洪成雨，周子平，陳偉斌，*，付艷斌，沈 翔

(1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；3.濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

0 引言

近年來，盾構(gòu)法在城市地鐵隧道建設(shè)中的應(yīng)用較廣泛。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會(huì)造成土體擾動(dòng)，由于周圍地質(zhì)條件不同，管片分布在不同地質(zhì)中，管片注漿效果及漿液注入時(shí)期的不同都可能引起管片變形，甚至導(dǎo)致管片的錯(cuò)臺(tái)、上浮及開裂，影響城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全[1-2]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)隧道盾構(gòu)施工過程中的管片變形，是保證盾構(gòu)施工安全的重要條件[3-4]。

傳統(tǒng)隧道的變形監(jiān)測(cè)一般采用全站儀、水準(zhǔn)儀、應(yīng)力計(jì)及振弦式傳感器等方法，周期性采集布設(shè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)隧道管片變形進(jìn)行分析[5-6]。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段易受周圍環(huán)境影響，布設(shè)點(diǎn)數(shù)有限，故只適用于特殊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，不能全面反映隧道管片的變形效果，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)容易失真[7]。光纖傳感技術(shù)是近些年發(fā)展的監(jiān)測(cè)技術(shù)，由于光纖的體積較小、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且可以實(shí)現(xiàn)分布式及長期實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，從而已成為隧道管片變形監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)[8-11]。何濤等[12]利用光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)傳感技術(shù)，對(duì)施工中的地鐵隧道管片鋼筋應(yīng)力和表面應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了FBG技術(shù)在盾構(gòu)隧道管片變形監(jiān)測(cè)上的有效性，其精度可以達(dá)到±1 με；但是FBG屬于準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)，適合在關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)，不能滿足隧道管片整體監(jiān)測(cè)要求。Cheung等[13]將布里淵光時(shí)域反射(Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR)技術(shù)應(yīng)用于倫敦地鐵隧道襯砌監(jiān)測(cè)中，驗(yàn)證了BOTDR技術(shù)在隧道管片監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用。梁斯銘等[14]從分布式定點(diǎn)光纜和Z字形布線2個(gè)方面闡述了布里淵光頻域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)技術(shù)在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了BOFDA技術(shù)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)隧道變形位置及相對(duì)變形量。BOTDR和BOFDA光纖傳感技術(shù)都屬于全分布式監(jiān)測(cè)，其中，BOFDA技術(shù)應(yīng)變測(cè)量精度為±2 με，空間分辨率可達(dá)20 cm[15]；BOTDR技術(shù)應(yīng)變測(cè)量精度為±30 με，空間分辨率可達(dá)50 cm[16]。Christoph等[17]采用光頻域反射技術(shù)(optical frequency domain reflectometry, OFDR)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，并與振弦式傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了OFDR技術(shù)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)襯砌的適用性。

綜上，光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于隧道管片監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，但目前采用OFDR技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道管片注漿前后進(jìn)行整體式監(jiān)測(cè)的研究十分有限，且破碎帶內(nèi)外注漿時(shí)期的不同對(duì)管片變形的影響尚不清晰。本研究依托珠三角某工程，采用OFDR技術(shù)對(duì)位于破碎帶內(nèi)外的隧道管片應(yīng)變進(jìn)行高精度、連續(xù)和分布式監(jiān)測(cè)，其應(yīng)變測(cè)量精度可以達(dá)到±1 με，空間分辨率能達(dá)到1 mm；另外，將注漿后到穩(wěn)定階段的管片應(yīng)變實(shí)際數(shù)據(jù)與擬合值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)注漿后及破碎帶分布對(duì)管片變形的影響進(jìn)行分析，以期為施工期間盾構(gòu)隧道穿越斷層破碎帶的監(jiān)測(cè)技術(shù)提供借鑒。

