基于弱光纤光栅的盾构穿越全过程土体扰动特性研究

徐 阳， 吴静红， 王 源， 樊绿叶， 马千里， 师文豪

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011； 2.昆山市地下空间技术研究院有限公司，江苏 昆山 215300； 3.北京建工集团有限责任公司，北京 100055）

随着我国地下空间的不断开发与利用，地铁隧道的建设逐渐完善，盾构法施工广泛应用于地铁隧道的建设中。 然而受盾构施工环境与施工工艺等因素的影响，盾构隧道掘进难免会对周边地层产生一定的扰动，进而造成临近建（构）筑物筑及地下管线的变形破坏。

目前研究盾构隧道掘进引起土体变形规律主要是使用分层沉降仪。 潘泓，虞兴福，姜忻良等[1-3]通过布置分层沉降点，利用分层沉降仪，分析了盾构通过监测点位的不同阶段，以及不同土层的分层沉降、水平位移、地表沉降等变化规律。 然而通过使用分层沉降仪来测量土体的分层沉降，往往会产生较大的误差[4]，其精度难以达到毫米级，同时可能因为施工导致测点周围土体变形过大，破坏测点，对施工环境要求较高。 近年来，随着信息技术的快速发展，光纤光栅监测技术已广泛应用于桥梁结构、水利工程、岩土工程等领域[5-8]。 尤其是在地面沉降监测方面[9-11]，通过在监测位置进行钻孔埋置分布式感测光缆，形成钻孔全断面监测系统，对地面沉降进行精细化监测[10]。 目前，由于传统光缆制造工艺较为复杂，解调成本昂贵，因此提高其复写能力，通过在单根光纤上串联多个光纤光栅传感器，利用一个解调仪获取多个传感器的数据，可以降低一定成本。 然而普通光纤光栅具有过高的光反射率等缺点，在复杂工程中需要进行大规模监测时，仅靠增加光纤光栅的复用规模，无法满足监测需要。 针对传统光纤光栅传感器的应用缺陷，弱光纤光栅技术作为一种新型的监测技术应运而生，其既具备光纤光栅感测技术的高精度、自动化监测优点，又可以分布式、可长距离使用[12]，尤其适用于线性工程监测[13-16]。

本文依托苏州轨道交通S1 号线工程，利用弱光纤光栅钻孔全断面监测技术，通过在隧道两侧扰动范围内布设弱光纤光栅应变光缆，获取深部地层应变场、变形场特性，分析盾构掘进全过程扰动区土体变形规律，为盾构掘进时地下建筑物、地下管线的安全评价提供依据。

1 弱光纤光栅监测技术

1.1 光纤光栅技术

光纤光栅（FBG）传感器利用光纤材料的光敏特性，通过使用紫外线照射的方法将入射光谱写入纤芯内，并且使得光纤纤芯折射率沿纤芯轴向方向发生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，从而起到改变和控制光的传播的行为的作用。 其工作原理如图1 所示。 反射光波符合的布拉格反射公式为

图1 弱光纤光栅阵列分布式应变监测

式中，λB为光栅的中心波长；neff为纤芯的折射率；Λ 为光栅周期。

纤芯的折射率和光栅周期往往会受到外界温度和光纤轴向应变的影响，从而导致光栅的中心波长发生漂移[13]。 当温度不变，波长的漂移量为

式中：Pe为光纤的弹光系数；ε 为应变量。

1.2 弱光纤光栅应变监测

为了提高光纤电缆中布拉格光栅的复写能力，通过降低布拉格光栅的反射率R，学者们提出了弱光纤布拉格光栅（UWFBGs）技术[17-18]。 数千个具有弱反射率（即R≤0.1%）的光纤光栅可分别写入同一光纤芯中，每个弱光纤光栅可测量应变或温度结果。 基于时分复用（TDM）技术，当大量弱光纤光栅串联时，所有弱光纤光栅都可以定位，因为它们对入射光的反射时间在不同的位置不同（见图1）。 因此，一系列具有相同折射率和波长（λ1=λ2=…=λn）的弱光纤光栅可以在光纤芯中复用，即相同的弱光纤光栅阵列。 最后，反射时间用于定位传感器，波长偏移用于获得应变或温度变化，即

