基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别.pdf

文章编号：0258-2724(2024)01-0011-09DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220003专栏：轨道交通车辆与建筑环境控制、安全及节能基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别李锦辉1，张俊齐1，魏强2，贾大鹏2，郭东1，白石3，欧进萍1（1.哈尔滨工业大学（深圳）深圳市土木工程智能结构系统重点实验室，广东深圳518055；2.中国国家铁路集团有限公司，北京100844；3.智性纤维复合加固南通有限公司，江苏南通226010）摘要：隧道围岩变形和松动圈厚度是隧道结构设计的重要考虑因素和安全运营的重要参考依据，现有的松动圈识别方法和隧道围岩变形测量手段多停留在检测层面，缺乏长期实时监测方法.为此，研发内嵌光纤的自感知纤维增强复合材料（FRP）锚杆，提出基于内嵌光纤自感知 FRP 锚杆的隧道围岩智能监测系统，可以实现对围岩变形立体化、全天候的实时监测；结合监测数据与理论分析，提出隧道围岩松动圈的识别方法，并将该智能监测方法应用于广汕高铁陈塘隧道.研究结果表明：自感知 FRP 锚杆能够精准探知现场施工对围岩变形的影响规律，型钢钢架对隧道围岩的支护作用较为突出；监测数据可以实时反映自感知锚杆的受力规律，从而准确识别隧道不同位置围岩的松动圈厚度；基于自感知 FRP 锚杆的隧道围岩智能监测系统将在隧道运营过程中持续、实时监测隧道围岩的变形，为隧道全生命周期的结构安全提供高技术保障.关键词：智能监测；松动圈；围岩变形；光纤光栅；自感知 FRP 锚杆中图分类号：U25文献标志码：ALoose Zone Identification for Surrounding Rock of Tunnels UsingSelf-Sensing Fiber Reinforced Plastic AnchorsLI Jinhui1,ZHANG Junqi1,WEI Qiang2,JIA Dapeng2,GUO Dong1,BAI Shi3,OU Jinping1(1.ShenzhenKeyLaboratoryofIntelligentStructureSysteminCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China;2.ChinaStateRailwayGroupCo.,Ltd.,Beijing100844,China;3.ZhixingFRPReinforcementNantongCo.,Ltd.,Nantong226010,China)Abstract:Thedeformationofthetunnelsurroundingrockandthethicknessoftheloosezoneareimportantconsiderationsfortunnelstructuredesignandanimportantreferencebasisforsafeoperation.However,theexisting identification methods of the loose zone and measurement methods of tunnel surrounding rockdeformationaremostlyatthedetectionlevel,andlong-termandreal-timemonitoringmethodsareinadequate.Inthispaper,aself-sensingfiberreinforcedplastic(FRP)anchorembeddedwithopticalfiberwasdeveloped,andanintelligentmonitoringsystemforthetunnelsurroundingrockbasedontheself-sensingFRPanchorembeddedwithopticalfiberwasproposed.Themonitoringsystemcanrealizethree-dimensional,round-the-clock,andreal-time