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(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，隨著地下軌道交通的快速發(fā)展，運(yùn)營的地鐵線路越來越多，同時城市化進(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、道床脫開等結(jié)構(gòu)病害逐漸增加[1]。為解決現(xiàn)階段運(yùn)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(jiān)測手段匱乏的窘境，結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)勢，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號線地鐵朝陽站出入場線區(qū)段，用于監(jiān)測該區(qū)段的道床脫開、道床伸縮縫及管片張開量的監(jiān)測。研究成果有利于今后隧道結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測的進(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、計算機(jī)、軟件等多項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，已逐步在土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到應(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)，無法消除溫度帶來的影響，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)償問題，但由于內(nèi)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(jiān)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(yīng)變交叉敏感的問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償；此外，作為監(jiān)測元件的半圓環(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)時監(jiān)測；同時解決現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命有限等問題，再結(jié)合信息化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，組成一套自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

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(diào)制器，當(dāng)其待測的物理量發(fā)生變化時，該測量區(qū)域光纖中光的光學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)的變化，而后調(diào)制的光信號最后會轉(zhuǎn)化成電信號并與之前的信號相比較來判斷監(jiān)測物理量的變化[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、良好的長期穩(wěn)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(shù)值，而工程實(shí)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(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”時已經(jīng)處于變形狀態(tài)，易導(dǎo)致彈性元件蠕變，不利于長期監(jiān)測的準(zhǔn)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(fù)向變形分別測量、互相溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。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(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)場安裝

傳感器的現(xiàn)場安裝方法如圖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(cè)并通過膨脹螺栓固定，當(dāng)被測細(xì)縫發(fā)生傳感器軸向方向變形時，傳感器即可監(jiān)測到被測區(qū)域的相對變形。

圖1 伸縮縫和接頭環(huán)縫變形測量方法與安裝示意圖

為了應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)中不同的安裝環(huán)境和安裝需求，研發(fā)人員專門設(shè)計了用于道床和襯砌相對變形監(jiān)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(jiān)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(diào)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(jiān)測的配套安裝裝置

通過室內(nèi)測試后，測得該光纖光柵變形傳感器的量程為±50 mm，室內(nèi)測試結(jié)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(diào)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(jiān)測精準(zhǔn)度與穩(wěn)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(jié)果表明：傳感器輸出波長穩(wěn)定性很好，說明該新型傳感器具有良好的長期監(jiān)測適用性。

2 工程應(yīng)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(jié)構(gòu)最近處為12 m，基坑采用分區(qū)開挖來控制圍護(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號線出入場線區(qū)間有較大沉降，出現(xiàn)了管片張開與道床脫開等病害現(xiàn)象，需要實(shí)時監(jiān)測掌握隧道變形情況以保證地鐵正常運(yùn)營的行車安全。

2.2 隧道內(nèi)傳感器布設(shè)情況

監(jiān)測總體安裝如圖3所示，主要監(jiān)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(huán)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(jiān)測項目及布置方案如表2所示。

圖3 地鐵隧道變形監(jiān)測1:1三維示意圖

表2 傳感器測項及位置統(tǒng)計表

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 傳感器單日監(jiān)測結(jié)果分析

各傳感器安裝初期監(jiān)測數(shù)據(jù)時程圖如圖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)測數(shù)據(jù)的波動穩(wěn)定在0.002～0.003 mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)的病害監(jiān)測需求，如隧道裂縫監(jiān)測、伸縮縫監(jiān)測、道床脫開監(jiān)測。傳感器的頻率設(shè)定為一秒一次，單日監(jiān)測數(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”的監(jiān)測要求。

圖4 光纖光柵傳感器單日監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

從單日監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，12月9日，臨近隧道的B1區(qū)此時正在進(jìn)行第二層土體開挖，開挖深度僅6 m，對于臨近隧道結(jié)構(gòu)影響尚不明顯，因此，1號傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)變化規(guī)律趨于平穩(wěn)。隨著基坑開挖，12月27日，此時，B1區(qū)已基本完成開挖工程，開始澆筑底板，各傳感器均出現(xiàn)了較為明顯的數(shù)據(jù)波動，其中，1號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，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(jiān)測結(jié)構(gòu)在監(jiān)測時段內(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，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)變形時程圖

