長(zhǎng)距離光纖傳感技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用new

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1、第6期(總第124期)中國(guó)市政工程N(yùn)o.6(SerialNo.124)2006年12月CHINAMUNICIPALENGINEERINGDec.2006長(zhǎng)距離光纖傳感技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用吳鈺驊1,沈林沖2,金偉良1(1.浙江大學(xué)土木系,浙江杭州310027;2.杭州市地鐵集團(tuán),浙江杭州310003)摘要:分析了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn),提出了BOTDR長(zhǎng)距離光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案中,具有全程、實(shí)時(shí)、抗干擾、耐久等優(yōu)點(diǎn)。采用鋼管外包混凝土模型模擬隧道結(jié)構(gòu),檢驗(yàn)了長(zhǎng)距離光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)變檢測(cè)性能。關(guān)鍵

2、詞:地鐵隧道;結(jié)構(gòu)變形;BOTDR;健康監(jiān)測(cè);二元線性回歸中圖分類號(hào):U456文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004-4655(2006)06-0059-031應(yīng)變檢測(cè)基本原理形受多方面因素影響。長(zhǎng)距離光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用分布式光纖傳感技地鐵隧道施工階段的變形監(jiān)測(cè)很重要,但運(yùn)營(yíng)階術(shù),光纖每一段既是應(yīng)變量測(cè)的敏感單元,又是其他段因時(shí)間跨度大、影響因素復(fù)雜、災(zāi)害社會(huì)影響大，敏感單元量測(cè)信息的傳輸通道,可以獲得被測(cè)物理量故該階段隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)更應(yīng)重視。已建地鐵在光纖各點(diǎn)處空間和時(shí)間上連續(xù)分布信息[1]?；诓妓淼赖某两?、位移、隆

3、起等變形影響因素主要包括里淵時(shí)域反射BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomain這幾個(gè)方面：隧道下臥軟土層在長(zhǎng)期振動(dòng)荷載作用Reflectometer)技術(shù)，在應(yīng)變檢測(cè)時(shí)只需在光纖的一端下軟化導(dǎo)致沉降；隧道鄰近建筑施工活動(dòng)的影響；進(jìn)行激光入纖和光信號(hào)處理，光路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。采隧道上方增加地面荷載；隧道所處地層的水位變化；用布里淵散射后向散射系統(tǒng)光纖傳感器傳感測(cè)試距隧道與工作井、車站連接處差異沉降；區(qū)間隧道下離可以達(dá)到幾十千米，適合長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)[2]。[3]臥土層水土流失造成破壞性縱向變形；隧道經(jīng)過不隨應(yīng)變

4、和溫度變化的布里淵散射光頻移可用下式同土質(zhì)情況地區(qū)時(shí)，土體物理力學(xué)性質(zhì)差異導(dǎo)致隧表示：道結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降。這些影!#δPB（z）=CPεΔε（z）+CPTΔ（Tz）響因素中最典型的是鄰近基坑開挖和地鐵長(zhǎng)期振動(dòng)"PB（1）荷載作用下產(chǎn)生的隧道變形。#$δ（fBz）=CfεΔε（z）+CfTΔ（Tz）地鐵處于市中心,周圍建筑活動(dòng)頻繁,特別是經(jīng)式中：Δε（z）、Δ（Tz）為距光入射端為z處的應(yīng)變常有大規(guī)?；娱_挖，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響很大，和溫度變化；CPε、CPT、Cfε、CfT分別為對(duì)應(yīng)于光纖如圖1所示。在

5、基坑開挖過程中雖然可以采取各種后向散射光頻移和功率的應(yīng)變和溫度變化系數(shù)；δPB地鐵隧道（z）、δfB（z）為應(yīng)變和溫度變化引起的距光入射端為z處的后向散射光功率變化和頻移；PB為入射光變形后隧道功率。布里淵時(shí)域反射BOTDR技術(shù)采用光頻移和功率變化兩個(gè)參量，可以求得光纖所在位置的拉壓應(yīng)載基坑開挖荷加變和溫度變化情況。附2地鐵隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段變形特點(diǎn)地鐵隧道變形過程主要可以分為兩個(gè)階段:施工階段和運(yùn)營(yíng)階段。隧道沉降、隆起、水平位移等變圖1基坑開挖對(duì)地鐵隧道影響措施減少土體變形的產(chǎn)生，但無法消除?；咏邓崭迦掌?2006-

6、05-06將使地鐵隧道附近地下水位下降，土體產(chǎn)生固結(jié)沉基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃);經(jīng)費(fèi)資助降，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降?；娱_挖卸載，項(xiàng)目(2001AA602022-1)(2004AA602210-1)。第一作者簡(jiǎn)介:吳鈺驊(1978-),男,江蘇蘇州人,博士生。將導(dǎo)致土體發(fā)生水平位移和豎向沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至59中國(guó)市政工程吳鈺驊,沈林沖,金偉良:長(zhǎng)距離光纖傳感技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用2006年第6期發(fā)生深層土體滑移。這將影響隧道結(jié)構(gòu)的安全使用。要對(duì)長(zhǎng)距離傳感光纖的監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行標(biāo)定。在實(shí)際地鐵隧道建

7、成后，地鐵將在其中長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)營(yíng)。工程中可能有兩種布設(shè)方式：采用緊套光纜直接布在地鐵的長(zhǎng)期往復(fù)振動(dòng)荷載下，隧道結(jié)構(gòu)不可避免置于混凝土墊層內(nèi)；采用鋁塑管等對(duì)光纜進(jìn)行保護(hù)地將產(chǎn)生不均勻沉降，特別是在軟土地基的情況下，后布置于混凝土墊層內(nèi)。非常有必要對(duì)實(shí)際使用的如圖2所示。建于軟土地層中的某地鐵線路，自建光纖根據(jù)不同的施工工藝進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，以求測(cè)試地鐵隧道動(dòng)荷載變形后隧道結(jié)果能較好地符合實(shí)際情況。光纖規(guī)格及BOTDR檢測(cè)設(shè)定值見表1。表1光纖規(guī)格及BOTDR檢測(cè)設(shè)定值光纖規(guī)格長(zhǎng)距離光纖傳感器指標(biāo)軟土地基型號(hào)特制光纜（讀取分解度）

8、距離/m5光纖直徑/mm0.9（讀取分解度）應(yīng)變/με100圖2地鐵振動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下隧道變形光纜直徑/mm3.0強(qiáng)度變化范圍/dB4傳導(dǎo)損失/dB·km-10.5應(yīng)變測(cè)定范圍/με2500成投入運(yùn)營(yíng)以來，已經(jīng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的縱向沉降問容許彎曲半徑/mm30.0測(cè)定可能距離/km250題，最大累計(jì)沉降量超過20cm，年