)?？紤]這種關(guān)系，可以將布里淵頻移的增量用下式表示：

根據(jù)式(5)，經(jīng)過定壓實驗和定溫實驗，可以確定溫度和應(yīng)變影響系數(shù)，進而確定布里淵頻移與溫度變化量和應(yīng)變變化量的關(guān)系。

3.2 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的安裝

軌道板變形采用應(yīng)變溫度復(fù)合感測光纜，采用粘貼在軌道板兩側(cè)方式進行安裝布設(shè)，本次監(jiān)測區(qū)間長度為500m。

安裝過程分為三步：

1）打磨除塵：軌道板混凝土需去除表面污漬，油脂等，確保粘貼位置干凈整潔。

2）涂覆底膠：為提高光纖與結(jié)構(gòu)的粘合度，需在隧道結(jié)構(gòu)上刷底膠粘結(jié)劑涂層作為傳感光纖的鋪設(shè)路徑。涂膠寬度為5cm。

3）布設(shè)光纖：在底膠涂刷區(qū)域?qū)鞲泄饫w水平粘貼，避免光纖彎曲；而后，還需在傳感光纖上再刷面膠粘結(jié)劑涂層，保證光纖與軌道板良好粘合。

3.3 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

自2021年5月10日對分布式光纖的安裝調(diào)試完成，共獲得15次有效的數(shù)據(jù)采集。

利用儀器自帶的采集軟件進行光纖數(shù)據(jù)采集時，步進5.2cm獲得一個測值。運用采集軟件完成光纖測量后，由于存在松弛段的非有效測量的光纖數(shù)據(jù)，需要從全局約15800個數(shù)據(jù)點中提取得到有效的部分數(shù)據(jù)點，如圖1所示。

圖1 有效數(shù)據(jù)提取過程示意（04月22日有效數(shù)據(jù)-應(yīng)變量縱向分布曲線）

在采集的數(shù)據(jù)中，應(yīng)變量基本穩(wěn)定在400-600με區(qū)間之內(nèi)，這與一般的光纖監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存在明顯差異，整體上數(shù)值偏大。通過分析，認為光纖在安裝時，進行了拉緊操作，使光纖發(fā)生了初始的應(yīng)變，以至于采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)較大的應(yīng)變值。故需要對提取數(shù)據(jù)進行處理：

3.3.1 數(shù)據(jù)點上數(shù)據(jù)的確定和優(yōu)化

由于測量數(shù)據(jù)存在一定的噪聲，為了提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，同時排除無效異常值帶來的影響，將連續(xù)的5個（5-10個）分布式光纖測點的測量數(shù)據(jù)求平均，作為一個有效的應(yīng)變測點測量數(shù)據(jù)。最終得到1321個應(yīng)變測點數(shù)據(jù)。

3.3.2 累計應(yīng)變的處理

在隧道工程中，位移（變形）的積累量以及位移（變形）的變化速率相對于位移（變形）數(shù)據(jù)本身更具有說服力。將最早一次的測量數(shù)據(jù)作為累計變量的基礎(chǔ)，計算后續(xù)數(shù)據(jù)的相對第一天的應(yīng)變情況，計算累計應(yīng)變，得到各測點的累計微應(yīng)變時程曲線，計算微應(yīng)變的積累量值以及相應(yīng)的變化速率，并以此為基礎(chǔ)來評價隧道的安全情況。

通過上述各步的數(shù)據(jù)處理，可以得到隧道各個測點對應(yīng)的應(yīng)變變化時程曲線，以及相對累計應(yīng)變的變化速率時程曲線。由于數(shù)據(jù)量過大，選取隧道中18個關(guān)鍵斷面（記為Y01-Y18），從光纖數(shù)據(jù)中提取出對應(yīng)的光纖測點數(shù)據(jù)進行示意。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵測點處累計應(yīng)變變化時程曲線

圖3 隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵測點處累計應(yīng)變變化速率時程曲線

3.4 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)分析總結(jié)

監(jiān)測過程中隧道結(jié)構(gòu)累計應(yīng)變穩(wěn)定在-35με-35με之間，各測點最終累計應(yīng)變最大值為+19.13με（Y12測點，2021年9月2日即最后一次測得數(shù)據(jù)）；累計應(yīng)變最大值為+34.42με（Y13測點，2021年4月28日測得）；數(shù)據(jù)采集間隔期間累計相對應(yīng)變的變化速率最大值為5.52με/day；且呈現(xiàn)前期變化速率較大，后期變化速率較小的趨勢；監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于正常范圍。

通過對光纖監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理分析，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)在臨近基坑開挖過程中沒有出現(xiàn)較大的變形，隧道的整體安全狀況良好?？梢哉J為，該地鐵隧道區(qū)段布設(shè)實施的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)在臨近基坑開挖過程中保證了地鐵運營的安全。

4 結(jié)論

為了實時監(jiān)測臨近基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，在隧道結(jié)構(gòu)中設(shè)計實施了分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。通過隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析，保證了臨近基坑開挖過程中地鐵隧道的運營安全。本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過實際工程的實踐，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，具有如下的優(yōu)點：

1）分布式光纖傳感技術(shù)的傳感距離較長，且體積小巧便于鋪設(shè)，十分適合隧道等大型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測需要；

2）分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的兩相鄰傳感點的間距較小，傳感點數(shù)量較大，空間上的連續(xù)性較好，監(jiān)測結(jié)論易被實際工程接受；

3）分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，基本不受地鐵運營窗口期的限制，能夠很好符合監(jiān)測工作的要求，可以完成全天候自動監(jiān)測的任務(wù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

本監(jiān)測項目的成功實施，表明分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中效果良好且有著較好地推廣與使用價值，同時也對于累積智能化監(jiān)測經(jīng)驗、提升監(jiān)測技術(shù)水平、維護地鐵隧道的運營安全等方面有著重要意義。