基于弱光纖光柵的盾構穿越全過程土體擾動特性研究

徐 陽， 吳靜紅， 王 源， 樊綠葉， 馬千里， 師文豪

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011； 2.昆山市地下空間技術研究院有限公司，江蘇 昆山 215300； 3.北京建工集團有限責任公司，北京 100055）

隨著我國地下空間的不斷開發與利用，地鐵隧道的建設逐漸完善，盾構法施工廣泛應用于地鐵隧道的建設中。 然而受盾構施工環境與施工工藝等因素的影響，盾構隧道掘進難免會對周邊地層產生一定的擾動，進而造成臨近建（構）筑物筑及地下管線的變形破壞。

目前研究盾構隧道掘進引起土體變形規律主要是使用分層沉降儀。 潘泓，虞興福，姜忻良等[1-3]通過布置分層沉降點，利用分層沉降儀，分析了盾構通過監測點位的不同階段，以及不同土層的分層沉降、水平位移、地表沉降等變化規律。 然而通過使用分層沉降儀來測量土體的分層沉降，往往會產生較大的誤差[4]，其精度難以達到毫米級，同時可能因為施工導致測點周圍土體變形過大，破壞測點，對施工環境要求較高。 近年來，隨著信息技術的快速發展，光纖光柵監測技術已廣泛應用于橋梁結構、水利工程、巖土工程等領域[5-8]。 尤其是在地面沉降監測方面[9-11]，通過在監測位置進行鉆孔埋置分布式感測光纜，形成鉆孔全斷面監測系統，對地面沉降進行精細化監測[10]。 目前，由于傳統光纜制造工藝較為復雜，解調成本昂貴，因此提高其復寫能力，通過在單根光纖上串聯多個光纖光柵傳感器，利用一個解調儀獲取多個傳感器的數據，可以降低一定成本。 然而普通光纖光柵具有過高的光反射率等缺點，在復雜工程中需要進行大規模監測時，僅靠增加光纖光柵的復用規模，無法滿足監測需要。 針對傳統光纖光柵傳感器的應用缺陷，弱光纖光柵技術作為一種新型的監測技術應運而生，其既具備光纖光柵感測技術的高精度、自動化監測優點，又可以分布式、可長距離使用[12]，尤其適用于線性工程監測[13-16]。

本文依托蘇州軌道交通S1 號線工程，利用弱光纖光柵鉆孔全斷面監測技術，通過在隧道兩側擾動范圍內布設弱光纖光柵應變光纜，獲取深部地層應變場、變形場特性，分析盾構掘進全過程擾動區土體變形規律，為盾構掘進時地下建筑物、地下管線的安全評價提供依據。

1 弱光纖光柵監測技術

1.1 光纖光柵技術

光纖光柵（FBG）傳感器利用光纖材料的光敏特性，通過使用紫外線照射的方法將入射光譜寫入纖芯內，并且使得光纖纖芯折射率沿纖芯軸向方向發生周期性變化，在纖芯內形成空間相位光柵，從而起到改變和控制光的傳播的行為的作用。 其工作原理如圖1 所示。 反射光波符合的布拉格反射公式為

圖1 弱光纖光柵陣列分布式應變監測

式中，λB為光柵的中心波長；neff為纖芯的折射率；Λ 為光柵周期。

纖芯的折射率和光柵周期往往會受到外界溫度和光纖軸向應變的影響，從而導致光柵的中心波長發生漂移[13]。 當溫度不變，波長的漂移量為

式中：Pe為光纖的彈光系數；ε 為應變量。

1.2 弱光纖光柵應變監測

為了提高光纖電纜中布拉格光柵的復寫能力，通過降低布拉格光柵的反射率R，學者們提出了弱光纖布拉格光柵（UWFBGs）技術[17-18]。 數千個具有弱反射率（即R≤0.1%）的光纖光柵可分別寫入同一光纖芯中，每個弱光纖光柵可測量應變或溫度結果。 基于時分復用（TDM）技術，當大量弱光纖光柵串聯時，所有弱光纖光柵都可以定位，因為它們對入射光的反射時間在不同的位置不同（見圖1）。 因此，一系列具有相同折射率和波長（λ1=λ2=…=λn）的弱光纖光柵可以在光纖芯中復用，即相同的弱光纖光柵陣列。 最后，反射時間用于定位傳感器，波長偏移用于獲得應變或溫度變化，即