monitoring of surrounding rock deformation.Based on the monitoring data and theoretical analysis,amethod to identify the loose zone of the tunnel surrounding rock was proposed.The intelligent monitoringmethodwasappliedtotheChentangtunnelinGuangzhoushantouhigh-speedrailwayforthefirsttime.Theresults show that the self-sensing FRP anchor can accurately detect the influence of field construction onsurroundingrockdeformation,andthesteelframehasaprominentsupportingeffectonthetunnelsurrounding收稿日期：2022-01-01修回日期：2022-04-28网络首发日期：2022-05-23基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（K2020G031）第一作者：李锦辉（1978），女，教授，博士，研究方向为岩土工程智能监测与诊断，E-mail：引文格式：李锦辉，张俊齐，魏强，等.基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别J.西南交通大学学报，2024，59(1)：11-19LIJinhui,ZHANGJunqi,WEIQiang,etal.Loosezoneidentificationforsurroundingrockoftunnelsusingself-sensingfiberreinforcedplasticanchorsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024，59(1)：11-19第59卷第1期西南交通大学学报Vol.59No.12024年2月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYFeb.2024rock.Themonitoringdatacanreflecttheforcelawoftheself-sensinganchorinrealtime,soastoaccuratelydeterminethethicknessoftheloosezoneofsurroundingrockatdifferentpositionsofthetunnel.Theintelligenttunnelsurroundingrockmonitoringsystembasedontheself-sensingFRPanchorwillcontinuouslyandtimelymonitorthedeformationoftunnelsurroundingrockduringthetunneloperationandprovideahigh-techguaranteeforthesafetyofthetunnelstructureduringthefulllifecycle.Key words:intelligentmonitoring;loosezone;deformationofsurroundingrock;fibergrating;self-sensingFRPanchor近年来中国的铁路建设蓬勃发展，截至 2020 年底，中国铁路运营里程达 14.5 万公里，其中，投入运营的铁路隧道共 1.6 万余座，总长约 1.9 万公里1-2.隧道的开挖使得洞壁周边围岩的原始应力平衡状态被打破，围岩强度随之下降，且径向应力突增，洞室周边围岩因强度低于重分布应力而趋向于先破坏，进而应力逐步向深部围岩转移，破坏范围逐步加深，直到形成新的平衡.与此同时，洞壁周边形成了一个松弛破碎带，称之为松动圈3.松动圈理论在地下空间的开发与利用领域已得到广泛的认知，松动圈厚度越大，支护越难，研究隧道围岩松动圈的分布范围和规律对完善隧道支护结构设计和工程建设具有重要的理论价值和工程意义.