当然，经我们研究，伏尔加河河水未冰冻实非造成西岸部众未能参予东归的主要原因。当时游牧于西岸的是与渥巴锡政见不同的和硕特、杜尔伯特台吉扎木扬、扬德克，以及敦杜克夫家族所辖之部众，这部分王公贵族并不同意渥巴锡的东归主张，甚至还出现像扎木扬那样的告密者。因此，西岸各部王公不会起而响应才是真正的原因，而渥巴锡出于对这些人的疑虑，不把东归义举的准确信息向他们透露，也是正常的兵家之道。

式中，c 是光纤中的光速；d 是弱光纤光栅的间隔距离；t 是在光纤中接收两个弱光纤光栅波长之间的时间间隔。 与基于布里渊散射或瑞利散射的分布式应变传感光缆相比，弱光纤光栅监测技术可以记录和远程传输应变结果，用于现场监测的数据采样时间间隔可达1 分钟。 其他属于手动测量技术，因此现场测量和数据存储都是手动进行的。 通常，弱光纤光栅监测技术明显的特征是固定和低采样频率，而在长期监测中，分布式应变传感光缆监测技术的采样频率可能在3 到5 个月之间。

1.3 应变积分方法

对于常规分布式应变传感光缆（见图2（a）），可以通过沿着光纤长度积分，得到整个土体的沉降或隆起量，计算公式

图2 土体变形引起的光缆应变分布[16]（a：分布式应变传感光缆；b：弱光纤光栅应变传感光缆）

式中，Δh 为土层从h1至h2的土层变形量，ε（h）为深度h 处土层的应变值，正值表示隆起，负值表示沉降。

而对于采用了弱光纤光栅的应变传感光缆（见图2（b）），只有光缆内部的栅点才能响应土体应变，因此光缆的变形为

式中，ΔH 为H2至H1的变形量，ε（H）为弱光纤光栅中H2到H1的单点应变。

2 苏州轨道交通S1 线盾构隧道土体扰动监测

2.1 工程概况

苏州市轨道交通S1 号线是是苏州轨道交通线网中首条与上海轨道交通线网对接的轨道交通线路，目前正在建设，隧道起始于苏州市工业园区的唯亭站，终止于苏州市昆山市花桥站，隧道在昆山市内沿主干道前进路下方布设，其中玉山广场站～珠江路站区间位于昆山市老城区，隧道周边建（构）筑物群密集且多为上世纪八九十年代老旧建筑，且部分建筑为无基础或者浅基础建筑，对盾构隧道施工过程中周边环境产生的沉降控制要求极高（见图3），扰动深度范围内土层分布如表1 所示。 该区间采用土压平衡盾构施工，盾构机长度为9.7 m，刀盘直径为6.85 m，管片外径为6.6 m，内径为5.9 m，每环管片宽度为1.2 m。 区间隧道起点里程为左（右）DK17+295.310，终点里程为左（右）DK18+463.878。

表1 地层主要物理参数

图3 玉珠区间周边环境示意图

2.2 监测方案

为有效监测盾构掘进过程中对土体的扰动以及周边环境的影响，在扰动范围内通过钻孔植入弱光栅感测光缆来获取土体应变场。所用光缆为直径4.8 mm、栅距1 m 的高密度定点密集分布式应变传感光缆，如见图4 所示，应变系数为1.183 pm/με，应变测试量程20 000 με。 该光缆采用独特内定点设计实现空间非连续非均匀应变分段测量，配合密集分布式应变感测技术使用，具有良好的机械性能和抗拉压性能，能与岩土体、混凝土等结构很好耦合，施工便捷，同时能抵御各种恶劣工况环境。 采用的柜式密集分布式光纤解调仪（见图5），测试精度达到0.01 mm /m，该设备基于光时域定位技术（OTDR），实现了对分布式传感光缆的应变/温度多点测量。具有精度高、定位准确、实时性好等优势。集光电、硬件、信号处理等高新技术于一体，能够实现自动化采集，适用于土木结构、地质灾害监测系统集成。

图4 弱光纤光栅应变光缆

图5 柜式密集分布式光纤解调仪

图7 光缆布设（a：钻孔施工；b：导头组装；c：下放导头和光缆；d：钻孔回填；e：监测站建立）

基于弱光纤光栅监测技术的土体变形监测系统于2022 年1 月20 日安装完成，20 d 后进行数据自动化采集，2 月10 日至3 月10 日监测期内，左线穿越测点1 和2，右线尚未始发，在盾构距离监测点80 m 范围内，采集频率为2 次/天，分别是上午9:00 点与下午17:00 点，在盾构远离监测点80 m 以外后，采集频率降低为1 次/2 天，采集时间为下午17:00 点，测点1 共采集数据30 次，测点2 共采集数据40 次。