當然，經我們研究，伏爾加河河水未冰凍實非造成西岸部眾未能參予東歸的主要原因。當時游牧于西岸的是與渥巴錫政見不同的和碩特、杜爾伯特臺吉扎木揚、揚德克，以及敦杜克夫家族所轄之部眾，這部分王公貴族并不同意渥巴錫的東歸主張，甚至還出現像扎木揚那樣的告密者。因此，西岸各部王公不會起而響應才是真正的原因，而渥巴錫出于對這些人的疑慮，不把東歸義舉的準確信息向他們透露，也是正常的兵家之道。

式中，c 是光纖中的光速；d 是弱光纖光柵的間隔距離；t 是在光纖中接收兩個弱光纖光柵波長之間的時間間隔。 與基于布里淵散射或瑞利散射的分布式應變傳感光纜相比，弱光纖光柵監測技術可以記錄和遠程傳輸應變結果，用于現場監測的數據采樣時間間隔可達1 分鐘。 其他屬于手動測量技術，因此現場測量和數據存儲都是手動進行的。 通常，弱光纖光柵監測技術明顯的特征是固定和低采樣頻率，而在長期監測中，分布式應變傳感光纜監測技術的采樣頻率可能在3 到5 個月之間。

1.3 應變積分方法

對于常規分布式應變傳感光纜（見圖2（a）），可以通過沿著光纖長度積分，得到整個土體的沉降或隆起量，計算公式

圖2 土體變形引起的光纜應變分布[16]（a：分布式應變傳感光纜；b：弱光纖光柵應變傳感光纜）

式中，Δh 為土層從h1至h2的土層變形量，ε（h）為深度h 處土層的應變值，正值表示隆起，負值表示沉降。

而對于采用了弱光纖光柵的應變傳感光纜（見圖2（b）），只有光纜內部的柵點才能響應土體應變，因此光纜的變形為

式中，ΔH 為H2至H1的變形量，ε（H）為弱光纖光柵中H2到H1的單點應變。

2 蘇州軌道交通S1 線盾構隧道土體擾動監測

2.1 工程概況

蘇州市軌道交通S1 號線是是蘇州軌道交通線網中首條與上海軌道交通線網對接的軌道交通線路，目前正在建設，隧道起始于蘇州市工業園區的唯亭站，終止于蘇州市昆山市花橋站，隧道在昆山市內沿主干道前進路下方布設，其中玉山廣場站～珠江路站區間位于昆山市老城區，隧道周邊建（構）筑物群密集且多為上世紀八九十年代老舊建筑，且部分建筑為無基礎或者淺基礎建筑，對盾構隧道施工過程中周邊環境產生的沉降控制要求極高（見圖3），擾動深度范圍內土層分布如表1 所示。 該區間采用土壓平衡盾構施工，盾構機長度為9.7 m，刀盤直徑為6.85 m，管片外徑為6.6 m，內徑為5.9 m，每環管片寬度為1.2 m。 區間隧道起點里程為左（右）DK17+295.310，終點里程為左（右）DK18+463.878。

表1 地層主要物理參數

圖3 玉珠區間周邊環境示意圖

2.2 監測方案

為有效監測盾構掘進過程中對土體的擾動以及周邊環境的影響，在擾動范圍內通過鉆孔植入弱光柵感測光纜來獲取土體應變場。所用光纜為直徑4.8 mm、柵距1 m 的高密度定點密集分布式應變傳感光纜，如見圖4 所示，應變系數為1.183 pm/με，應變測試量程20 000 με。 該光纜采用獨特內定點設計實現空間非連續非均勻應變分段測量，配合密集分布式應變感測技術使用，具有良好的機械性能和抗拉壓性能，能與巖土體、混凝土等結構很好耦合，施工便捷，同時能抵御各種惡劣工況環境。 采用的柜式密集分布式光纖解調儀（見圖5），測試精度達到0.01 mm /m，該設備基于光時域定位技術（OTDR），實現了對分布式傳感光纜的應變/溫度多點測量。具有精度高、定位準確、實時性好等優勢。集光電、硬件、信號處理等高新技術于一體，能夠實現自動化采集，適用于土木結構、地質災害監測系統集成。

圖4 弱光纖光柵應變光纜

圖5 柜式密集分布式光纖解調儀

圖7 光纜布設（a：鉆孔施工；b：導頭組裝；c：下放導頭和光纜；d：鉆孔回填；e：監測站建立）

基于弱光纖光柵監測技術的土體變形監測系統于2022 年1 月20 日安裝完成，20 d 后進行數據自動化采集，2 月10 日至3 月10 日監測期內，左線穿越測點1 和2，右線尚未始發，在盾構距離監測點80 m 范圍內，采集頻率為2 次/天，分別是上午9:00 點與下午17:00 點，在盾構遠離監測點80 m 以外后，采集頻率降低為1 次/2 天，采集時間為下午17:00 點，測點1 共采集數據30 次，測點2 共采集數據40 次。