此外，在隧道运营过程中，由于列车荷载、地质灾害等其他外力的影响，隧道松动圈极有可能会随着荷载的影响而变化4-5，随着松动圈厚度的变大，施加在隧道衬砌的荷载也可能增大，存在隧道安全运营隐患和人员伤亡风险.经过多年的发展，已经形成了多种松动圈的现场测试方法，运用较为广泛的主要有声波法6-8、地震波法9、地质雷达法10-11、多点位移计法12等：声波法的测试原理为声波在岩石中传播的波速会因裂隙的发育程度、岩石密度、岩石应力等因素的不同而改变，声波波速高的部位围岩完整性好，测得不同深度的岩石波速值，即可判断围岩松动圈厚度；地震波法原理与声波法类似，也是通过探测围岩波速的差异来判断松动圈的范围，又可细分为层析成像法和折射波法，后者可实现无损检测；地质雷达法同样是一种无损检测技术，通过脉冲波探测裂缝的分布去判断松动圈的边界；多点位移计法是沿某一径向测量不同深度围岩的位移随时间变化量，位移变化量大则说明该深度岩体不稳定，由此可以得到该位置的松动区范围.以上方法中，前 3 种都是检测某一时刻隧道围岩的状态，具体应用都会受到岩性、围岩破碎程度、施工方式等因素的限制；多点位移计法则通过观测隧道围岩一段时间的变形情况进行判断，适用性较好，但测量精度有待提高.松动圈检测方法针对某一时刻或是短时间内的围岩情况进行检测，无法对围岩的长期变形情况进行精确的实时监测，更无法在运营期及时反映隧道风险.锚杆是隧道中常用的支护结构，对锚杆的检测或监测工作具有重要意义，目前大多数装置或设备只能检测锚杆的轴力.文献13采用应变片测量锚杆轴力，即在锚杆一侧沿轴向开一条矩形槽，贴上电阻应变片并用环氧树脂做保护.由于应变片不够稳定，固化后可能产生零点漂移影响测量精度.文献14将若干个钢弦式钢筋应力计串联组合，研制了一种测力锚杆，该锚杆通过螺纹组装，自身受力性能有待提高.文献15设计了一种锤击声学法锚杆轴力监测装置，利用结构的固有频率与载荷之间的线性关系，改变结构自由振动时发出声音的频率，根据不同频率的声音来判断锚杆轴向力的大小.此外，还有应力波法16-17、超声波法18等多种锚杆检测方法.光纤传感器具有测量精度高、防水性能好、信号稳定、信号传输损失小等优点19，在锚杆监测方面已有初步应用.文献20将 3 个光纤布拉格光栅粘贴在锚杆杆体表面，进行锚杆受力监测的室内试验，同时用应变片进行对比试验，表明光纤布拉格光栅传感器精度更高，可实现在线实时监测.文献21将 4 片光纤光栅应变片粘贴在锚杆表面，将其应用于现场试验，获得了锚杆轴力的变化特性，为光纤传感技术和锚杆监测的结合积累了经验.文献22同样通过在锚杆表面外贴光纤光栅传感器，建立一个光纤光栅锚杆受力监测系统，该系统能够对锚杆受力进行实时在线监测，并能实现分布式测量.文献23在锚杆表面开槽，布置光纤光栅串后用环氧 AB 胶填充，获得锚杆在切向荷载下各位置的应变情况.由于光纤传感器自身十分脆弱，一直以来，将其应用于实际工程的过程中，涉及传感器保护、传感器安装、线路铺设与保护等方面都是亟待解决的难题.12西南交通大学学报第59卷本文研发了内嵌光纤的自感知纤维增强复合材料（FRP）锚杆，提出了基于自感知 FRP 锚杆的隧道围岩智能监测系统，并结合监测数据与理论分析提出了隧道围岩松动圈的识别方法.玻璃纤维、碳纤维等材料具有很高的强度，且与光纤有天然融合的特性，将二者一体化制作成型，即可得到内嵌光纤自感知 FRP 锚杆.该方法有效保护了脆弱的光纤，使得制品具备受力承载与感知传感的双重功能，这样既解决了光纤传感器在工程应用中成活率低的问题，同时 FRP 锚杆也可以代替原位置锚杆而起到支护作用.在隧道开挖时，将自感知 FRP 锚杆安装到围岩深部，可实现隧道施工-运营全过程的变形监测，同时对松动圈厚度及后期发展进行长期识别.1 内嵌光纤自感知 FRP 锚杆（B）光纤布拉格光栅（FBG）是应用最广泛的一种光纤光栅，是采用激光直接在单模光纤上刻有沿轴向折射率变化的无源器件24.其原理相当于一个特殊的反射镜，只反射某特定波长附近的光，其他波长的光则无损透过，这个特定的波长被称作光栅中心波长.应变变化会显著导致 FBG 中心波长的变化，光纤布拉格光栅传感技术就是将光射入光纤布拉格光栅，通过检测光栅反射光或透射光的波长光谱，实现对应变的绝对测量.每一根光纤上可以刻录多个中心波长不同的光栅测点，可实现多测点的同时测量，以满足准分布式测量的需求.