1 工程概况

南京地铁2号线长期结构监测报告显示集庆门~云锦路区间上行线K8+825~K9+935和下行线K8+503~K9+935里程段沉降数据异常。

（1）上行线：根据2019年6月22日和2019年6月17日数据进行对比（历时5d），上行线道床沉最大沉降–0.6mm，加密监测期间阶段沉降–29.5mm（历时276d），沉降区域主要集中在K9+422~K9+457区间。

（2）下行线：根据2019年6月23日和2019年6月13日数据进行对比（历时10d），下行线道床沉最大沉降–1.1mm，加密监测期间阶段沉降–29.9mm（历时270d），沉降区域主要集中在K8+533~K8+763区间。

项目确定监测区间为集~云区间，里程k8+800~k9+800，全长约1km，隧道顶埋深4.7~ 14.7m，区间隧道为盾构管片结构，隧道内径5.5m，隧道外径6.2m。该区间隧道坐落层为②–2b4和②–3b3–4淤泥质粉质粘土层。

2 传感原理与光缆布设

2.1 布里渊传感原理

基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术（BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）。如图1所示，BOFDA技术采用双端测试方法，两种光（泵浦光和斯托克斯光）从光纤回路的两端射入该系统中。光纤测试段受到温度或应变的变化，两种光均发生变化，再通过复杂运算后可得到光纤中具体空间与频移量的关系。该项技术具有较高的测试精度和空间分辨率，在隧道工程的分布式监测领域具有较好的应用前期。

图1??BOFDA传感原理

2.2 光缆布设方式

监测区间为集庆门大街至云锦路区间，分布式应变传感光缆布设于隧道上行线及下行线隧道侧壁，分为轴向布设和W形布设，另布设一道分布式温度传感光缆进行温度补偿。轴向应变光缆相邻固定点间距为1.2m，布设范围为：上行线S1–S810（K8+825、K9+798），即1环至810环（里程8825m至9798m），下行线X1–X829（K8+826、K9+825），即186环至829环（里程8826m至9825m），如图2所示；W形应变光缆相邻固定点间距1.7m，高度差0.8m，布设范围为：上行线S1–S810（K8+825、K9+798），即1环至810环（里程8825m至9798m），下行线X186–X828（K9+045、K9+824），即186环至828环（里程9045m至9824m），如图3所示。

图2 轴向布设示意

图3 W形布设示意

分布式传感光缆通过胶粘剂与配套夹片固定，配套夹片通过胶粘剂与隧道侧壁固定，相邻两固定夹片之间对光缆进行预拉伸，实现压缩、拉伸双向感知，如图4所示。

（a）                 （b）

图4 分布式传感光缆固定

（a）轴向固定；（b）W形固定

3 应变–变形解析算法

由分布式光纤感测技术的原理可知，光纤只对沿其轴向发生的变形敏感，而隧道的竖向变形方向和沿隧道轴向布设的光纤呈正交状态，变形不能引起光纤拉伸、压缩变形，如考虑通过利用光纤分布式和高测试精度优点实现对整个隧道沉降变形量监测，需建立光纤变形量与沉降之间的关系来实现。

如图5所示， L 为轴向传感光缆相邻固定点间距， ?L 为隧道轴向变形量，分布式应变解调设备获取的光缆应变值为单位长度上的位移变化量。

图5 轴向变形解析模型

如图6所示， a 为W形布设传感光缆相邻固定点间长度， b 、 c 分别为竖向和水平向距离， ?b 为沉降量， c 为轴向变相量。

图6 沉降变形解析模型

4 室内试验

为了验证所提方法的有效性，设计了室内试验进行验证。采用带有导轮的金属平台固定光缆，模拟光缆在隧道中的安装方式，并根据各金属平台之间的相对位置模拟实际工程中盾构管片的不同相对位移的工况。试验设计了两种工况，每个工况分别设置了10个金属平台。在光缆被固定后，视为初始值，并采集数据。随机移动各平台的位置，并使用千分表测量各平台的实际相对位置。通过解调设备获取光缆的应变值，并采用所提算法计算变形。

图7展示了不同工况下斜边光缆与直边光缆的应变变形曲线。直线段光缆具有明显应变，应变值分布在0~2000μ。而斜边段的应变值明显小于直边段，且由于平台的位移导致不同点位展现拉和压应变。基于图7中数据计算每一个点位的相对沉降量，相应的结果被呈现在图8中。如图8所示，实测值和计算值曲线形态较为一致。两次工况下的最大百分比误差分别为8.12%和9.16%，证明了所提算法的有效性。 

图7 光缆应变监测结果

图8 计算值与实测值对比结果

5 现场监测结果

传感光缆布设完成后，于2021年5月18日、6月23日和7月25日分别采集一组数据（轴向光缆及W形光缆），以5月18日数据作为初值，得到后两期数据应变变化量，根据式（1）计算得到隧道管片接缝的轴向变形分布；根据式（3）计算得到隧道沉降分布，为评价基于分布式光纤应变数据的沉降变形量真实性，选取了相近时间的水准仪测试数据进行对比，如图9、图10所示，光纤及水准监测数据均以大环号起始点作为基准点。监测时间段内，监测区间隧道轴向变形量较小，上、下行线均在±0.1?mm以内。上行线轴向主要呈拉伸变形，如图9中的a，b段变形量均呈现先增大后减小的趋势，环号250、650段变形为轴向拉伸变形极值段；下行线轴向主要表现为压缩变形，且无明显的变形集中端。

图9 上行线沉降变形分布

图10 下行线沉降变形分布

由图10可知，光纤监测的分布式沉降量范围为–2~1mm，其中编号150、250、650环附近为明显沉降点，沉降量均大于1mm。

环号250、650段隧道呈现明显的拉伸轴向变形，因此这两段隧道受周围土体两个方向的应力；分布式光纤及水准仪测试的变形值，均在1mm以内波动。

下行段轴向变形主要为压缩变形，当隧道为上凸型或下凹型时，轴向布设的光缆应均呈拉伸变形，因此该段隧道受到3个方向的应力使得其轴向受力与沉降变形均呈现不规律。

水准仪测试数据均在1mm范围内波动，在光纤识别的沉降点处也未有明显位移。

为进一步评价基于分布式光纤的沉降变形测试效果，将注浆前上行线的沉降数据进行分析，以大环号起始点作为基准点。水准仪历史监测数据曲线与分布式光纤近期监测曲线两者的变形规律呈现较强的一致性，历史沉降量较大的点位与近期光纤识别的点位一致，证明了光纤传感技术用于隧道分布式沉降变形监测的可靠性。

通过上述监测数据分析，隧道监测段目前处于相对稳定状态。该段隧道从前期沉降快速发展到目前的稳定状态，其原因在于该段隧道进行注浆修复，监测数据从侧面印证了注浆达到较好的稳固效果。

6 结论

基于分布式光纤隧道沉降监测技术，依托南京地铁2号线盾构隧道进行应用，通过建立应变–变形解析模型，获得监测区间1km长度上变形分布规律，对比水准测量数据，验证光纤分布式沉降监测结果的可靠性。监测结果如下。

（1）基于BOFDA的分布式光纤感测技术可以应用至隧道长距离分布式监测领域中。该项监测手段具有高精度，长距离，分布式监测等优点。

（2）提出一种隧道轴向位移与沉降位移计算方法，并开展室内试验并将其应用实际工程中。

（3）基于光纤监测结果可知，监测段的隧道经过注浆修复后，达到了较为显著的稳固效果，3个月时间内整体变形量在±1mm以内，历史沉降变形较大点均保持较为微小变形。