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DOI:.2095- .
振弦式与 FBG 监测技术在盾构工程中的应用对比
Comparison of Application of Vibrating Wire Monitoring Technology and FBG Monitoring
Technology in Shield Engineering
庞瑞祺 1，李 洋 2，朱 杰 3
PANG Ruiqi1, LI Yang2, ZHU Jie3
1. 广东粤海粤东供水有限公司，广东 揭阳 515500
2. 广东粤港供水有限公司，广东 深圳 518001
3. 南京南瑞水利水电科技有限公司，江苏 南京 211100
Yuehai YuedongWater Supply Co., Ltd., Jieyang 515500, Guangdong, China
Yue Gang Water Supply CompanyLimited, Shenzhen 518001, Guangdong, China
3. Nanjing Nari Hydroelectric & Water Conservancy Technology Co., Ltd., Nanjing 211100, Jiangsu, China
摘要：采用理论分析和现场试验的方式，对比了振弦式 controlled below 5%, which can meet the engineering
与 FBG 监测技术在盾构工程结构监测中的应用效果。 monitoring requirements. The research content can pro-
结果表明，振弦式传感器具有测量精度稳定、长期漂 vide scientifi c basis for reasonable selection of monitoring
移小于 20 με 的特点，而光纤布拉格光栅（fi ber bragg technology under similar engineering conditions.
gratings, FBG）传感器在测量范围、响应速度和抗电磁 Keywords: shield engineering; vibrating wire sensor; FBG
干扰方面表现优异。对比试验显示，两种技术测量结 sensor
果的相关系数达 ，85% 的测点相对误差控制在 5% 中图分类号：U455
以下，均能满足工程监测需求。研究内容可为类似工
程条件下合理选择监测技术提供科学依据。
、 、
关键词：盾构工程；振弦式传感器；FBG 传感器 振弦式监测技术 FBG 监测技术在测量原理 性
[1]
Abstract: By means of theoretical analysis and fi eld test, 能参数、环境适应性等方面存在显著差异 。深入分
the application eff ects of vibrating wire monitoring tech- 析和对比这两种监测技术的技术特征与工程适用性，
nology and FBG monitoring technology in shield engi- 能为盾构工程监测方案的科学选择提供重要依据。
neering structural monitoring are compared. The results
show that the vibrating wire sensor has the characteristics 1 振弦式监测技术概述
of stable measurement accuracy and long-term drift less
振弦式传感器基于钢弦振动频率与张力关系的物
than 20 με, while the fiber bragg gratings (FBG) sensor
[2]。
has excellent performance in measurement range, response 理原理实现应变测量 传感器内部的钢弦在外力作
speed and anti-electromagnetic interference. The com- 用下产生张力变化，张力变化直接影响钢弦的自然振
[3]
parative test shows that the correlation coefficient of the 动频率 。激振线圈向钢弦施加脉冲电流，产生磁场，
measurement results of the two technologies reaches , 钢弦振动在磁场中切割磁感线，产生感应电动势，拾
and the relative errors at 85% of the measuring points are 振线圈接收感应信号并传输至读数仪。钢弦振动频率
与张力的关系表达式为
作者简介： 庞瑞祺，男，本科，工程师，研究方向为水利工程建设
安全管理；李洋，男，硕士，工程师，研究方向为水利 （1）
技术管理；朱杰，男，本科，高级工程师，研究方向为
水利工程项目管理。 式中：f 为振动频率；L 为钢弦有效长度；T 为钢弦张力；
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庞瑞祺，李 洋，朱 杰：振弦式与 FBG 监测技术在盾构工程中的应用对比
μ 为钢弦线密度。 性能指标方面存在差异。振弦式与 FBG 监测技术对比
应变与频率变化的关系表达式为 如表 1 所示。
（2） 表 1 振弦式与 FBG 监测技术对比
项目 振弦式传感器 FBG 传感器
式中：ε 为应变值；K 为标定系数；Δ f 为频率变化值；f0 为
测量范围 /με ±3 000 ±10 000
初始频率。
测量精度 /με ±3 ±2
振弦式传感器具备良好的长期稳定性，采用密封
分辨率 /με
， ， 、
结构设计 内部钢弦与外界环境隔离 可有效避免湿度 工作温度 /℃ -20 ～ 80 -40 ～ 85
腐蚀性气体对测量精度造成影响。频率信号作为数字 响应时间 /s 500 ＜ 1
量传输，抗干扰能力强，传输距离可达数千米。振弦 使用寿命 /a ＞ 20 ＞ 25
式传感器制造工艺相对成熟，标定精度高，在工程应 传输距离 /km ＜ 3 ＞ 10