光纤布拉格光栅通常只考虑其纵向应变传感，因为其对横向应变的灵敏度较纵向小得多25.本文所研发的内嵌光纤自感知 FRP 锚杆核心生产工艺为：在加工生产 FRP 锚杆时，将光纤光栅取代中部的一根纤维束，使其经历加热、固化和冷却等热处理工艺而形成一个整体，生产的 FRP 杆体就嵌入了具有感知特性的光纤光栅传感器，其详细生产工艺流程见图 1（a），剖面图见图 1（b）.对制备成型的内嵌光纤 FRP 杆体进行了截面电镜扫描分析，扫描结果显示，内嵌光纤与 FRP 材料界面结合效果好，光纤与 FRP 材料完全粘结，利用 FRP 材料的力学性能和耐久性能长期有效地保护光纤光栅，在保证传感器工作精度的前提下，极大提高了传感器的耐久性能.工程应用时，制备成型的内嵌光纤 FRP杆体可按照需求切割成任意长度，在端部剥离出光纤并熔接上光纤跳线，即可得到完整的自感知 FRP锚杆，如图 1（c）所示.为了增加锚杆表面的摩擦力和黏结力，增强锚杆的锚固性能，本文中的 FRP 锚杆在成肋的基础上，还在表面粘结了石英砂.锚杆的外径为 25mm，弹性模量为 40GPa.自感知 FRP 锚杆同时具备受力和自感知双重性能，即在加固隧道围岩的同时，可实现对自身应力（应变）的长期监测，进而实现对隧道围岩变形的长期监测.安装刮胶环设备预热配胶拉挤缠绕冷却成型筋体切割光纤光栅FRP 筋剥纤接线(a)自感知 FRP 锚杆生产工艺流程(b)自感知 FRP 锚杆剖面(c)多测点自感知 FRP 锚杆测点 n测点 2测点 1光纤跳线封装保护自感知FRP 锚杆穿纱穿光纤引纱图1自感知 FRP 锚杆及其生产流程Fig.1Self-sensingFRPanchoranditsproductionflow 2 隧道围岩智能监测系统BT隧道围岩智能监测系统的设计是将多根自感知锚杆分别布设于隧道多个断面的不同位置，每根锚杆深入围岩深部并设计多个光栅测点，实现对隧道围岩多个位置和多个深度的环向立体化监测，从而明确围岩不同位置各个深度的变形规律，为分析隧道不同位置松动圈的厚度提供可靠数据.由于温度变化也会导致 FBG 传感器波长的变化，且 FBG 传感器的温度灵敏度是应变灵敏度的 9 倍左右25，所以在进行自感知锚杆应变监测时需要剔除温度变化带来的影响，否则会造成监测数据精度下降.FBG 中心波长与应变和温度变化关系为B=+TT，（1）T式中：为温度灵敏度系数，为 FBG 温度的变化量.第1期李锦辉，等：基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别13采用绝对温度补偿方法，将不锈钢封装的温度传感器（如图 2）置于围岩内，其自身抗拉压刚度很大，且几乎不受力，则其波长数据只由温度改变所引起.自感知锚杆光栅测点和温度传感器外部环境相同，有同样的温度变化，监测锚杆和温度传感器光栅波长变化分别为B1=1+TT1，（2）BT=TT1，（3）B1BT1T1式中：为监测锚杆光栅波长变化量，为温度传感器光栅波长变化，和为检测锚杆的应变和温度变化量.由式（2）和式（3）得出计算锚杆应变变化量的计算式（式（4）.因此，利用温度传感器只受温度影响而不受外力影响的特点，剔除温度对 FRP 锚杆中光纤光栅传感器的影响.1=B1BT.（4）图2光纤光栅温度传感器Fig.2FiberBragggratingtemperaturesensor在系统设计中需首先选取合适的监测断面，开挖后及时安装自感知 FRP 锚杆，根据施工流程，若爆破开挖分台阶进行，则自感知锚杆安装也分步完成.隧道围岩智能监测系统的安装需要与现场施工紧密配合，其安装流程和系统概况如图 3 所示.在锚杆安装时，将光纤光栅温度传感器同步安装在隧道围岩内，与锚杆置于相同的环境之下，让二者保持完全一致的温度变化.隧道围岩智能监测系统由自感知 FRP 锚杆、光纤光栅解调仪、无线传输设备和远程接收软件组成，可实现对隧道围岩变形的远程实时监测.自感知 FRP 锚杆自身具备感知性能，在施工过程中需对感知元件进行保护，其中，有以下 4 点注意事项：1）光纤跳线易折断，若自感知 FRP 锚杆的光纤跳线直接暴露在衬砌中，应对光纤跳线进行适当的保护（包裹 PVC 管或金属波纹管等）；2）衬砌台车就位浇筑混凝土时，须对光纤跳线进行保护，避免衬砌台车混凝土模具贴紧仰拱上弯部分时挤压光纤跳线；3）振捣衬砌混凝土时应避免振捣棒对光纤跳线造成破坏；4）进行隧道内路面施工、机电设备安装等工作时，自感知 FRP 锚杆与隧道外解调仪的连接光缆应妥善保护.