新型光纖傳感器監測地鐵隧道結構變形分析

杜海軍，丁 智，段月輝，徐 兵，江 濤，董毓慶

(1. 浙江煤炭測繪院有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙大城市學院 工程學院，浙江 杭州 310015；3. 浙江煤炭地質局，浙江 杭州 310020；4. 杭州合躍科技有限責任公司，浙江 杭州 310005)

近年來，隨著地下軌道交通的快速發展，運營的地鐵線路越來越多，同時城市化進程導致臨近工程不斷增加，將加劇既有地鐵隧道結構的變形，導致隧道滲漏水、裂縫、管片破損、道床脫開等結構病害逐漸增加[1]。為解決現階段運營地鐵隧道中對于道床脫開、管片張開等隧道病害自動化監測手段匱乏的窘境，結合光纖光柵傳感技術的優勢，本文研發了一種光纖光柵傳感器，并將該系統應用于杭州2號線地鐵朝陽站出入場線區段，用于監測該區段的道床脫開、道床伸縮縫及管片張開量的監測。研究成果有利于今后隧道結構病害監測的進一步發展，其研究意義重大。

1 高精度光纖光柵傳感器

1.1 傳感器簡介

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)傳感技術是二十世紀末興起的新一代集光子學、電子電路、計算機、軟件等多項高科技為一體的傳感技術，光纖光柵傳感技術由于自身的特點適合于緩慢持續發展的結構變形監測，已逐步在土木工程的結構健康監測中得到應用[2]。

滾軸式光纖光柵裂縫傳感器[3]和溫度自補償光纖光柵位移傳感器[4]作為傳統光纖光柵傳感器，有很多弊端。滾軸式光纖光柵裂縫傳感器結構復雜，部件安裝不便，且該傳感器為單光柵結構，無法消除溫度帶來的影響，而溫度自補償光纖光柵位移傳感器雖然解決了溫度補償問題，但由于內部彈簧長期承受形變，使用壽命有限，不僅存在失效的可能，還影響長期位移監測的連貫性。而本研究所采用的光纖光柵變形傳感器利用差動法將兩個光纖光柵的波長變化差值輸出被測物體位移測量信號，即可消除溫度和應變交叉敏感的問題，進而實現溫度自補償；此外，作為監測元件的半圓環彈性片自身具備伸縮彈性，不需再另外設置復位彈簧，提高了傳感器在施工檢測中的存活率，還可應用于建筑以及水壩方面的結構位移實時監測；同時解決現有技術中光纖光柵傳感器結構復雜、使用壽命有限等問題，再結合信息化及物聯網技術，組成一套自動化監測系統。

光纖光柵傳感器的原理是將來自光源的光通過光纖傳入調制器，當其待測的物理量發生變化時，該測量區域光纖中光的光學性質也會發生相應的變化，而后調制的光信號最后會轉化成電信號并與之前的信號相比較來判斷監測物理量的變化[5]。因此，光纖傳感器具有質量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、良好的長期穩定性和耐久性。常見的光纖光柵變形傳感器的測量范圍均為零至某一正向數值，而工程實際中，被測對象的變形往往會在零值左右波動，這就需要先將傳感器拉伸至某一數值，并將該數值作為“零點值”，使傳感器具備在“零點值”左右測量的能力。但如此設置，傳感器內部的彈性元件實際上在所謂的“零點值”時已經處于變形狀態，易導致彈性元件蠕變，不利于長期監測的準確性。而本研究所采用的光纖光柵變形傳感器通過將兩個光纖光柵(FBG1和FBG2)分別粘貼布置在兩個彈性梁的表面，從而形成正負向變形分別測量、互相溫度補償的功能。傳感器主體部分長176 mm、寬50 mm，量程為-50～50 mm，其余傳感器參數如表1所示。

表1 光纖光柵變形傳感器基本性能參數

1.2 現場安裝

傳感器的現場安裝方法如圖1所示，圖1(b)為傳感器進行伸縮縫和接頭環縫變形測量時的安裝方法，配套的拉桿固定夾具和傳感器分別位于被測縫隙的兩側并通過膨脹螺栓固定，當被測細縫發生傳感器軸向方向變形時，傳感器即可監測到被測區域的相對變形。