3 監測結果與分析

3.1 擾動范圍內深部土體應變場變化

將盾構隧道接近測點至80 m 時的監測數據作為初始值，隨后每期監測數據減去初始數據，即得每個測點的應變變化值，如圖8 所示。 其中正應變為隆起，負應變為壓縮。

圖8 應變隨深度變化曲線（a：測點1；b：測點2）

圖8（a）測點1 距左線隧道橫向距離為15 m，應變變化主要分兩個區域，地表至10 m 深度范圍土體主要為壓應變，表明土體呈壓縮狀態，且地表位置處，土體壓縮變形最大。10 m 至20 m 深度范圍內土體為正應變，表明距隧道中心軸線上方10 m 內的土層主要是隆起變形。 圖8（b）測點2 距左線隧道距離為25 m，土體應變隨深度變化規律與測點1 略有不同，主要表現為地表至13 m 深度范圍土體主要為壓縮狀態，而距隧道中心軸線上方7 m 內為隆起變形，且距隧道中心軸線位置越近，受到的影響越大。 主要原因是測點1、測點2與隧道間距不同，隨著測點與左線隧道的間距增大，盾構掘進對周邊土體擾動的深度范圍也逐漸減小。 這與盾構開挖引起的擠土效應相符合，深層土體向遠離隧道的方向移動[19]。

3.2 盾構穿越全過程土體變形規律

對整個鉆孔20 m 范圍內土體應變進行積分，得到測點1 與測點2 地表變形曲線，如圖9 所示。 從圖中可以看出，土體的變形主要與盾構接近測點的距離有關，測點1 與測點2 土體變形規律類似，盾構掘進對地表變形的擾動可分為4 個階段[5]（見圖10）：當盾構位置在測點后方時（Ⅰ），由于盾構開挖面推力略大于前方土體的原始側壓力無法完全平衡，因此盾構隧道掘進時會引起前方土體的隆起。 隨后在盾構穿越測點過程中（Ⅱ），由于盾構殼體是刀盤直徑大于盾殼直徑的錐形體，盾構通過時造成一定的地層損失，同時在盾殼與周圍土體的側向摩擦力的作用下，引起了地表的沉降變形，并在盾尾管片脫出后達到最大。 而當盾構通過后（Ⅲ），安裝管片的同時完成同步注漿進而補償盾構通過引起的地層損失影響，此時在盾尾注漿壓力作用下，地表產生一定隆起變形。 最后在盾構遠離測點后（Ⅳ），隨著注漿漿液的硬化以及工后土體的固結沉降，整個土體產生壓縮變形，地表沉降趨于穩定。

圖9 地表變形曲線（a：測點1；b：測點2）

圖10 盾構掘進地表沉降階段

值得注意的是，在盾構開挖面到達測點之前，測點2 地表隆起變形大于測點1，原因是盾構到達測點1之前，開挖面推力為12 364 kN、扭距為1 539 kN·m、土壓為1.8 bar，而在盾構到達測點2 之前，開挖面推力為18 734 kN、扭距1 447kN·m、土壓2.8 bar，可以看出，Ⅰ階段施工參數的變化對地表變形的影響較大。

通過對測點1、測點2 不同土層應變進行積分，即可得到不同深度土層變形情況，如圖11 所示，盾構隧道掘進引起不同深度土層變形也可分為四個階段。

圖11 土體分層沉降曲線（a：測點1；b：測點2）

圖11（a）盾構隧道到達測點1 之前，土層③3 和④2a 為隆起，而土層①1 和②1、②y 為壓縮狀態，其中④2a 隆起量最大，約為0.21 mm，隨著遠離隧道中心軸線土層由隆起轉至壓縮狀態，至土層①1 達到最大沉降。當盾構刀盤穿越測點1 至盾尾離開后，土層③3 和④2a 呈沉降趨勢，而土層①1 和②1、②y 有一定的隆起趨勢。 在盾構開挖面離開測點10 m 后，盾尾管片脫出的同時立即通過同步注漿對地層變形進行了控制，此時土層③3 和④2a 產生一定的隆起，而土層①1 和②1、②y 幾乎沒有變化。 最后當盾構位于測點1 前方60 m后，各土層均產生沉降變形，并趨于穩定。