1 OFDR技術(shù)與傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 光纖傳感技術(shù)原理

光纖中的散射主要有3種，包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中，瑞利散射因其入射光和散射光的頻率和波長一致又被稱為彈性散射。OFDR是基于背向瑞利散射的一種探測(cè)技術(shù)[18-19]，其工作原理如圖1所示。激光器發(fā)出的線性掃頻光被耦合器分為2束光：一束作為參考光到達(dá)反射鏡后原路返回到耦合器中；另一束作為待測(cè)光進(jìn)入待測(cè)光纖向前傳播的過程中，會(huì)連續(xù)產(chǎn)生背向的瑞利散射信號(hào)。該信號(hào)光與參考光在耦合器中互相干涉，二者干涉產(chǎn)生的拍頻與待測(cè)光纖位置成正比，拍頻信號(hào)再由光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過頻譜分析儀進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換(fast fourier transform,FFT)，可以獲取距離域上光纖背向瑞利散射信號(hào)信息[19]。

圖1 OFDR技術(shù)原理圖

當(dāng)待測(cè)光纖受到溫度或應(yīng)變的影響，光纖內(nèi)部的折射率分布會(huì)發(fā)生變化，待測(cè)光纖會(huì)產(chǎn)生瑞利散射頻移。OFDR測(cè)量原理如圖2所示。通過對(duì)待測(cè)信號(hào)(存在擾動(dòng))與參考信號(hào)(沒有擾動(dòng))進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，可以得到瑞利散射頻移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖某一位置應(yīng)變與溫度的測(cè)量及整根光纖的分布式測(cè)量[20-22]。瑞利散射光頻移與應(yīng)變和溫度的關(guān)系計(jì)算式如下[17]：

(a)未發(fā)生漂移

(1)

式中：λ為平均光波長；Δλ為光的波長偏移量；v為平均光頻率；Δv為光的頻率偏移量；Kε為應(yīng)變靈敏系數(shù)；ε為光纖應(yīng)變；KT為溫度靈敏系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

1.2 傳感光纖的結(jié)構(gòu)

本次測(cè)量采用光纖傳感器，傳感光纖結(jié)構(gòu)如圖3所示。其包括：1)125 μm直徑的內(nèi)部裸光纖，主要用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信息和傳輸數(shù)據(jù)；2)聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)光纖芯線的涂覆層，用于固定和保護(hù)內(nèi)部的裸光纖；3)金屬加強(qiáng)件，主要用于增加光纖的韌性，可以承受一定程度的彎折；4)聚乙烯(polyethylene，PE)材料的外包層，主要保護(hù)內(nèi)部傳感光纖免受外界環(huán)境的影響，保證光纖監(jiān)測(cè)的安全。

圖3 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

本研究以珠三角某工程項(xiàng)目為研究背景，輸水隧洞自西向東穿越珠三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，包括5個(gè)圓形工作豎井、4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間。其中，GS04—GS05段及GS07—GS08段為土壓盾構(gòu)區(qū)間，GS05—GS06段及GS06—GS07段為泥水盾構(gòu)區(qū)間。盾構(gòu)隧道穿越獅子洋段(GS06—GS07段)存在較多斷層破碎帶，選取此段進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究可以較為明顯地區(qū)分破碎帶內(nèi)外管片的變形情況。獅子洋區(qū)間隧道的地質(zhì)剖面見圖4。獅子洋水域?qū)? 400 m，最大水深27 m，該海底隧洞長2 252 m，隧洞最大埋深接近60 m，輸水隧洞下穿獅子洋承受水土壓力最大達(dá)到0.55 MPa。工程地區(qū)主要地層有泥質(zhì)粉砂巖、石英質(zhì)砂巖及含礫砂巖，部分巖層抗壓強(qiáng)度達(dá)到97.2 MPa，且?guī)r層石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%～70%。下穿獅子洋段隧洞的北西向有斷層F113破碎帶發(fā)育，破碎帶為斷層泥充填，膠結(jié)差，上、下盤巖體破碎，斷層與設(shè)計(jì)線路交角為47°；受破碎帶影響，隧道穿越巖體為不均質(zhì)、上軟下硬巖土體，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度造成一定影響。因此，盾構(gòu)隧道管片選取位于破碎帶內(nèi)的1 551環(huán)及位于破碎帶外的1 529環(huán)、1 538環(huán)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

