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盾构隧道变形光纤监测关键技术与应用研究

王兴  
【摘要】:随着我国城市化进程的加快,地铁盾构隧道以其经济优势以及对城市地面交通影响小等特点,成为了解决城市道路拥堵的一个重要途径。国内外研究表明,随着服役时间的增加,隧道本身会出现各种不同程度的变形破坏问题,需要及时全面监测、诊断及维护。由于传统的监测技术与观测方法还不能满足现代隧道变形监测的要求,因此亟需研发先进的监测技术与方法以满足盾构隧道结构健康监测。分布式光纤监测技术可突破传统点式传感技术的局限,可实现地铁盾构隧道长距离的分布式监测,获取隧道的整体变形状况,从而为隧道结构健康诊断和维护提供科学依据。本文针对盾构隧道的结构特点,总结了常见的盾构隧道结构病害及原因;采用两类光纤监测技术:准分布式的光纤布拉格光栅(FBG)技术和布里渊光频域分析技术(BOFDA),研发及改进了相应的光纤传感器和传感光缆,设计出了相应的布设方案,并通过室内模型试验,验证了布设方案的可行性和准确性;针对光纤监测的海量数据,研发出了相应的数据处理软件;结合苏州地铁一号线监测区间,建立了分布式光纤监测系统;根据近两年的监测数据,对该盾构隧道结构健康状况进行了分析诊断。论文开展的主要工作与成果总结如下:(1)分析总结了常见的盾构隧道结构病害,并对病害的原因与周围环境间的关系进行了分析,梳理出了盾构隧道结构病害的监测重点。(2)开展了检验分布式光纤解调仪性能的室内试验,重点对布里渊散射光频域分析解调仪(BOFDA)和时域分析解调仪(BOTDA)进行了性能对比测试。测试结果表明:fibrisTerre公司生产的BOFDA的测试精度、重复性及动态范围要远高于Neubrex生产的BOTDA,精度达到了±2με,虽然其空间分辨率低于BOTDA,但已满足盾构隧道类似线性工程的结构健康监测要求。(3)改进了针对盾构隧道病害的基于FBG的静力水准仪、表面应变计和位移计等,并开展了一系列测试标定试验;完善了既有的金属基索状应变及聚氨酯应变传感光缆,使其更符合盾构隧道结构健康监测要求。(4)开展了盾构隧道管片张-合变形监测模拟试验,获得了对应拉伸级别下的管片闭合和张开阶段的变形规律,证明了紧套聚氨酯应变传感光缆具有良好的回弹性,可对管片接缝张开和闭合变形同时监测;在盾构隧道相对封闭的情况下,可以使用这种强度不大但回弹性良好的传感光缆。(5)开展了盾构隧道管片错台变形模式试验,从理论上推导了盾构管片间错台变形与光纤应变间的关系,得出错台变形的光纤测量灵敏度与定点间距有关。光纤实测值的变形误差可控制在10%以内,可以满足了隧道变形的监测要求。(6)针对盾构隧道收敛变形特点,开展了隧道收敛变形相似物理模型试验,验证了玻璃丝布感测光缆能够准确的反映隧道的结构收敛;基于等刚度圆环简化模型,优化了隧道收敛变形计算模型,建立了光纤应变数据与收敛值间的关系,并通过模型试验对计算模型进行了检验。(7)开发了盾构隧道变形光纤监测系统。该系统由FBG监测子系统和分布式应变监测子系统构成;针对分布式光纤监测得到的海量数据,设计开发了相应的数据处理软件,可实现数据截取、倒转、做差等功;基于小波分析和多项式拟合等设计了数据平滑去噪的方法;开发了可视化隧道模型,可直观显示光纤监测得到的隧道变形三维分布信息。(8)以苏州轨道交通三个盾构隧道监测区间为例,将论文研究成果应用于盾构隧道变形的实际监测中,成功建立了苏州轨道交通盾构隧道光纤监测系统,准确地获得了苏州地铁隧道监测段近两年的变形信息。监测结果表明:在盾构管片变形最大的施工期,盾构隧道的变形问题主要集中在管片接缝处,管片本身的变形远小于管片接缝处变形;在建盾构隧道中,监测数据应变异常的点,都可以对应到现场的渗漏点处,证明了监测系统的有效性和准确性;在运营隧道相对封闭的区间内,其温度的变化与外界环境温度变化趋势一致,且温度变化幅度小于环境温度变化幅度;盾构隧道管片接缝处的变形规律与隧道内环境温度变化一致,表明接缝处的变形主要由管片的热胀冷缩变形引起的;道床上的伸缩缝变形,最大压缩量为1mm,最大拉伸量为1mm,都远小于其预留量,变形在正常范围之内。


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