1、 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 21 期 2023 年 11 月Vol.54 No.21 Nov.20232613近年来，随着城市规模不断扩大，地铁作为一种高运量、便捷型的交通方式得到空前的发展。盾构法因其对周围环境影响小、机械化程度高等优势在城市中心区的隧道建设中被广泛使用13。但在地铁建设和运营过程中，也会带来包括地铁盾构隧道长期沉降与不均匀沉降等一系列新的工程问题45，地铁盾构隧道尤其是软土地区的盾构隧道，在施工结束后，随着时间的增长，土体仍存在一定的变形，即长期沉降6。另外，城市隧道施工不可避免要穿越邻近既有地铁盾构隧道，极易引起既有地铁
2、隧道的差异沉降、过度沉降，导致轨道脱开、管片开裂等安全问题78。现阶段，盾构隧道沉降监测技术主要有以下几类：（1）精密水准测量技术，该类技术测量精度高，但需人工监测，测量时段受限，监测效率低9；（2）全站仪，其测量精度高，但仪器价格昂贵无法大面积布设；（3）静力水准仪，可实现自动化监测，但水力传输距离有限，无法实现长距离监测，且长期监测存在水头损失；（4）三维激光扫描技术，该方法高效快速，但精度不足，且测量时段受限；（5）电水平尺监测技术，该方法安装简单，数据自动传输，但价格较昂贵，难以大范围布设10。近年来，分布式光纤传感技术以其分布式、长距离、耐久性好、无需供电等特性得到了快速发展，在地下
3、工程结构健康监测中也有较多应用1113。但受限于分布式传感光缆轴向变形敏感的特性，将分布式光纤技术应用于长距离隧道沉降监测的研究较为罕见。针对目前隧道长距离沉降监测中存在的不足，立足于长距离盾构隧道的分布式沉降监测，以盾构隧道分布式沉降光纤监测技术应用研究殷瑞忠1，岳荣花1，徐东风1，祝 运1，贾立翔2，王 宇2（1.南京地铁运营有限责任公司，211121，南京；2.苏州南智传感科技有限公司，215123，江苏苏州）摘要：为解决城市轨道交通盾构隧道施工期及运营期长距离沉降监测的难题，基于布里渊（BOFDA）技术提出了一种长距离分布式沉降监测方法。建立了相应的应变 位移算法，并通过室内试验进行验
4、证。将该方法应用至南京地铁 2 号线工程中，实现了 1 km 长度上的分布式沉降变形监测。结合人工水准测量数据，对光纤监测结果进行验证，研究结果表明：监测段隧道经过注浆修复后，达到了较为显著的稳固效果，3 个月时间内整体变形量在 1 mm 以内，变形规律与修复前基本一致。所提出的分布式光纤沉降监测技术可以实现隧道长距离、精准沉降监测。关键词：轨道交通；盾构隧道；分布式光纤；沉降监测中图分类号：U 456.3 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)21261304application of DistributeD optical fiber monitoring technol
5、ogy for shielD tunnel settlement YIN Rui-zhong1,YuE Rong-hua1,Xu Dong-feng1,Zhu Yun1,JIa Li-xiang2,WaNG Yu2(1.Nanjing Metro Operation Co.,Ltd.,211121,Nanjing,China;2.Suzhou Nanzee Sensing Technology Co.,Ltd.,215123,Suzhou,Jiangsu,China)abstract:In order to solve the problem of longdistance settlemen
6、t monitoring of shield tunnel in urban rail transit during construction and operation,based on the BOFDA technology,a method of long-distance distributed settlement monitoring was proposed in this paper,and the corresponding strain displacement algorithm is established.The method was applied to the