圖1 伸縮縫和接頭環縫變形測量方法與安裝示意圖

為了應對隧道結構中不同的安裝環境和安裝需求，研發人員專門設計了用于道床和襯砌相對變形監測的“延伸式”安裝裝置，如圖2所示。該裝置一端通過螺母固定于圓形襯砌上，延伸桿托起光纖光柵變形傳感器，將傳感器的監測桿固定在被測物體上，即可測得被測物體在傳感器軸向方向上的相對位移。同時，傳感器端的角度可以自由調整，從而解決襯砌壁傾斜角度不確定而引起的安裝問題。

圖2 用于道床和襯砌相對變形監測的配套安裝裝置

通過室內測試后，測得該光纖光柵變形傳感器的量程為±50 mm，室內測試結果中，傳感器以全量程測量輸出特性y=46.272 7+29.458 2x(y為波長漂移量，x為測試變形量)，得到傳感器的靈敏度為29.458 2 pm/mm，按照光纖光柵解調器的長期精度為±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期監測精準度與穩定性的重要因素之一[6]。在傳感器蠕變測試中，通過對傳感器施加固定變形值并保持40 min以上，結果表明：傳感器輸出波長穩定性很好，說明該新型傳感器具有良好的長期監測適用性。

2 工程應用

2.1 工程概況

本項目依托工程為杭州地鐵2號線朝陽站，隧道臨近蕭山蜀山街道2號線末站上蓋綜合體。該綜合體地下為兩層地下室，基坑開挖深度為10.5 m，與隧道最近距離為16 m，與臨近車站主體結構最近處為12 m，基坑采用分區開挖來控制圍護結構的變形與周邊土體沉降[7]，進而保護臨近地鐵設施安全。該工程臨近的2號線出入場線區間有較大沉降，出現了管片張開與道床脫開等病害現象，需要實時監測掌握隧道變形情況以保證地鐵正常運營的行車安全。

2.2 隧道內傳感器布設情況

監測總體安裝如圖3所示，主要監測兩個斷面處的道床與襯砌的相對變形、兩個斷面處的管片接頭環縫和道床伸縮縫，通過打孔、膨脹螺栓，最后，再用AB膠封裝螺母的方式，將各個傳感器安裝至指定位置，具體傳感器監測項目及布置方案如表2所示。

圖3 地鐵隧道變形監測1:1三維示意圖

表2 傳感器測項及位置統計表

3 監測數據分析

3.1 傳感器單日監測結果分析

各傳感器安裝初期監測數據時程圖如圖4所示，圖中數據采集頻率為一秒一次。由圖可知，傳感器自安裝之后，監測數據的波動穩定在0.002～0.003 mm，滿足隧道結構的病害監測需求，如隧道裂縫監測、伸縮縫監測、道床脫開監測。傳感器的頻率設定為一秒一次，單日監測數據次數可達86 400次，可實現“高精度、高頻率密集監測”的監測要求。

圖4 光纖光柵傳感器單日監測數據圖

從單日監測數據來看，12月9日，臨近隧道的B1區此時正在進行第二層土體開挖，開挖深度僅6 m，對于臨近隧道結構影響尚不明顯，因此，1號傳感器的監測數據較為穩定，數據變化規律趨于平穩。隨著基坑開挖，12月27日，此時，B1區已基本完成開挖工程，開始澆筑底板，各傳感器均出現了較為明顯的數據波動，其中，1號傳感器的變化最為明顯，數據變化在0.016 mm左右，其余傳感器均出現了0.003～0.006 mm的數據波動，說明此時傳感器已受到臨近基坑開挖的影響，并能夠反映監測結構在監測時段內的變形情況。

3.2 隧道變形結果分析

3.2.1 隧道結構變形

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

圖5 傳感器所處環段隧道結構變形時程圖

3.2.2 道床脫開監測

隧道結構中道床脫開量隨時間變化如圖6所示，圖中紅色數據即表示該傳感器位于靠近基坑一側，正值表示道床與襯砌相互遠離，負值表示道床與襯砌相互靠近。由圖可知，1號、2號傳感器監測的25環處的道床脫開數據主要是從12月28日后，30環處的4號傳感器的監測數據則是從12月20日開始逐步增長，而6號傳感器則基本保持穩定。由此可見，道床脫開量的變化規律并不明顯，不同環段之間的變化規律存在明顯差異，而同一環的兩側也并不相同，與張金紅等[9]人的統計結果存在一定差異。

