基于光纤光栅技术的地铁隧道沉降监测

光纤光栅技术(FBG)是工程安全监测的一项新技术,提出了该技术应用于地铁隧道安全监测的工作思路.通过某地铁隧道沉降监测实例,探讨了光纤光栅在监测地铁隧道沉降中的可行性.研究结果显示,相比传统的精密水准测量方法,光纤光栅拥有相同等级的测量精度,在一定距离范围内可满足地铁隧道安全监测的要求.     

三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究

基于模型相似材料,研制了适用于模型试验的三向FBG(fiber Bragg grating,光纤光栅)应变传感器,克服了传统的光纤应变传感器力学干扰大等缺点,且简化了力学传递过程。采用有限元方法重点分析了胶体弹性模量对传感器力学传递特性的影响,试验中选择了弹性模量为300MPa的胶体,其应变传递系数为0.662,传感器的灵敏度为0.794pm -1。将该FBG应变传感器用于隧道开挖模型试验中,分别研究支护台阶法开挖、支护全断面开挖及无支护全断面开挖方式下的围岩应变分布状况。传感器监测结果表明,支护台阶法开挖围岩的稳定性较好。该试验为研究隧道不同开挖方式与支护方式提供了可靠的数据支撑。     

光纤光栅锚杆传感在隧道应变监测中的技术研究

针对隧道施工和运行长期监测的需要和当前的岩土监测所用电磁传感器的不足,基于分析了光纤布拉格光栅(FBG)传感监测原理和实现方法,在直径为22 mm的普通螺纹钢上设计和制作了隧道应力应变监测用的FBG锚杆传感器,并分析FBG探测锚杆轴向应变的原理。通过试验室和公路隧道现场对已制作的FBG锚杆进行动态测试与应用,效果良好,并突出了FBG锚杆传感灵敏度高、稳定性好、测量范围大、结构简单和能在野外岩土结构工程进行长期有效监测等优点。     

双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器的研究

采用双膜油腔结构研制了一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器,偏压试验表明,此土压力传感器有效改善了与土压力传感器接触部分土压力分布不均的问题。在土压力的作用下,一次膜片变形产生的压力经传压油传递给二次膜片,传压杆与等强度悬臂梁刚性连接,二次膜片中心发生的挠度变化推动传压杆,使等强度悬臂梁的自由端发生同样大小的挠度变化。通过检测粘贴于等强度悬臂梁表面中心轴线上的光纤Bragg光栅的波长移位可获得土压力。载荷试验表明,传感器的灵敏度为 412.7 pm/MPa,非线性误差为1.97%FS,重复性误差为3.68%FS。     

棒式光纤传感器在地下洞群模型试验中的应用

地质力学模型试验是在复杂条件下进行大型地下洞室围岩稳定性分析的重要研究手段,能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确模拟施工过程对厂房稳定性的影响以及岩体的破坏特征。双江口水电站地下洞群模型试验中采用预留孔径灌胶方式进行高精度的棒式光纤光栅（FBG）位移传感器的埋设,以便对洞室周边的位移进行量测,同时应用FLAC3D进行数值模拟比较。结果表明：棒式光纤光栅传感器量测方法解决了模型试验中内部变形小、量测精度要求高的问题,与数值模拟结果相吻合;试验中传感器埋设的方法是成功的,无论是开挖阶段还是超载阶段传感器均能有效地监测模型内部变形,揭示地下洞室群模型在开挖阶段和超载阶段的变形机制和破坏特征。     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅（简称FBG）变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明：FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

基于光纤传感及数字图像测试的管-土相互作用试验研究

我国城市化、工业化进程对地下管线的依赖性和需求越来越强,但是近年来相关的重大安全事故频发,亟待加强对管道破坏机理及管-土相互作用的研究。本文基于准分布式光纤布拉格光栅(FBG)技术,在室内开展了一系列平面应变模型试验,利用光纤应变传感器监测了地表加载作用下埋地管道的受力变形特征,据此提出了由应变测值反演管周土压力的计算方法;同时,利用粒子图像测速(PIV)技术获取了管道周边土体的变形规律,并和光纤监测结果进行了对比分析。试验结果表明:采用FBG传感技术,可以有效获取管周土压力分布及土体应变的演化过程;不同埋深率情况下管周土体的变形破坏模式有较大的不同,土拱效应随管道埋深增大而变得更加显著。相关结论为进一步认识埋地管道的灾变机理、提高监测预警水平,提供了一定的参考。     