7、construction of Nanjing metro line 2,and the distributed settlement monitoring of 1 km length was realized.Combined with the artificial leveling data,the results of optical fiber monitoring are verified.The monitoring results show that the tunnel in the monitoring section has achieved a significant
8、stable effect after grouting repair.The overall deformation within three months is within 1 mm,and the deformation law is basically the same as that before repair.The distributed optical fiber settlement monitoring technology proposed in this paper can realize long-distance and accurate settlement m
9、onitoring of tunnel.Keywords:rail transit;shield tunnel;distributed optical fiber;settlement monitoring收稿日期：20230925作者简介：殷瑞忠（1969），男，江苏南京人，高级工程师，email:njdt_.建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2614南京地铁 2 号线集庆门 云锦路区间 1 km 长度作为应用点，建立了基于分布式应变向沉降转化的算法，实现了长距离隧道沉降的分布式监测。1 工程概况南京地铁 2 号线长期结构监测报告显示集庆门 云锦路区间上行线 K8+825K9+935 和
10、下行线K8+503K9+935 里程段沉降数据异常。（1）上行线：根据 2019 年 6 月 22 日和 2019年 6 月 17 日数据进行对比（历时 5 d），上行线道床沉最大沉降 0.6 mm，加密监测期间阶段沉降 29.5 mm（历时 276 d），沉降区域主要集中在K9+422K9+457 区间。（2）下行线：根据 2019 年 6 月 23 日和 2019年 6 月 13 日数据进行对比（历时 10 d），下行线道床沉最大沉降 1.1 mm，加密监测期间阶段沉降 29.9 mm（历时 270 d），沉降区域主要集中在K8+533K8+763 区间。项 目 确 定 监 测 区 间 为
11、 集 云 区 间，里 程K8+800K9+800，全长约 1 km，隧道顶埋深 4.7 14.7 m，区间隧道为盾构管片结构，隧道内径 5.5 m，隧道外径 6.2 m。该区间隧道坐落层为 2b4 和 3b34 淤泥质粉质粘土层。2 传感原理与光缆布设2.1 布里渊传感原理基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技 术（BOFDA,Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）14。如图 1 所示，BOFDA 技术采用双端测试方法，两种光（泵浦光和斯托克斯光）从光纤回路的两端射入该系统中。光纤测试段受到温度或应变的变化，两种光均发生变化，再通过复杂运算
12、后可得到光纤中具体空间与频移量的关系。该项技术具有较高的测试精度和空间分辨率，在隧道工程的分布式监测领域具有较好的应用前期。泵浦光传感光纤T/斯托克斯光布里渊背向散射光傅里叶逆变换VNAU/t图 1 BOFDA 传感原理2.2 光缆布设方式监测区间为集庆门大街至云锦路区间，分布式应变传感光缆布设于隧道上行线及下行线隧道侧壁，分为轴向布设和 W 形布设，另布设一道分布式温度传感光缆进行温度补偿。轴向应变光缆相邻固定点间距为 1.2 m，布设范围为：上行线 S1S810（K8+825、K9+798），即 1 环 至 810 环（里 程8 825 m 至 9 798 m），下行线 X1X829（K8