圖4 獅子洋區(qū)間隧道的地質(zhì)剖面

2.2 傳感器的布設(shè)方案

由于現(xiàn)場條件有限，傳感光纖未布設(shè)所有管片，只選取部分典型環(huán)塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.1 傳感光纖布設(shè)

1 551環(huán)管片傳感光纖布設(shè)的是標(biāo)準(zhǔn)塊B1和B2；1 529環(huán)管片布設(shè)的是標(biāo)準(zhǔn)塊B1和連接塊L1；1 538環(huán)管片布設(shè)的是標(biāo)準(zhǔn)塊B4和連接塊L2。其中，標(biāo)準(zhǔn)塊弧長為3.8 m，連接塊弧長為3.5 m。傳感光纖布設(shè)如圖5所示，將光纖綁扎于鋼筋籠內(nèi)外側(cè)主筋上，并沿多個(gè)縱筋呈網(wǎng)狀布設(shè)，該布置方式的合理性已被驗(yàn)證[23-24]。由于受到現(xiàn)場環(huán)境條件限制，每環(huán)管片塊光纖布設(shè)的長度差異控制在5%內(nèi)。起始端從鋼筋籠a處依次開始布設(shè)(圖5中鋼筋籠上的字母代表傳感光纖的布設(shè)順序)。其中，1 529環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊B1的布設(shè)長度為21 m，連接塊L1的布設(shè)長度為20 m；1 538環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊B4和連接塊L2的布設(shè)長度相同，均為20 m；1 551環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊B1及標(biāo)準(zhǔn)塊B2的布設(shè)長度為20 m。

(a)1 529環(huán)

2.2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

隧道每環(huán)管片的寬度為1.5 m，外徑為7.4 m，內(nèi)徑為6.6 m，厚度為0.3 m。傳感器整體布設(shè)位置如圖6所示。其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成主要包含待測(cè)管片塊、傳感光纖及OFDR解調(diào)儀。

圖6 隧道管片傳感器位置

2.2.3 系統(tǒng)測(cè)試精度

傳感光纖采集儀采用OSI-S高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，OFDR解調(diào)儀的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集空間分辨率指標(biāo)可以達(dá)到1 mm，應(yīng)變測(cè)量精度達(dá)到±1 με，溫度測(cè)量精度達(dá)到±0.1 ℃。

2.2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場施工與監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場傳感光纖的數(shù)據(jù)采集如圖7所示。采集周期為每1～7 d采集1次數(shù)據(jù)。2021年8月28日1 529環(huán)管片完成拼裝，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到1 532環(huán)管片位置(距離1 529環(huán)4.5 m)，開始采集1 529環(huán)管片的應(yīng)變數(shù)據(jù)，初期每1 d讀取1次數(shù)據(jù)；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到1 595環(huán)管片位置時(shí)，每3 d采集1次數(shù)據(jù)；后期盾構(gòu)掘進(jìn)到1 624環(huán)管片位置時(shí)，每7 d采集1次數(shù)據(jù)；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到1 835環(huán)時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集。