3.2.2 道床脫開監(jiān)測

隧道結(jié)構(gòu)中道床脫開量隨時間變化如圖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、2號傳感器監(jiān)測的25環(huán)處的道床脫開數(shù)據(jù)主要是從12月28日后，30環(huán)處的4號傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wěn)定。由此可見，道床脫開量的變化規(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)計結(jié)果存在一定差異。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)道床脫開變形時程圖

3.2.3 管片接頭環(huán)縫監(jiān)測

隧道結(jié)構(gòu)中管片接頭環(huán)縫張開量隨時間變化如圖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，負(fù)值表示管片環(huán)縫收縮。由圖可知，兩側(cè)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(jiān)測數(shù)據(jù)主要以負(fù)值為主，遠(yuǎn)離基坑的3號傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)主要以正值為主，且有增大的趨勢。這是由于隧道結(jié)構(gòu)處于基坑開挖面下約5 m左右，根據(jù)鄭剛等[10]的研究結(jié)論：此時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，內(nèi)側(cè)收縮，而遠(yuǎn)離基坑一側(cè)則是內(nèi)側(cè)張開，外側(cè)收縮。

圖7 管片張開量變化時程圖

3.2.4 傳感器監(jiān)測準(zhǔn)確性分析

在傳感器監(jiān)測時段，所監(jiān)測環(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，隧道水平方向處于被拉伸、收斂增大的狀態(tài)。道床脫開變化整體趨勢與隧道結(jié)構(gòu)的變形趨勢是一致的，在隧道變形時間內(nèi)，所監(jiān)測到的道床變形呈現(xiàn)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(yīng)趨勢。管片接頭環(huán)縫的變形量呈現(xiàn)的對稱性也說明該傳感器在監(jiān)測數(shù)值上是相對精準(zhǔn)的，因此才能表現(xiàn)出明顯的對稱性。隧道結(jié)構(gòu)變形及傳感器監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)。由圖可知，其中用于監(jiān)測管片張開的3號傳感器自身初始數(shù)據(jù)過小，導(dǎo)致后續(xù)增長倍率過大，其余傳感器均與隧道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢相似。

圖8 隧道結(jié)構(gòu)變形增量倍數(shù)時程圖

總體而言，現(xiàn)階段監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出趨勢上的相近，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)測變形多數(shù)小于0.1 mm，因此，其對應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)規(guī)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(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造成以上病害。但從整體監(jiān)測數(shù)據(jù)上來看，道床脫開、伸縮縫變形及管片張開量與隧道結(jié)構(gòu)變形之間仍存在一定的相關(guān)性，說明該光纖光柵傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與展望

本文針對國內(nèi)隧道病害監(jiān)測中對于道床脫開、伸縮縫張開等常見病害實(shí)時監(jiān)測的空缺，研究出一種光纖光柵變形傳感器，并應(yīng)用于杭州地鐵2號線朝陽站，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)測精度高、穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，配套裝置可以使傳感器滿足不同的安裝條件，對于我國地鐵隧道精細(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)場實(shí)測工程中，各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，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(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形情況，也說明在監(jiān)測時段內(nèi)，所監(jiān)測病害并未出現(xiàn)顯著惡化。

(3)通過實(shí)測分析發(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。

基于本項目研究過程及研究結(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)測環(huán)境，在保證監(jiān)測精度和穩(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)是需要解決的問題。

(2)在此高精度儀器的現(xiàn)場應(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)際測量精度，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性缺乏數(shù)據(jù)驗證，在后續(xù)研究中可進(jìn)一步探索對于該類高精度傳感器的復(fù)核方案設(shè)計。