13、+826、K9+825），即 186 环 至 829 环（里 程 8 826 m 至9 825 m），如图 2 所示；W 形应变光缆相邻固定点间距 1.7 m，高度差 0.8 m，布设范围为：上行线S1S810（K8+825、K9+798），即 1 环至 810 环（里程8 825 m至9 798 m），下行线X186X828（K9+045、K9+824），即 186 环 至 828 环（里 程 9 045 m 至9 824 m），如图 3 所示。分布式应变感测光缆固定夹片盾构隧道图 2 轴向布设示意分布式应变感测光缆固定圆环盾构隧道图 3 W 形布设示意分布式传感光缆通过胶粘剂与配套夹片固定
14、，配套夹片通过胶粘剂与隧道侧壁固定，相邻两固定夹片之间对光缆进行预拉伸，实现压缩、拉伸双向感知，如图 4 所示。（a）（b）图 4 分布式传感光缆固定（a）轴向固定；（b）W 形固定3 应变 变形解析算法由分布式光纤感测技术的原理可知，光纤只对沿其轴向发生的变形敏感，而隧道的竖向变形方向和沿隧道轴向布设的光纤呈正交状态，变形不能引起光纤拉伸、压缩变形，如考虑通过利用光纤分布式和高测试精度优点实现对整个隧道沉降变形量监测，需建立光纤变形量与沉降之间的关系来实现。如图5所示，L为轴向传感光缆相邻固定点间距，2615殷瑞忠，等：盾构隧道分布式沉降光纤监测技术应用研究 L 为隧道轴向变形量，分布式应变
15、解调设备获取的光缆应变值为单位长度上的位移变化量，则轴向位移量计算公式如式（1）所示。LL图 5 轴向变形解析模型 L=L（1kT2）（1）式中：1为应变传感光缆应变变化量，2为温度传感光缆（松套光缆）的应变变化量，kT为温度修正系数。如图 6 所示，a 为 W 形布设传感光缆相邻固定点间长度，b、c 分别为竖向和水平向距离，b 为沉降量，c为轴向变相量，根据勾股定理，可得式（2）：bbcaa+a3c图 6 沉降变形解析模型（b b）2+（c+b）2=（a+a3）2 （2）式中：3为应变传感光缆应变变化量，进一步简化可得到式（3），其中 b 即为式（1）中的 L，根据式（3）即可计算得到隧道沉
16、降变形量。b=c/b ca（a/b）（3）c=L（4）4 室内试验为了验证所提方法的有效性，设计了室内试验进行验证。采用带有导轮的金属平台固定光缆，模拟光缆在隧道中的安装方式，并根据各金属平台之间的相对位置模拟实际工程中盾构管片的不同相对位移的工况。试验设计了两种工况，每个工况分别设置了 10 个金属平台。在光缆被固定后，视为初始值，并采集数据。随机移动各平台的位置，并使用千分表测量各平台的实际相对位置。通过解调设备获取光缆的应变值，并采用所提算法计算变形。图 7 展示了不同工况下斜边光缆与直边光缆的应变变形曲线。直线段光缆具有明显应变，应变值分布在 02 000。而斜边段的应变值明显小于直边
17、段，且由于平台的位移导致不同点位展现拉和压应变。基于图 7 中数据计算每一个点位的相对沉降量，相应的结果被呈现在图 8 中。如图 8 所示，实测值和计算值曲线形态较为一致。两次工况下的最大百分比误差分别为 8.12%和 9.16%，证明了所提算法的有效性。工况 1工况 2应变（斜线段）2 0001 5001 00050000 5 10 15 20应变（直线段）10050050100 5 10 15 20工况 1工况 2点位点位图 7 光缆应变监测结果0 5 10 15 20 6543210相对沉降量（工况 1）/mm实测值计算值点位543210相对沉降量（工况 1）/mm实测值计算值0 5 1
18、0 15 20 点位图 8 计算值与实测值对比结果5 现场监测结果传感光缆布设完成后，于 2021 年 5 月 18 日、6 月 23 日和 7 月 25 日分别采集一组数据（轴向光缆及 W 形光缆），以 5 月 18 日数据作为初值，得到后两期数据应变变化量，根据式（1）计算得到隧道管片接缝的轴向变形分布；根据式（3）计算得到隧道沉降分布，为评价基于分布式光纤应变数据的沉降变形量真实性，选取了相近时间的水准仪测试数据进行对比，如图 9、图 10 所示，光纤及水准监测数据均以大环号起始点作为基准点。监测时间段建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2616内，监测区间隧道轴向变形量较小，上、下行