用中表现出良好的可靠性和经济性。但是，振弦式传
振弦式传感器在测量精度方面表现稳定，长期漂
感器的测量精度受温度影响明显，需要进行温度补偿，
移小，适合对精度要求不高但需要长期稳定监测的应
补偿后应变值的计算公式如下：
用场合。FBG 传感器在测量范围、分辨率、响应速度
（3）
方面具有明显优势，能够捕捉快速变化的应变信号。
式中：εs 为温度补偿后的应变值；εc 为直接测量应变值；
α 为温度修正系数；Δ T 为温度变化值。 环境适应性对比
振弦式传感器安装工艺相对简单，传感器与结构
2 FBG 监测技术概述 接触面通过焊接或螺栓连接实现应变传递，电缆连接
采用防水接头，现场接线方便。但是，振弦式传感器
FBG 通过紫外激光在光纤纤芯内形成周期性折射
故障时需要更换整个传感元件，维护成本较高。其单
率调制结构。宽谱光源发出的光信号在光纤中传播至
点成本较低，但长距离布线需要使用大量电缆，材料
光栅区域，特定波长的光信号被反射回来。布拉格反
成本较高 [5]。
射条件满足下式：
FBG 系统安装需要专业的光纤熔接技术，现场施
（4）
工对人员技术要求高。单根光纤上可集成多个传感点，
式中：λB 为布拉格波长；ne ff 为纤芯有效折射率；t 为光
， ，
栅周期。 系统布线简洁 光纤断裂时可通过重新熔接修复 维
。 ，
应变作用下光栅周期发生变化，反射波长产生相 护灵活性好 虽然 FBG 系统初期投资较高 但在大规
， ， 。
应偏移。波长偏移与应变的关系式为 模监测中具备成本优势 系统集成度高 运维成本低
（5） 4 实例分析
：Δ ； ；
式中 λB 为波长偏移量 Pe 为有效弹光系数 αn 为折 工程概况
射率温度系数；αt 为热膨胀系数。 某地铁盾构隧道全长 km，隧道外径为 m，
FBG 传感器具备优异的电磁兼容性，光信号传 覆土深度为 15 ～ 22 m，穿越粉质黏土、粉砂、卵石
输不受电磁干扰影响，适用于强电磁环境下的监测应 等多种地层。工程采用振弦式与 FBG 两种监测技术，
用。单根光纤可集成多个 FBG 传感器，实现分布式测 对管片结构进行同步监测。监测断面选择地质条件变
[4]
量，从而大幅降低了布线复杂度 。光纤材料具备良 化较大的区域，共设置 14 个监测断面，间距为 200 m。
好的化学稳定性，在酸碱环境中保持稳定的传感性能。 每个断面在管片拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰位置布
FBG 传感器同样需要进行温度补偿，可通过双参数测 置测点，振弦式传感器与 FBG 传感器在相同位置对称
量方程组求解温度与应变的影响。 布置，以确保测试条件一致 [6]。典型监测断面传感器
布置方案如表 2 所示。
3 振弦式与 FBG 监测技术对比
监测数据分析
测量性能对比 监测期间共采集 180 d 的有效数据，采样频率为
两种监测技术在测量范围、精度、分辨率等关键 1 次 /h。在盾构掘进阶段，管片结构承受土压、水压
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设备与施工 2025 年 11 月 第 51 卷 第 11 期 总第 208 期
表 2 典型监测断面传感器布置方案 长期稳定性评估
振弦式传感器 传感器 ， ，
测点位置 FBG 监测参数 连续监测 12 个月 数据显示 两种传感器均表现
编号 编号
出良好的长期稳定性。振弦式传感器的年漂移量小于
拱顶内表面 VW-01 FBG-01 环向应变
， 。
拱顶外表面 VW-02 FBG-02 环向应变 20 με FBG 传感器的年漂移量小于 15 με 长期监测
左拱腰内表面 VW-03 FBG-03 环向应变 数据的统计分析，发现两种传感器在不同季节温度变
左拱腰外表面 VW-04 FBG-04 环向应变 化条件下都能保持较好的测量稳定性。
拱底内表面 VW-05 FBG-05 环向应变 长期稳定性系数的计算公式如下：
拱底外表面 VW-06 FBG-06 环向应变
（6）
右拱腰内表面 VW-07 FBG-07 环向应变
右拱腰外表面 - - 环向应变
VW 08 FBG 08 式中：S 为稳定性系数；n 为数据点数；εi 为第 i 次测
。
等外部荷载，应变值呈现递增趋势。振弦式传感器测 量值
，
得拱顶最大压应变为 -850 με，FBG 传感器测得最大压 振弦式传感器平均稳定性系数为 FBG 传感
。
应变为 -863 με，两者差值为 13 με，相对误差为 %。 器平均稳定性系数为 两种技术均满足盾构工程长
。
数据分析结果表明，两种传感器在捕捉结构应变变化 期监测要求
趋势方面具有良好的一致性，能够准确反映盾构施工
结束语
过程中的结构响应 [7]。 5
在注浆加固阶段，管片周围土体密实度提高，应 研究表明，振弦式传感器技术成熟、稳定性好，
变值趋于稳定。振弦式传感器与 FBG 传感器测量结果 适合长期监测项目；FBG 传感器测量范围大，响应速
的相关系数达到 ，一致性较高。统计分析结果表 度快，抗干扰能力强，适合高精度监测需求。工程实
明，在正常工况下，两种传感器测量结果的标准偏差 例表明，两种技术的测量结果相关系数达 ，85%
均小于 15 με，满足工程监测精度要求。 的测点相对误差控制在 5% 以下，满足工程监测要求。
测量精度验证 盾构工程监测应根据具体工程的特点合理选择技术方
， 。
选择 10 个典型测点进行精度对比分析，计算两种 案 以实现监测效果与经济效益的最优平衡
传感器测量结果的平均相对误差。统计分析结果表明， 参考文献
，
85% 的测点相对误差在 5% 以下 92% 的测点相对误 [1] [J].隧道与
差在 10% 以下。两种传感器不同环境条件下的测量精 轨道交通，2023（3）：17-21，60.
[ ] 絮凝 抽滤处理盾构工程废弃泥浆的脱水及强化机
度如表 3 所示。 2 - -
理[D].镇江：江苏科技大学，2023.
表 3 两种传感器不同环境条件下的测量精度 [3] 沙莎，刘学增，
康监测与安全评价[J].隧道建设（中英文），2024，44（增刊1）：485-
测点数量 / 平均相对 最大相对 标准偏差 /
环境条件 495.
个 误差 /% 误差 /% %
[4]
常温干燥 32
[D].广州：华南理工大学，2021.
高湿环境 28
[5] [