测量放线搭设工作平台钻孔、下锚杆布线及防护注浆喷射混凝土前期数据采集安装无线设备(a)监测系统安装流程(b)监测系统组成示意监测断面隧道远程接收数据存储管理数据处理分析安全评估预警无线传输设备光缆解调仪运营监测图3监测系统安装流程及示意Fig.3Monitoringsysteminstallationprocess 3 广汕高铁陈塘隧道围岩智能监测广州至汕尾高速铁路陈塘隧道位于广东省惠州市惠东县，长 344m，埋深 1040m，直径 13m，单洞双线.选择有地下水涌出的级围岩断面作为典型监测断面，布置自感知 FRP 锚杆对围岩变形进行监测.监测断面初支采用 I22a 型钢钢架，间距 0.6m，喷射混凝土标号为 C25.为了避免单一数据的偶然性以及施工质量导致数据不可靠，现场布设间距为 1.2m 的 M1 和 M22 个断面，M1 断面位于隧道 DK173+750m 里程处，M2 断面位于 M1 断面前方 1.2m 处.2 个断面锚杆布设方案相同，分别在左边墙、左拱肩、拱顶、右拱肩和右边墙位置各安装一根自感知 FRP 锚杆（如图 4（a）.对于围岩松动圈的预判，锚杆长度设计为4.0m，包含 4 个光栅测点，测点间间距为 1.0m，边缘测点距锚杆端部均为 0.5m（如图 4（b），所有自感知锚杆垂直于隧道临空面安装.自感知 FRP 锚杆的安装如图 5 所示，钻孔后将锚杆安装到位，预留注浆管，然后先喷浆，后续通过注浆管再注浆.锚杆安装过程中需要特别注意跳线的保护.现场将跳线穿过 PVC 管，贴紧型钢钢架布14西南交通大学学报第59卷设，喷浆后即被埋置在隧道初支内部.喷浆前在合适的部位提前固定一截较粗的钢丝波纹管或者 PVC管，用于临时放置跳线，方便前期将跳线取出测量数据.隧道开挖采用三台阶施工方法，随着台阶的逐步下移，上方跳线需同步向下迁移，以方便前期数据采集.(a)锚杆安装位置示意(b)锚杆自感知测点布置(单位：m)左拱肩左边墙右拱肩右边墙FRP 智能锚杆3645拱顶光纤测点 1测点 2测点 3测点 40.51.01.0布拉格光栅锚杆远端锚杆近端0.51.0图4自感知锚杆布置示意Fig.4Layoutofself-sensinganchor智能锚杆光纤跳线(a)锚杆安装及出线(b)光纤跳线保护光纤跳线钢丝波纹管PVC 管PVC 管图5锚杆的现场安装与保护Fig.5Installationandprotectionofanchoronsite广汕高铁陈塘隧道智能监测系统中的数据采集和无线传输系统如图 6 所示.采集和传输设备安置在隧道出口外，通过光缆将其与自感知 FRP 锚杆相连接.光纤光栅解调仪监测到的数据通过数据传输单元（DTU）无线传输到服务器，通过频率控制器可实现对数据采集频率的远程控制.传输到服务器的数据可以远程实时调取，进而实时获取隧道围岩的变形.频率控制器解调仪电源调节器DTU电源图6数据采集和无线传输系统Fig.6Dataacquisitionandremotetransmissionsystem 4 隧道围岩变形和松动圈厚度分析 4.1 施工期间自感知 FRP 锚杆变形的实时监测本文提出的自感知 FRP 锚杆能够实时监测隧道围岩的变形，图 7 显示了 M1 断面右拱肩处锚杆轴向应变随时间的变化规律.测点 1、2、3 各有 3 处应变陡升，与现场的爆破分布开挖施工紧密相关.2021 年 5 月 23 日进行了监测断面的右边墙位置（中台阶）开挖工作，导致 23 日到 24 日期间测点 1、2、3 压应变突增.5 月 26 日进行了监测断面的前一个断面下层台阶开挖工作，导致 26 日到 27 日期间测点 2 和测点 3 压应变突增.6 月 5 日进行了监测断面下层台阶开挖工作，导致 5 日到 6 日期间测点 2和测点 3 压应变突增.可以看到，自感知锚杆对现场开挖施工有十分灵敏的感知性能，同时，也验证了自感知锚杆作为监测元件的可靠性.3002001000100200300监测断面右侧中台阶开挖前一断面下层中台阶开挖监测断面下层台阶开挖测点 1测点 2测点 3测点 4锚杆轴向应变/日期(2021年)5月20日5月25日5月30日6月4日6月9日6月14日6月19日6月24日图7M1 断面右拱肩锚杆应变Fig.7StrainofanchoratrightspandrelofM1section6 月 8 日以后应变值均趋于平稳，呈收敛趋势.