圖6 隧道結構道床脫開變形時程圖

3.2.3 管片接頭環縫監測

隧道結構中管片接頭環縫張開量隨時間變化如圖7所示，圖中紅色數據即表示該傳感器位于靠近基坑一側，正值表示管片環縫張開，負值表示管片環縫收縮。由圖可知，兩側管片張開量變化具有較為明顯的對稱性，以-0.008 mm為對稱軸，臨近基坑的7號傳感器監測數據主要以負值為主，遠離基坑的3號傳感器監測數據主要以正值為主，且有增大的趨勢。這是由于隧道結構處于基坑開挖面下約5 m左右，根據鄭剛等[10]的研究結論：此時隧道處于水平位移區，隧道變形以水平位移為主。臨近基坑一側的管片表現為外側張開，內側收縮，而遠離基坑一側則是內側張開，外側收縮。

圖7 管片張開量變化時程圖

3.2.4 傳感器監測準確性分析

在傳感器監測時段，所監測環段的隧道結構整體處于“向基坑位移并下沉”的狀態，同時，隧道水平方向處于被拉伸、收斂增大的狀態。道床脫開變化整體趨勢與隧道結構的變形趨勢是一致的，在隧道變形時間內，所監測到的道床變形呈現出相同的變形趨勢，可以看出，該光纖光柵傳感器能夠反映道床變形的相應趨勢。管片接頭環縫的變形量呈現的對稱性也說明該傳感器在監測數值上是相對精準的，因此才能表現出明顯的對稱性。隧道結構變形及傳感器監測數據從12月20日后的增量倍數圖如圖8所示，圖中數據點為隧道結構變形數據，連線為傳感器監測數據。由圖可知，其中用于監測管片張開的3號傳感器自身初始數據過小，導致后續增長倍率過大，其余傳感器均與隧道結構的發展趨勢相似。

圖8 隧道結構變形增量倍數時程圖

總體而言，現階段監測數據顯示出趨勢上的相近，而在具體數值上未顯現較為明顯的邏輯關系，原因主要有兩點：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，結構病害監測變形多數小于0.1 mm，因此，其對應的統計學規律相對不明顯，受到多種因素影響；二是由于道床脫開、伸縮縫變形及管片張開量與隧道結構變形之間存在較為復雜的聯系，除隧道結構水平位移、豎向位移外，隧道結構的旋轉變形、臨近環段的差異位移等都會造成以上病害。但從整體監測數據上來看，道床脫開、伸縮縫變形及管片張開量與隧道結構變形之間仍存在一定的相關性，說明該光纖光柵傳感器監測數據具有一定的準確性。

4 結論與展望

本文針對國內隧道病害監測中對于道床脫開、伸縮縫張開等常見病害實時監測的空缺，研究出一種光纖光柵變形傳感器，并應用于杭州地鐵2號線朝陽站，得出如下結論：

(1)本文所研究的光纖光柵傳感器具備性能優良、監測精度高、穩定、可實現自動化監測等優點，配套裝置可以使傳感器滿足不同的安裝條件，對于我國地鐵隧道精細化、數字化、信息化管理有著重大意義。

(2)該傳感器在現場實測工程中，各測點監測數據變化平穩，與臨近工程施工情況相吻合，說明該傳感器能夠很好地反映監測結構的變形情況，也說明在監測時段內，所監測病害并未出現顯著惡化。

(3)通過實測分析發現，隧道結構變形中道床沉降的變形規律尚不明顯，與自身變形量級小且影響因素多有關，但整體仍隨著隧道結構變形的增大而增大。

基于本項目研究過程及研究結果中的不足，提出以下幾點建議與展望：

(1)結合現場應用情況，由于地鐵運行的限界要求和較為惡劣的監測環境，在保證監測精度和穩定性的前提下，如何進一步縮小傳感器尺寸及傳感器保護是需要解決的問題。

(2)在此高精度儀器的現場應用中，由于人工復核的精度往往難以達到光纖光柵傳感器的實際測量精度，對于監測數據的準確性缺乏數據驗證，在后續研究中可進一步探索對于該類高精度傳感器的復核方案設計。