3 监测结果与分析

3.1 扰动范围内深部土体应变场变化

将盾构隧道接近测点至80 m 时的监测数据作为初始值，随后每期监测数据减去初始数据，即得每个测点的应变变化值，如图8 所示。 其中正应变为隆起，负应变为压缩。

图8 应变随深度变化曲线（a：测点1；b：测点2）

图8（a）测点1 距左线隧道横向距离为15 m，应变变化主要分两个区域，地表至10 m 深度范围土体主要为压应变，表明土体呈压缩状态，且地表位置处，土体压缩变形最大。10 m 至20 m 深度范围内土体为正应变，表明距隧道中心轴线上方10 m 内的土层主要是隆起变形。 图8（b）测点2 距左线隧道距离为25 m，土体应变随深度变化规律与测点1 略有不同，主要表现为地表至13 m 深度范围土体主要为压缩状态，而距隧道中心轴线上方7 m 内为隆起变形，且距隧道中心轴线位置越近，受到的影响越大。 主要原因是测点1、测点2与隧道间距不同，随着测点与左线隧道的间距增大，盾构掘进对周边土体扰动的深度范围也逐渐减小。 这与盾构开挖引起的挤土效应相符合，深层土体向远离隧道的方向移动[19]。

3.2 盾构穿越全过程土体变形规律

对整个钻孔20 m 范围内土体应变进行积分，得到测点1 与测点2 地表变形曲线，如图9 所示。 从图中可以看出，土体的变形主要与盾构接近测点的距离有关，测点1 与测点2 土体变形规律类似，盾构掘进对地表变形的扰动可分为4 个阶段[5]（见图10）：当盾构位置在测点后方时（Ⅰ），由于盾构开挖面推力略大于前方土体的原始侧压力无法完全平衡，因此盾构隧道掘进时会引起前方土体的隆起。 随后在盾构穿越测点过程中（Ⅱ），由于盾构壳体是刀盘直径大于盾壳直径的锥形体，盾构通过时造成一定的地层损失，同时在盾壳与周围土体的侧向摩擦力的作用下，引起了地表的沉降变形，并在盾尾管片脱出后达到最大。 而当盾构通过后（Ⅲ），安装管片的同时完成同步注浆进而补偿盾构通过引起的地层损失影响，此时在盾尾注浆压力作用下，地表产生一定隆起变形。 最后在盾构远离测点后（Ⅳ），随着注浆浆液的硬化以及工后土体的固结沉降，整个土体产生压缩变形，地表沉降趋于稳定。

图9 地表变形曲线（a：测点1；b：测点2）

图10 盾构掘进地表沉降阶段

值得注意的是，在盾构开挖面到达测点之前，测点2 地表隆起变形大于测点1，原因是盾构到达测点1之前，开挖面推力为12 364 kN、扭距为1 539 kN·m、土压为1.8 bar，而在盾构到达测点2 之前，开挖面推力为18 734 kN、扭距1 447kN·m、土压2.8 bar，可以看出，Ⅰ阶段施工参数的变化对地表变形的影响较大。

通过对测点1、测点2 不同土层应变进行积分，即可得到不同深度土层变形情况，如图11 所示，盾构隧道掘进引起不同深度土层变形也可分为四个阶段。

图11 土体分层沉降曲线（a：测点1；b：测点2）

图11（a）盾构隧道到达测点1 之前，土层③3 和④2a 为隆起，而土层①1 和②1、②y 为压缩状态，其中④2a 隆起量最大，约为0.21 mm，随着远离隧道中心轴线土层由隆起转至压缩状态，至土层①1 达到最大沉降。当盾构刀盘穿越测点1 至盾尾离开后，土层③3 和④2a 呈沉降趋势，而土层①1 和②1、②y 有一定的隆起趋势。 在盾构开挖面离开测点10 m 后，盾尾管片脱出的同时立即通过同步注浆对地层变形进行了控制，此时土层③3 和④2a 产生一定的隆起，而土层①1 和②1、②y 几乎没有变化。 最后当盾构位于测点1 前方60 m后，各土层均产生沉降变形，并趋于稳定。