(a)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀 (b)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本研究的管片監(jiān)測(cè)周期是從2021年8月28日至11月13日，選取其中較為典型的監(jiān)測(cè)時(shí)段，破碎帶內(nèi)外3環(huán)管片應(yīng)變隨傳感光纖距離的變化曲線如圖8所示，且管片應(yīng)變曲線中不同矩形區(qū)域?qū)?yīng)圖5中不同管片標(biāo)準(zhǔn)塊和連接塊鋼筋籠上傳感光纖布設(shè)的位置，圖8(a)、(b)為1 529環(huán)B1標(biāo)準(zhǔn)塊和L2連接塊應(yīng)變隨傳感光纖長度的變化曲線，監(jiān)測(cè)的時(shí)間周期為盾構(gòu)從1 532環(huán)到1 835環(huán)掘進(jìn)期間的數(shù)據(jù)。在長20 m的光纖監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)，第1次采集的數(shù)據(jù)初始應(yīng)變接近于0 με，管片未發(fā)生明顯的壓縮變形；隨著時(shí)間的推移，管片受壓變形逐步增大，標(biāo)準(zhǔn)塊B1最大壓應(yīng)變?cè)龃蟮?20 με，連接塊L2最大壓應(yīng)變?cè)龃蟮?80 με，1 529環(huán)管片塊平均每d的壓縮應(yīng)變變化量均在40 με以內(nèi)，壓縮應(yīng)變變化十分有限。1 538環(huán)B4標(biāo)準(zhǔn)塊和L2連接塊在傳感光纖監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)的應(yīng)變變化如圖8(c)、(d)所示。由于澆筑管片、管片拼裝及脫出盾尾等施工因素引起的震動(dòng)，1 538環(huán)連接塊L2的15～20 m監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)布設(shè)于鋼筋籠上的傳感光纖和縱筋耦合受到影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)效果不好，監(jiān)測(cè)區(qū)間只有16 m。該監(jiān)測(cè)管片應(yīng)變數(shù)據(jù)變化規(guī)律與1 529環(huán)管片應(yīng)變變化基本一致，受壓變形逐步增大，應(yīng)變波動(dòng)范圍為-220 με～40 με。1 538環(huán)B4標(biāo)準(zhǔn)塊和L2連接塊在10月16日至11月13日監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)的重合度較高，說明1 538環(huán)管片塊狀態(tài)趨于穩(wěn)定。位于破碎帶外區(qū)域，管片受壓變形基本穩(wěn)定條件是監(jiān)測(cè)環(huán)管片離施工環(huán)管片距離達(dá)70環(huán)以上，混凝土極限抗壓應(yīng)變值為-3 300 με，而所監(jiān)測(cè)破碎帶外的1 529環(huán)和1 538環(huán)趨于穩(wěn)定時(shí)的最大壓應(yīng)變僅為極限壓應(yīng)變的6%～7%，因此，管片變形十分有限。

(a)1 529環(huán)B1塊應(yīng)變變化 (b)1 529環(huán)L1塊應(yīng)變變化

破碎帶內(nèi)1 551環(huán)的B1標(biāo)準(zhǔn)塊和B2標(biāo)準(zhǔn)塊應(yīng)變隨傳感光纖距離的變化曲線如圖8(e)、(f)所示，應(yīng)變波動(dòng)為-300～50 με，壓應(yīng)變隨著時(shí)間逐漸增大，穩(wěn)定時(shí)最大壓應(yīng)變?yōu)榛炷翗O限壓應(yīng)變的9%，管片受壓變形有限。平均每d壓應(yīng)變變化量相對(duì)于破碎帶外的1 529環(huán)和1 538環(huán)管片增加25%；1 551環(huán)管片的應(yīng)變波動(dòng)較大，這是由于其位于破碎帶內(nèi)，注漿后及盾構(gòu)掘進(jìn)過程中都會(huì)對(duì)其應(yīng)變產(chǎn)生顯著影響，相較于破碎帶外管片變形趨于穩(wěn)定時(shí)距施工環(huán)多50環(huán)。

為深入分析所有管片變形的時(shí)效作用，本研究中將不同時(shí)間段的應(yīng)變信息均值進(jìn)行擬合，對(duì)所有的分布式應(yīng)變信息進(jìn)行趨勢(shì)分析。圖9(a)顯示的是破碎帶外1 529環(huán)和1 538環(huán)的平均應(yīng)變隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線及擬合變化曲線?？梢钥闯觯捎枚吻€可以較好地?cái)M合應(yīng)變的變化規(guī)律。1 529環(huán)和1 538環(huán)的平均應(yīng)變從初始的0 με開始，隨時(shí)間推移呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，在第65 天1 529環(huán)平均應(yīng)變降至201 με，1 538環(huán)平均應(yīng)變下降至148 με；二次擬合曲線與實(shí)際曲線擬合程度較高，應(yīng)變擬合曲線顯示，1 529環(huán)平均應(yīng)變?cè)诘?5 天趨于穩(wěn)定，1 538環(huán)平均應(yīng)變則在第45 天達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定階段1 529環(huán)受壓變形增大到混凝土極限壓應(yīng)變的5%；相對(duì)于1 529環(huán)的變形，1 538環(huán)的受壓變形更加有限，只增大到混凝土極限壓應(yīng)變的4%。破碎帶內(nèi)1 551環(huán)的平均應(yīng)變隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線及擬合曲線的變化曲線如圖9(b)所示?？梢钥闯?，1 551環(huán)平均應(yīng)變整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，相較于破碎帶外的1 529環(huán)和1 538環(huán)，1 551環(huán)的平均應(yīng)變波動(dòng)較大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，在第60 天1 551環(huán)平均應(yīng)變降至210 με；二次擬合曲線與實(shí)際曲線擬合程度較低，R2只達(dá)到0.67，應(yīng)變擬合曲線可以看出1 551環(huán)平均應(yīng)變?cè)诘?5天達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定階段的受壓變形相對(duì)于破碎帶內(nèi)的1 529環(huán)和1 538環(huán)增加23%，因此，破碎帶內(nèi)的管片受壓變形更大。