锚杆的测点 1、2、3 均处于受压状态，且变化趋势基本一致.测点 1 始终处在受压状态，压应变值最小，最终稳定在70 左右；测点 2 和测点 3 初期有较第1期李锦辉，等：基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别15小的拉应变，23d 后两测点受力状态由拉变压，测点 2 压应变值最大，最终稳定在250 左右；测点 3压应变值居中，最终稳定在160 左右；最深处测点 4 始终处于受拉状态，拉应变先均匀增加，后趋于收敛，最终拉应变稳定在 270 左右.因此，分步开挖后 1d 内的光栅测点应变变化十分剧烈，说明现场的开挖工序对围岩变形的“短时影响”远大于“长期影响”.4.2 隧道右拱肩处围岩应变变化规律及松动圈识别0（fc）图 8 为 M1 断面右拱肩锚杆收敛后的轴向应变分布，测点 1（距临空面 0.5m）、测点 2（距临空面1.5m）和测点 3（距临空面 2.5m）均处于受压状态，测点 4（距临空面 3.5m）处于受拉状态.图 9 给出了该锚杆的受力分析简图.本项目中初期支护采用型钢钢架，刚度较大，对靠近临空面一定范围内的围岩位移产生限制，对锚杆端部岩体施加压应力（），导致此范围内围岩施加于锚杆表面的界面剪应力指向围岩深部，则锚杆测点 1、2 处的应力分别为11=wl10fcddl/d240=wl104fcddl0,（5）12=wl204fcddl0,（6）lid式中：规定以拉为正，所有物理量均取绝对值；为第 i 个测点距隧道临空面的距离，i=1，2，3，4；为锚杆直径；l 为各测点距离临空侧的距离，m.1112以上受力分析显示，测点 1、2 处均受压，且测点 2 处的压应力值更大.根据现场监测的应变数据与锚杆特性可以计算得到=2.92MPa，=10.16MPa，与上述理论分析一致.00.51.01.52.02.53.03.54.03002001000100200300测点与隧道临空面的距离/m锚杆轴向应变/图8M1 断面右拱肩处锚杆的轴向应变分布Fig.8AxialstraindistributionofanchoratrightspandrelofM1section松动区初支0fcfsl5l4l3l2l10测点 4测点 3测点 2测点 1图9M1 断面右拱肩处锚杆受力分析Fig.9ForceanalysisofanchoratrightspandrelofM1sectionfs深层围岩产生向隧道临空面的收敛变形，为锚杆施加了指向临空面的界面剪应力（），则测点 3、4处的应力分别为13=wl3l24fsddlwl204fcddl0，（7）14=wl4l24fsddlwl204fcddl0.（8）1314监测数据显示，测点 3 处受压，但压应力值比测点 2 处小，这是因为测点 3 处受到了隧道深处围岩向临空面的界面剪应力，导致此处压应力减小.随着测点 4 向围岩深部延伸，指向临空面的界面剪应力持续增加，导致测点 4 处受拉.根据图 8 可计算得到=6.32MPa，=10.36MPa，与上述理论分析一致.变形特征显示出 M1 断面右拱肩处锚杆所监测的2.5m 深度内的围岩均有向临空面移动的趋势，因此，松动圈厚度大于 2.5m.4.3 隧道左边墙处围岩应变规律及松动圈识别隧道围岩的应变变化和松动圈范围会随着不同位置而表现出不同的规律.图 10 给出了 2 个断面在左边墙处 2 根锚杆的轴向应变分布，其轴向应变分布规律相似，测点 1 均处于受压状态，其余测点（1.5m及深部）均处于受拉状态.即锚杆靠近临空面位置受压，向中部逐渐变为受拉，再向深部拉应变逐渐减小，拉应变峰值出现在深度 2.02.5m 处.0fc对于 M2 断面处的锚杆，图 11 给出了其受力简图.由于钢拱架的支护作用，对锚杆端部施加，锚杆浅层部位受到背离临空面的，测点 1 处的轴向16西南交通大学学报第59卷应力为21=wl104fcddl0.（9）fs因此，测点 1 处受到压应力，锚杆中间部位受到指向临空面方向的，测点 2 和测点 3 处的轴向应力逐渐变为拉应力，分别如式（10）、（11）.22=wl2l14fsddlwl104fcddl0，（10）23=wl3l14fsddlwl104fcddl0.