測點2 監測時間較長于測點1，因此在第一階段可以看到，在盾構開挖面位于測點2 后方60 m 以外，盾構推進對此測點處土層沉降幾乎沒有影響，而隨著盾構的接近，土層④1 均產生了較大的隆起趨勢，而土層①1 和②1、②y 幾乎沒有變化。盾構穿越時，土層開始沉降，隨后受到注漿作用，又產生一定隆起，且變化量較大。 在盾構通過后，各土層都趨于沉降。

從圖11 中可以看出，盾構穿越測點1、測點2 的全過程中，土層①1 和②1、②y 變化趨勢都較為平穩，說明盾構施工對土層①1 和②1、②y 影響程度較小。 與測點1 不同的是，測點2 距左線隧道距離較遠，而測點2處土層④1 變形程度最大卻大于測點1 處土層③3 和④2a，這是由于測點2 位置處④1 粉質黏土層受擾動變形程度大于測點1 位置處③3 粉土夾粉砂層和④2a 粉砂夾粉層?？梢姵軜嬍┕涤绊懲翆幼冃瓮?，不同性質的土體受擾動變形程度不同。

3.3 土體變形對周圍環境擾動分析

測點2 的位置附近存在雨水管線測點YS1 和建筑物農業發展銀行測點JZ1、JZ2， 雨水管線埋深在地下1 m 左右。 雨水管線測點YS1 和建筑物農業發展銀行測點JZ1、JZ2 采用精密水準儀和銦鋼尺對埋置的監測點位進行監測，監測精度為±1 mm。 隧道掘進過程中監測的土層變形、雨水管線以及建筑測點隆沉量變化如圖12 所示。

圖12 周邊環境擾動分析（a：土體變形與雨水管線沉降；b：土體變形與建筑沉降）

圖12（a）為測點2 地下1m 深度范圍土體沉降和YS1 對比分析曲線，可以看到，YS1 與測點2 土體變化規律一致，主要表現為盾構到達監測點位前引起前方隆起變形，隨后盾構經過過程中發生沉降，但沉降變形均較小，主要原因是測點2 與YS1 距左線距離較遠，在注漿作用下產生一定隆起變形，最后盾構離開后，測點YS1 逐漸恢復沉降變形。圖12（b）中建筑測點JZ1、JZ2 變形規律與YS1 類似，但是注漿引起的隆起變形小于雨水管線的隆起變形，同時盾構離開后，建筑沉降速率更快，主要是建筑整體重量大于雨水管線，在盾構離開后對土層的壓縮變形更大。 因此，可以通過弱光纖光柵實時獲取土體變形，從而判斷臨近建（構）筑物及地下管線的變化趨勢，采取正確的預防措施和及時的控制措施。

4 結論

通過對盾構隧道掘進引起周邊土體的分層沉降規律分析，可以得到以下結論：

（1）在盾構隧道推進過程中，不同土層的隆沉情況不同，距隧道中心軸線上方一定范圍內的土層，主要產生隆起變形，并且隨著距隧道中心軸線距離越遠，隆起量越小，而靠近地表范圍內的土層主要產生沉降變形，且距隧道中心軸線上方距離越遠，沉降越大。距隧道的橫向距離越近，隧道中心軸線上方隆起土體范圍越大。

（2）不同深度土層分層沉降分為四個階段，其中，距隧道距離較近的土層變形更明顯，盾構到達前受開挖面推力，土艙壓力等施工因素影響，土層產生一定的隆起變形，盾構穿越時周邊土體與盾殼摩擦力及地層損失會造成土層的沉降，并在盾尾管片脫出后達到最大，盾尾離開注漿是控制地表沉降最直接有效的方法，最后盾構遠離后整個土層都趨于穩定沉降。 而距隧道距離較遠處土層變形盾構穿越的全過程中變化穩定，不同性質的土體受擾動變形程度不同。

（3）盾構擾動范圍內，弱光纖光柵監測獲取的土體變形趨勢與臨近建（構）筑物及地下管線變形較為吻合，可用于判斷臨近建（構）筑物及地下管線的變化趨勢，及時采取預防和控制措施。

弱光纖光柵監測技術為盾構施工引起的土體變形監測提供一種新型的監測方法，具有廣泛的應用前景；但盾構施工周邊環境往往較為復雜，應沿隧道軸向和橫向布設多點監測網絡，實現盾構全過程的實時監測。