19、线均在0.1 mm 以内。上行线轴向主要呈拉伸变形，如图 9中的 a，b 段变形量均呈现先增大后减小的趋势，环号 250、650 段变形为轴向拉伸变形极值段；下行线轴向主要表现为压缩变形，且无明显的变形集中端。环号2021/07/19（人工）2021/06/13（人工）沉降点0 100 200 300 400 500 600 700 800沉降/mm2101232021/06/23（光纤）2021/07/25（光纤）图 9 上行线沉降变形分布200 300 400 500 600 700 800 900环号2021/06/13（人工）2021/07/19（人工）2021/06/25（光纤）20
20、21/07/18（光纤）21012沉降/mm图 10 下行线沉降变形分布由图 10 可知，光纤监测的分布式沉降量范围为 21 mm，其中编号 150、250、650 环附近为明显沉降点，沉降量均大于 1 mm。环号 250、650 段隧道呈现明显的拉伸轴向变形，因此这两段隧道受周围土体两个方向的应力；分布式光纤及水准仪测试的变形值，均在1 mm以内波动。下行段轴向变形主要为压缩变形，当隧道为上凸型或下凹型时，轴向布设的光缆应均呈拉伸变形，因此该段隧道受到 3 个方向的应力使得其轴向受力与沉降变形均呈现不规律。水准仪测试数据均在 1 mm 范围内波动，在光纤识别的沉降点处也未有明显位移。为进一步
21、评价基于分布式光纤的沉降变形测试效果，将注浆前上行线的沉降数据进行分析，以大环号起始点作为基准点。水准仪历史监测数据曲线与分布式光纤近期监测曲线两者的变形规律呈现较强的一致性，历史沉降量较大的点位与近期光纤识别的点位一致，证明了光纤传感技术用于隧道分布式沉降变形监测的可靠性。通过上述监测数据分析，隧道监测段目前处于相对稳定状态。该段隧道从前期沉降快速发展到目前的稳定状态，其原因在于该段隧道进行注浆修复，监测数据从侧面印证了注浆达到较好的稳固效果。6 结论基于分布式光纤隧道沉降监测技术，依托南京地铁 2 号线盾构隧道进行应用，通过建立应变 变形解析模型，获得监测区间 1km 长度上变形分布规律，
22、对比水准测量数据，验证光纤分布式沉降监测结果的可靠性。监测结果如下。（1）基于 BOFDA 的分布式光纤感测技术可以应用至隧道长距离分布式监测领域中。该项监测手段具有高精度，长距离，分布式监测等优点。（2）提出一种隧道轴向位移与沉降位移计算方法，并开展室内试验并将其应用实际工程中。（3）基于光纤监测结果可知，监测段的隧道经过注浆修复后，达到了较为显著的稳固效果，3 个月时间内整体变形量在 1 mm 以内，历史沉降变形较大点均保持较为微小变形。参考文献1 何川,封坤,方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望 J.西南交通大学学报,2015,50(1):97109.2 孙飞祥，彭正勇,周建军,等.
23、考虑围岩等级的“盾构法矿山法”隧道对接贯通方式选用研究 J.隧道建设(中英文),2021,41(8):13361343.3 岳健,魏彦昭,安永林.城市水下浅埋隧道现场监测问题探讨 J.建筑技术,2017,48(11):11911195.4 谭林波,陶津,沈圣,等.基于长标距 FBG 的既有地铁隧道纵向变形监测与数值模拟 J.建筑技术,2016,47(5):453456.5 倪健.苏州地铁盾构隧道长期沉降预测方法研究 D.苏州:苏州大学,2018.6 周文.下穿既有运营公路大断面浅埋隧道方案优选及监测分析J.西安建筑科技大学学报：自然科学版,2020,52(4):520527.7 张家松,黄洲,
24、冷志明.自动化监测预警技术在公路隧道工程中的应用 J.公路,2021,66(6):416418.8 喻兵.超长线路静力水准沉降自动化观测系统精度分析 J.土工基础,2021,35(3):400403,420.9 侯公羽,李子祥,胡涛,等.基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究 J.岩土力学,2020,41(9):31483158.10 武建,王涛,李波,等.基于分布式光纤传感的盾构隧道沉降监测方法研究 J.河南科学,2021,39(6):943947.11 高磊,钱继奔,徐中权,等.基于光纤感测技术的雪花形桩挤土效应模型试验研究 J.河南科学,2022,40(5):732738.12 曹鼎峰,施斌,严珺凡,等.BOFDA 技术综述及用于岩土工程监测的可行性研究 J.防灾减灾工程学报,2013,33(S1):132137.13 王兴.盾构隧道变形光纤监测关键技术与应用研究 D.南京:南京大学,2017.14 张丹,施斌,徐洪钟.基于 BOTDR 的隧道应变监测研究 J.工程地质学报,2004(4):422426.
