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(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的單向鐵路改建為復(fù)向，由于受地形地質(zhì)條件、交通運(yùn)輸?shù)纫蛩氐南拗疲谠O(shè)計中新建隧道往往離既有隧道之間的凈距較小，新建隧道在施工爆破過程中產(chǎn)生的沖擊波將對既有隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)保護(hù)的安全性產(chǎn)生不可避免的影響，既有隧道襯砌開裂、剝落和變形等現(xiàn)象時有發(fā)生[1～3]。新建隧道采用鉆爆法開挖時，大量炸藥爆破釋放的能量部分直接以應(yīng)力波的形式傳播到周圍巖體中，并進(jìn)而引起鄰近隧道襯砌表面應(yīng)變變化[4,5]。當(dāng)既有隧道與新建隧道的凈距較小、圍巖軟弱、初砌質(zhì)量較差時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)就容易破壞[6,7]。為了保證既有隧道的安全，在新隧道施工爆破過程中對既有隧道進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。

本文將FBG表面應(yīng)變傳感器應(yīng)用于既有隧道迎爆側(cè)的應(yīng)變監(jiān)測中。根據(jù)開挖隧道的進(jìn)度，選擇監(jiān)測時段為爆破前、中、后3個時段和火車通過隧道時段對既有隧道迎爆側(cè)的應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)測，從而了解隧道當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)。

1 FBG表面應(yīng)變傳感器的測量原理

碧雞關(guān)隧道區(qū)屬高原低中山剝蝕地貌，隧道穿越昆明市著名風(fēng)景區(qū)西山，地面高程1 900～2 090 m，最大相對高為差190 m，地形起伏較大，自然橫坡為10°～45°，局部地形陡峻，坡面多為第四系土層覆蓋，厚約2～6 m。新建碧雞關(guān)隧道左線中線與既有碧雞關(guān)隧道右線中線間距在進(jìn)口端為20.5 m，然后漸變至144 m，最后在出口端為33.8 m。新建隧道除局部段落深埋外，其余地段均屬淺埋；洞口和洞身范圍地表建筑物密集，洞身所通過的地層圍巖條件差。

根據(jù)碧雞關(guān)隧道的地質(zhì)情況，應(yīng)用FBG表面應(yīng)變傳感器對既有隧道襯砌表面迎爆側(cè)的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。FBG表面應(yīng)變傳感器主要用于測量混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變，例如：橋梁、樁、隧道初砌、建筑物等。FBG表面應(yīng)變傳感器由內(nèi)管、外管、FBG和固定塊4個部分組成，安裝時把傳感器兩端的固定塊焊接或粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面即可[8,9]。FBG表面應(yīng)變傳感器的傳感結(jié)構(gòu)參見圖1。

圖1 FBG表面應(yīng)變傳感器的傳感結(jié)構(gòu)

當(dāng)被測結(jié)構(gòu)受到力的拉伸或壓縮時，固定塊之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致FBG產(chǎn)生軸向形變，從而引起FBG中心波長移位，根據(jù)FBG中心波長移位量計算出被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變[10]。FBG表面應(yīng)變傳感器測量原理，參見圖2。

圖2 FBG表面應(yīng)變傳感器測量原理

2 FBG應(yīng)變傳感器的布設(shè)和監(jiān)測

為了能準(zhǔn)確地監(jiān)測到鄰近隧道在爆破的影響下襯砌表面的應(yīng)變變化，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，在鄰近隧道中靠近新掘進(jìn)隧道一側(cè)共布設(shè)15只FBG應(yīng)變傳感器,FBG應(yīng)變傳感器布設(shè)示意圖參見圖3。

圖3 應(yīng)變傳感器布設(shè)示意圖

傳感器的具體安裝情況，參見表1。

表1 應(yīng)變傳感器安裝統(tǒng)計表

根據(jù)隧道開挖的進(jìn)度，以60 Hz的采樣頻率采集了爆破前0.5 min、爆破時刻、爆破后1 min的傳感器數(shù)據(jù),以及火車通過隧道時的傳感數(shù)據(jù)。通過光纖分析儀接收和解調(diào)FBG的波長移位量，計算出對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變的大小，實(shí)時掌握隧道在爆破的影響下襯砌表面的應(yīng)變的變化趨勢。

表2 2010年6月23日監(jiān)測結(jié)果

2010年6月23日17時26分進(jìn)行爆破，爆破藥量為129 kg，爆破量為中等，監(jiān)測結(jié)果，參見表2。其中，傳感器1和2監(jiān)測應(yīng)變變化曲線，參見圖4、圖5。

圖4 爆破前后傳感器1應(yīng)變變化曲線

圖5 爆破前后傳感器2 應(yīng)變變化曲線

2010年6月23日17時39分列車通過碧雞關(guān)隧道，監(jiān)測結(jié)果，參見表3。其中，傳感器1和2監(jiān)測應(yīng)變變化曲線，參見圖6、圖7。

表3 火車通過時監(jiān)測結(jié)果

圖6 火車通過時傳感器1應(yīng)變變化曲線

圖7 火車通過時傳感器2應(yīng)變變化曲線

從表2可以得知，爆破過程中，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的應(yīng)變最大變化量在35×10-6～43×10-6之間。從圖4,圖5可以得知，爆破前后儀器監(jiān)測到襯砌表面應(yīng)變產(chǎn)生了明顯的變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，爆破對鄰近既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動作用，引起傳感器在發(fā)生爆破前后出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變。

從表3可以得知，火車通過時，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的應(yīng)變最大變化量在9×10-6～12×10-6之間。從圖6、圖7可以得知，當(dāng)列車通過碧雞關(guān)隧道，襯砌表面的應(yīng)變產(chǎn)生的輕微變化，該變化在隧道襯砌正常受力允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用FBG表面應(yīng)變傳感器對既有隧道迎爆側(cè)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測。2010年6月23日爆破藥量為129 kg，爆破量為中等，爆破對襯砌表面的應(yīng)變產(chǎn)生了明顯的波動影響，應(yīng)變最大變化量在35×10-6～43×10-6之間。當(dāng)列車通過碧雞關(guān)隧道時，襯砌表面的應(yīng)變變化較小，應(yīng)變最大變化量在9×10-6～12×10-6之間。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:爆破對鄰近既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動作用，引起傳感器在發(fā)生爆破前后出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變，但該變化在隧道襯砌正常受力允許的范圍內(nèi)。

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