长距离光纤传感技术在地铁隧道监测中的应用.pdf

第6期(总第124期)中国市政工程No.6(SerialNo.124)
2006年12月CHINAMUNICIPALENGINEERINGDec.2006

长距离光纤传感技术在地铁隧道监测中的应用

吴钰骅1,沈林冲2,金伟良1
(1.浙江大学土木系,浙江杭州310027;2.杭州市地铁集团,浙江杭州310003)

摘要:分析了地铁隧道结构的变形特点,提出了BOTDR长距离光纤传感技术应用到地铁隧道结构健康监测方案中,
具有全程、实时、抗干扰、耐久等优点。采用钢管外包混凝土模型模拟隧道结构,检验了长距离光纤传感系统的应变
检测性能。
关键词:地铁隧道;结构变形;BOTDR;健康监测;二元线性回归
中图分类号:U456文献标识码:B文章编号:1004-4655(2006)06-0059-03

1应变检测基本原理形受多方面因素影响。
长距离光纤传感监测系统利用分布式光纤传感技地铁隧道施工阶段的变形监测很重要,但运营阶
术,光纤每一段既是应变量测的敏感单元,又是其他段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大，
敏感单元量测信息的传输通道,可以获得被测物理量故该阶段隧道结构的健康监测更应重视。已建地铁
在光纤各点处空间和时间上连续分布信息[1]。基于布隧道的沉降、位移、隆起等变形影响因素主要包括
里渊时域反射BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomain这几个方面：隧道下卧软土层在长期振动荷载作用
Reflectometer)技术，在应变检测时只需在光纤的一端下软化导致沉降；隧道邻近建筑施工活动的影响；
进行激光入纤和光信号处理，光路结构较简单。采隧道上方增加地面荷载；隧道所处地层的水位变化；
用布里渊散射后向散射系统光纤传感器传感测试距隧道与工作井、车站连接处差异沉降；区间隧道下
离可以达到几十千米，适合长距离监测[2]。卧土层水土流失造成破坏性纵向变形[3]；隧道经过不
随应变和温度变化的布里渊散射光频移可用下式同土质情况地区时，土体物理力学性质差异导致隧
表示：道结构在长期荷载作用下产生不均匀沉降。这些影
δP响因素中最典型的是邻近基坑开挖和地铁长期振动
!B（z）=CΔε（z）+CΔ（Tz）
#PPεPT
"B（1）荷载作用下产生的隧道变形。
#
$δ（fBz）=CfεΔε（z）+CfTΔ（Tz）地铁处于市中心,周围建筑活动频繁,特别是经
式中：Δε（z）、Δ（Tz）为距光入射端为z处的应变常有大规模基坑开挖，对地铁隧道结构影响很大，
和温度变化；CPε、CPT、Cfε、CfT分别为对应于光纤如图1所示。在基坑开挖过程中虽然可以采取各种
后向散射光频移和功率的应变和温度变化系数；δP
B地铁隧道

（z）、δfB（z）为应变和温度变化引起的距光入射端

为z处的后向散射光功率变化和频移；PB为入射光变形后隧道
功率。布里渊时域反射BOTDR技术采用光频移和功

率变化两个参量，可以求得光纤所在位置的拉压应载基坑开挖
荷

变和温度变化情况。加
附
2地铁隧道结构运营阶段变形特点
地铁隧道变形过程主要可以分为两个阶段:施工
阶段和运营阶段。隧道沉降、隆起、水平位移等变图1基坑开挖对地铁隧道影响
措施减少土体变形的产生，但无法消除。基坑降水
收稿日期:2006-05-06将使地铁隧道附近地下水位下降，土体产生固结沉
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划);经费资助
降，导致隧道结构发生不均匀沉降。基坑开挖卸载，
项目(2001AA602022-1)(2004AA602210-1)。
第一作者简介:吴钰骅(1978-),男,江苏苏州人,博士生。将导致土体发生水平位移和竖向沉降，严重时甚至

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中国市政工程吴钰骅,沈林冲,金伟良:长距离光纤传感技术在地铁隧道监测中的应用2006年第6期

发生深层土体滑移。这将影响隧道结构的安全使用。要对长距离传感光纤的监测性能进行标定。在实际
地铁隧道建成后，地铁将在其中长期往复运营。工程中可能有两种布设方式：采用紧套光缆直接布
在地铁的长期往复振动荷载下，隧道结构不可避免置于混凝土垫层内；采用铝塑管等对光缆进行保护
地将产生不均匀沉降，特别是在软土地基的情况下，后布置于混凝土垫层内。非常有必要对实际使用的
如图2所示。建于软土地层中的某地铁线路，自建光纤根据不同的施工工艺进行标定试验，以求测试
动荷载
地铁隧道变形后隧道结果能较好地符合实际情况。光纤规格及BOTDR检
测设定值见表1。
表1光纤规格及BOTDR检测设定值
光纤规格长距离光纤传感器指标
软土地基型号特制光缆（读取分解度）距离/m5
光纤直径/mm0.9（读取分解度）应变/με100
图2地铁振动荷载长期作用下隧道变形光缆直径/mm3.0强度变化范围/dB4

-1
成投入运营以来，已经出现了