（11）fw随着锚杆在隧道深部的锚固作用，稳定围岩为锚杆施加了指向围岩深部的界面剪应力（），则测点 4 处的轴向应力又逐渐减小为24=wl4l34fwddl+wl3l14fsddlwl104fcddl0.（12）00.51.01.52.02.53.03.54.010050050100150M1 断面M2 断面测点与隧道临空面的距离/m锚杆轴向应变/图10M1、M2 断面左边墙处锚杆轴向应变分布Fig.10AxialstraindistributionofanchorsatleftwallofM1andM2sectionsfsfcfwl5l4l3l2l10初支松动区非松动区测点 4测点 3测点 2测点 10图11M2 断面左边墙处锚杆受力分析简图Fig.11ForceanalysisofanchoratleftwallofM2section21222324根据图 10 与锚杆特性可得到=1.32MPa，=0.81MPa，=4.72MPa，=0.40MPa，与上述理论分析一致.如图 10 中 M2 断面锚杆应变分布所示，钢拱架给锚杆端部施加了初始压应力，导致测点 1 受压，测点 13 之间的围岩向锚杆施加指向临空面的界面剪应力，导致测点 2、3 受拉，且测点 3拉应力值更大，测点 3 更深处的围岩向锚杆施加了指向围岩深部的界面剪应力，导致测点 4 的拉应力值变小.文献26提出了全长锚固锚杆的“中性点”，即锚杆最大轴向拉力点的位置.中性点处锚杆和孔壁之间的界面剪应力为 0，靠近临空面的一段锚杆起到阻止松动围岩变形的作用，锚杆所受剪应力指向临空面，其余一段锚杆锚固于深层稳定围岩中，起到抗拔作用，锚杆所受剪应力指向围岩深处.文献27-28中关于锚杆轴力和松动圈关系的结论与本文分析一致，显示锚杆中轴力（拉应变）最大的位置与隧道松动圈范围密切相关.因此，由监测结果可以识别左边墙处的松动圈厚度约为 2.5m.5 结论本文提出了一种基于内嵌光纤自感知 FRP 锚杆的隧道围岩智能监测系统和松动圈识别方法.通过将准分布式光纤光栅传感器与 FRP 材料有机结合，研发了自感知 FRP 锚杆，将锚杆系统安装于隧道不同位置的围岩深部，实现了对隧道围岩的全天候、全方位的实时监测，可以发现，隧道全生命周期的围岩变形规律与松动圈发展变化规律.采用该智能监测系统对广汕高铁陈塘隧道进行了监测，得到以下结论：1）自感知 FRP 锚杆能够实现隧道深部围岩变形的实时自感知，为施工和运营阶段全生命周期、全天候的实时监测提供智能手段.2）基于自感知锚杆的隧道围岩智能监测系统能够精准感知现场分步开挖对围岩变形的短期影响，能够精确量化型钢拱架等联合支护体系对隧道围岩的支护作用，给出隧道不同部位围岩的实时变形规律，从而得出准确的力学状态，为优化调整支护参数提供依据.3）基于监测数据能够对自感知锚杆进行准确的受力分析，并据此识别隧道不同部位围岩的松动圈厚度，为加固围岩的深度提供依据.根据现场的量测，广汕高铁陈塘隧道拱肩处的松动圈厚度大于2.5m，边墙处的松动圈厚度约为 2.5m，对于拱顶加固深度应适当增强.4）隧道围岩智能监测系统能够在隧道运营过程中持续、实时监测隧道围岩长期变形，为隧道的安全运营提供高技术保障.第1期李锦辉，等：基于自感知纤维增强复合材料锚杆的隧道围岩松动圈识别17致谢：延崇高速（河北段）绿色公路关键技术研究（YC-201920,KT20）.参考文献：田四明，王伟，巩江峰.中国铁路隧道发展与展望（含截至 2020 年底中国铁路隧道统计数据）J.隧道建设（中英文），2021，41（2）：308-325.TIAN Siming,WANG Wei,GONG Jiangfeng.Developmentandprospectofrailwaytunnelsinchina(includingstatisticsofrailwaytunnelsinChinabytheend of 2020)J.Tunnel Construction，2021，41(2)：308-325.1谢永江，李康，胡建伟，等.高速铁路混凝土结构耐久性技术创新及发展方向J.土木工程学报，2021，54（10）：72-81.XIE Yongjiang,LI Kang,HU Jianwei,et al.Technology innovation and development tendency 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