(a)破碎帶外管片

3.2 注漿工況對(duì)管片變形的影響規(guī)律

隧道管片施工的步驟是推進(jìn)—拼裝管片再推進(jìn)—拼裝，循環(huán)進(jìn)行。在盾尾拼裝完管片后，再進(jìn)行下一環(huán)的推進(jìn)。推進(jìn)過程中，管片會(huì)脫出盾尾，與土體接觸。由于盾尾外徑比管片外徑大，管片脫出盾尾時(shí)，與土體之間存在一定的間隙，因此，需要漿液填充這部分間隙，避免土體塌陷，造成地面的沉降。盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿，主要起控制地面沉降的作用，避免發(fā)生位移。二次注漿是后期發(fā)現(xiàn)同步注漿效果不理想時(shí)再進(jìn)行的漿液補(bǔ)注。

為探究不同時(shí)期注漿后管片變形的影響規(guī)律，在長20 m的光纖監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)選取4個(gè)應(yīng)變均勻的中段點(diǎn)，取平均數(shù)，分析注漿后管片應(yīng)變隨著時(shí)間的變化規(guī)律。圖10示出了1 529環(huán)、1 538環(huán)和1 551環(huán)不同塊管片注漿后隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線。位于破碎帶外的1 529環(huán)和1 538環(huán)管片塊在注漿后應(yīng)變整體為下降趨勢(shì)。同步注漿后，管片不斷受壓變形，由于處于良好的土層地質(zhì)中，漿液不會(huì)向土層內(nèi)擴(kuò)散，且漿液還未初凝時(shí)對(duì)管片存在一定的浮力，壓應(yīng)變?cè)?2～47 με波動(dòng)；二次注漿后，由于注漿后放熱，壓應(yīng)變?cè)谛》秶鷥?nèi)減小，漿液初凝后壓應(yīng)變開始不斷增大，增大到150～190 με后趨于穩(wěn)定。位于破碎帶內(nèi)的1 551環(huán)管片，注漿后管片壓應(yīng)變變化規(guī)律與破碎帶外的管片前期差距明顯，這是由于土層地質(zhì)條件不好，同步注漿后，漿液會(huì)向破碎帶中的土層擴(kuò)散，導(dǎo)致注漿效果不佳，且注漿量也相較于破碎帶外的1 529環(huán)和1 538環(huán)多6%，壓應(yīng)變急劇增大到110～120 με；二次注漿后，管片壓應(yīng)變隨時(shí)間的推移逐漸增大，穩(wěn)定時(shí)達(dá)到150～210 με。穩(wěn)定階段各環(huán)管片塊壓應(yīng)變相差在50 με以內(nèi)。3環(huán)管片壓縮變形在不同階段的注漿后差距明顯，同步注漿后的管片變形相對(duì)于二次注漿增加203%，即同步注漿后對(duì)管片變形的影響更為顯著。