光栅测试技术在顺层边坡降雨模型试验中的应用研究

针对顺层边坡降雨模型试验中的监测元器件易失效和支挡结构受力测试困难等问题,尝试采用光纤光栅技术解决以上问题。在推导不同光纤光栅传感器测试原理公式的基础上,结合光纤布拉格光栅(FBG)自主研发了相应的测试元件。在前期研究的基础上,分别构建倾角为40°的有、无支挡顺层边坡开展降雨模型试验,并对坡体位移、框架锚杆和抗滑桩受力等物理力学量的降雨发展特征开展监测。结果表明,基于光纤光栅技术的测试元器件在降雨等恶劣工作环境下仍能够保持较好的工作特性。在降雨过程中大倾角无支挡顺层边坡易发生层间错动现象,但对其施加支挡结构之后,不仅位移变化模式由陡变型转化为缓变型,且层间错动现象得到了控制。降雨过程中边坡支挡结构内力增长速率较快位置由后部逐渐向前部及深部转移,雨后顶层框锚结构内力增长不大,底层锚杆和抗滑桩内力在雨后仍有一定幅度的增长,且在降雨结束后2 h左右才达到稳定状态,可据此确定降雨工况下顺层边坡重点监控的部位及时间。研究成果为顺层边坡模型试验监测及降雨工作特性评估提供了新的思路和方法。     

热脉冲法监测集中渗漏的模型试验

基于光纤布拉格光栅（FBG）传感系统,提出了适用于土石坝心墙集中渗漏监测的热脉冲法。采用由传感加热单元、稳压电源、调压器、光纤光栅解调仪组成的监测系统进行了集中渗漏监测的模型试验。首先进行了骨料干燥和湿润条件下的试验,试验结果表明,采用温升作为判别指标难于对渗漏状态作出准确判断,为此定义了2个无量纲的判别指标? 和 ? 。采用两种渗漏流量进行了试验,并分别采用? 和 ? 进行了渗漏状态的识别,结果表明2个判别指标均能进行渗漏的准确定位,且能定性反映渗漏强度的大小,采用? 作为判别指标的识别效果优于?。     

既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖效应及支护内力影响的研究

建立了包括地层模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型以及桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的平面应变模型试验系统;通过模型试验,研究了不同水平、竖向相对位置处的既有桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。另外,采用FLAC3D软件,对模型试验及不同工况进行了数值模拟。结果表明：（1）与没有桩基荷载的自由地层中的隧道开挖试验相比较,地层中的既有桩基荷载会明显地改变邻近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力;（2）对于桩径和水平相对距离都相同,但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深比值为1.0时,对隧道开挖效应影响最大,二者比值小于1.0时,其影响程度随着比值的减小而减小,二者比值大于1.0时,桩长的改变对隧道开挖效应影响较小;（3）对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对地层压力、地层沉降及支护内力的影响随桩基荷载与隧道的水平距离的减小而增大,桩基荷载距隧道的水平距离与隧道直径比值介于0.5～4.0时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大,隧道较危险,比值介于4.0～6.0时,影响较小,比值＞6.0时,影响可以忽略不计。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究

利用离心模型试验研究隧洞开挖中支护压力P与地层位移S的关系以及地面沉降槽的形态。得到归一化P-S曲线和沉降槽计算参数。还分析了土类、密度和含水量对地层位移的影响。     

深基坑开挖对武汉长江隧道影响数值模拟

以临近武汉长江隧道的华电集团华中总部研发基地基坑项目为研究对象,采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件 MIDAS/GTS NX对该基坑施工过程中的9个施工工况进行模拟,得到基坑开挖完成后的地层、连续墙、隧道变形情况以及基坑开挖前后的隧道应力情况,并进行分析,得出模型的建立是合理可行的,且基坑开挖、支护变形带动坑外土体位移,引起临近基坑侧隧道产生水平位移最大值为4.17 mm;隧道的应力值与基坑开挖前的变化不大,在安全范围内。     

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

Three-Dimensional Back-Analysis of an Instrumented Shallow Tunnel Excavated by a Conventional Method

The excavation of a shallow tunnel induces deformations of the soil volume in the vicinity and above the tunnel and consequently on the nearby buildings. The range of these deformations depends among other on the geological conditions, the geometry of the tunnel, and the excavation method. In this context, this research focuses on the 3D numerical modeling of a shallow tunnel instrumented during its construction, located on the Toulouse (France) subway line B for which the excavation has been carried out in a conventional manner in an over consolidated molassic geological context. The objective of this analysis is to estimate the tunnel behavior in terms of vertical and horizontal movements of the surrounding soil and the deformations of the existing buildings. The explicit finite differences numerical code FLAC^3D is used to model the various implementation phases of the work where the fluid–soil interaction is taken into account through an undrained coupled analysis. The results of this 3D model are compared to those of the in situ measurements in order to validate the geotechnical characteristics of the molasses. The latter are a useful basis for the back-analysis of the different monitoring sections implemented in areas where the tunnel excavation is made by TBM with pressurized front.