测点2 监测时间较长于测点1，因此在第一阶段可以看到，在盾构开挖面位于测点2 后方60 m 以外，盾构推进对此测点处土层沉降几乎没有影响，而随着盾构的接近，土层④1 均产生了较大的隆起趋势，而土层①1 和②1、②y 几乎没有变化。盾构穿越时，土层开始沉降，随后受到注浆作用，又产生一定隆起，且变化量较大。 在盾构通过后，各土层都趋于沉降。

从图11 中可以看出，盾构穿越测点1、测点2 的全过程中，土层①1 和②1、②y 变化趋势都较为平稳，说明盾构施工对土层①1 和②1、②y 影响程度较小。 与测点1 不同的是，测点2 距左线隧道距离较远，而测点2处土层④1 变形程度最大却大于测点1 处土层③3 和④2a，这是由于测点2 位置处④1 粉质黏土层受扰动变形程度大于测点1 位置处③3 粉土夹粉砂层和④2a 粉砂夹粉层。可见除盾构施工参数影响土层变形外，不同性质的土体受扰动变形程度不同。

3.3 土体变形对周围环境扰动分析

测点2 的位置附近存在雨水管线测点YS1 和建筑物农业发展银行测点JZ1、JZ2， 雨水管线埋深在地下1 m 左右。 雨水管线测点YS1 和建筑物农业发展银行测点JZ1、JZ2 采用精密水准仪和铟钢尺对埋置的监测点位进行监测，监测精度为±1 mm。 隧道掘进过程中监测的土层变形、雨水管线以及建筑测点隆沉量变化如图12 所示。

图12 周边环境扰动分析（a：土体变形与雨水管线沉降；b：土体变形与建筑沉降）

图12（a）为测点2 地下1m 深度范围土体沉降和YS1 对比分析曲线，可以看到，YS1 与测点2 土体变化规律一致，主要表现为盾构到达监测点位前引起前方隆起变形，随后盾构经过过程中发生沉降，但沉降变形均较小，主要原因是测点2 与YS1 距左线距离较远，在注浆作用下产生一定隆起变形，最后盾构离开后，测点YS1 逐渐恢复沉降变形。图12（b）中建筑测点JZ1、JZ2 变形规律与YS1 类似，但是注浆引起的隆起变形小于雨水管线的隆起变形，同时盾构离开后，建筑沉降速率更快，主要是建筑整体重量大于雨水管线，在盾构离开后对土层的压缩变形更大。 因此，可以通过弱光纤光栅实时获取土体变形，从而判断临近建（构）筑物及地下管线的变化趋势，采取正确的预防措施和及时的控制措施。

4 结论

通过对盾构隧道掘进引起周边土体的分层沉降规律分析，可以得到以下结论：

（1）在盾构隧道推进过程中，不同土层的隆沉情况不同，距隧道中心轴线上方一定范围内的土层，主要产生隆起变形，并且随着距隧道中心轴线距离越远，隆起量越小，而靠近地表范围内的土层主要产生沉降变形，且距隧道中心轴线上方距离越远，沉降越大。距隧道的横向距离越近，隧道中心轴线上方隆起土体范围越大。

（2）不同深度土层分层沉降分为四个阶段，其中，距隧道距离较近的土层变形更明显，盾构到达前受开挖面推力，土舱压力等施工因素影响，土层产生一定的隆起变形，盾构穿越时周边土体与盾壳摩擦力及地层损失会造成土层的沉降，并在盾尾管片脱出后达到最大，盾尾离开注浆是控制地表沉降最直接有效的方法，最后盾构远离后整个土层都趋于稳定沉降。 而距隧道距离较远处土层变形盾构穿越的全过程中变化稳定，不同性质的土体受扰动变形程度不同。

（3）盾构扰动范围内，弱光纤光栅监测获取的土体变形趋势与临近建（构）筑物及地下管线变形较为吻合，可用于判断临近建（构）筑物及地下管线的变化趋势，及时采取预防和控制措施。

弱光纤光栅监测技术为盾构施工引起的土体变形监测提供一种新型的监测方法，具有广泛的应用前景；但盾构施工周边环境往往较为复杂，应沿隧道轴向和横向布设多点监测网络，实现盾构全过程的实时监测。