圖10 管片注漿應(yīng)變變化曲線

3.3 破碎帶內(nèi)外管片變形差異性分析

為研究破碎帶內(nèi)外對(duì)管片變形的影響，將管片塊監(jiān)測(cè)時(shí)段分為同步注漿、二次注漿及穩(wěn)定階段3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行變形對(duì)比分析。圖11示出了同步注漿及二次注漿3 d后不同管片塊的應(yīng)變柱狀圖。其中，同步注漿中1 538環(huán)和1 551環(huán)的注漿量相差在1%以內(nèi)，同步注漿后破碎帶外1 538環(huán)不同塊的壓應(yīng)變?cè)黾?0～50 με，位于破碎帶內(nèi)的1 551環(huán)管片壓應(yīng)變相對(duì)于破碎帶外的1 538環(huán)管片的壓應(yīng)變?cè)黾?17%；二次注漿中1 529環(huán)和1 551環(huán)注漿量相差在5%以內(nèi)，二次注漿后破碎帶外的1 529環(huán)不同塊的壓應(yīng)變?cè)黾?0 με左右，位于破碎帶內(nèi)的1 551環(huán)管片壓應(yīng)變相對(duì)于破碎帶外的1 538環(huán)管片的壓應(yīng)變?cè)黾?7%?？梢钥闯觯扑閹?nèi)管片塊變形是破碎帶外管片塊變形的2.6倍，表明注漿后管片壓應(yīng)變因?yàn)槲挥谄扑閹е杏忻黠@增大的趨勢(shì)。

管片塊

管片拼裝后60 d壓縮變形逐步增大直至穩(wěn)定，3環(huán)管片變形趨勢(shì)一致，穩(wěn)定階段的管片塊應(yīng)變柱狀圖如圖12所示，變形有限且趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，管片注漿后出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。由于注漿后會(huì)使得土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，超孔隙水壓力與時(shí)間成反比，在超孔隙水壓力消散的同時(shí)會(huì)引起土體有效應(yīng)力增加，土體體積會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生固結(jié)壓縮，最終作用在管片上，引起管片壓力增大，即最終穩(wěn)定時(shí)3環(huán)管片壓應(yīng)變相差在22%以內(nèi)。

圖12 施工后管片應(yīng)變變化

4 結(jié)論與討論

本研究以實(shí)際工程為背景，利用OFDR分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道管片在不同工況與不同地質(zhì)條件下的變形特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，主要結(jié)論如下：

1)采用OFDR光纖傳感技術(shù)可全分布式監(jiān)測(cè)施工中盾構(gòu)隧道管片高空間分辨率、高精度的應(yīng)變特征變化。

2)OFDR應(yīng)變特征反映了注漿對(duì)隧道管片的加固作用，注漿后管片壓應(yīng)變會(huì)逐漸增大，同步注漿的注漿量是二次注漿量的5倍左右，而同步注漿下的管片變形約為二次注漿下管片變形的3倍，即同步注漿相較于二次注漿對(duì)管片的變形影響更為顯著。

3)OFDR應(yīng)變特征反映了破碎帶空間位置對(duì)隧道管片變形特征的影響。位于破碎帶內(nèi)的監(jiān)測(cè)環(huán)與施工環(huán)的距離相對(duì)于破碎帶外的距離要多50環(huán)以上，管片變形才會(huì)趨于穩(wěn)定，且管片位于破碎帶內(nèi)的變形為破碎帶外變形的2.6倍左右。

OFDR技術(shù)對(duì)于隧道管片的監(jiān)測(cè)只能反映內(nèi)部的應(yīng)變場，還需要結(jié)合其他的收斂計(jì)、沉降計(jì)等綜合評(píng)判隧道管片的結(jié)構(gòu)安全。此外，本研究采用光纖傳感器鎧裝光纖沿著鋼筋籠縱筋回路布設(shè)，在管片混凝土澆筑、管片拼裝及管片脫出盾尾等施工過程中會(huì)引起震動(dòng)，傳感光纖發(fā)生曲折會(huì)導(dǎo)致部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不理想。因此，進(jìn)行管片混凝土澆筑時(shí)，為避免傳感光纖接頭受到漿液的影響，可用發(fā)泡膠將其封裝于方盒中，起到防護(hù)作用。監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)隧道管片鋼筋籠中布設(shè)的傳感光纖成活率為78%，傳感光纖布設(shè)于鋼筋籠的方法及防護(hù)方式仍需要改進(jìn)和優(yōu)化，后續(xù)將進(jìn)一步研究如何提高傳感光纖與被測(cè)結(jié)構(gòu)(盾構(gòu)隧道管片)的耦合。