一種新型鐵路路基沉降監(jiān)測技術(shù)探討

陳光富，蔡德所，2，劉健夫，汪 青，楊 樂

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.廣西壯族自治區(qū) 水利廳，南寧 530023)

目前，鐵路路基沉降傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有:沉降板、單點沉降計、剖面沉降管、沉降監(jiān)測樁等［1-4］。這些監(jiān)測方法的主要缺點是安裝復(fù)雜，干擾施工，影響施工質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集困難，尤其是均為點式測量，信息量太少，很難掌握整條鐵路路基沉降的變化。為了克服傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的缺點，本文介紹了一種新型的鐵路路基沉降監(jiān)測技術(shù)——分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)，探討了其基本原理，闡述了該技術(shù)實際應(yīng)用中光纜的選型、參數(shù)率定、鋪設(shè)及其它注意事項。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)該技術(shù)具有監(jiān)測范圍大、密度高、自動化程度高、數(shù)據(jù)精度高、抗干擾性強(qiáng)、對施工影響小等特點。該技術(shù)為鐵路路基遠(yuǎn)距離的沉降監(jiān)測提供一種切實可行的方法。

1 分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)基本原理

分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)是光時域反射技術(shù)OTDR(Optical time domain reflectometry)，它包括了對拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射3種散射光的光譜分析，光纖中的散射光譜如圖1所示［5］。沉降測量是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生布里淵散射的原理，即向光纖中注入脈沖光，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生向后散射光波，這些光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點軸向應(yīng)變和溫度的影響而改變，將散射回來的光經(jīng)系統(tǒng)處理后，便可將光纖沿線所測信息實時顯示出來，由光纖中光波的傳輸速度和入射光與反射光之間的時間差可定位光纖沿線所測信息。

脈沖光在光纖中的傳播速度會略低于真空中，測得入射光和反射光之間的時間差T，即可得到散射光的發(fā)射點距入射端的距離X為

圖1 光纖中的散射光譜

式中，C為光纖中的光速，C=C0/n(C0為真空中的光速;n為光纖的折射率)。

反射回入射端的光中，有一種稱作布里淵散射光。由于光纖單一截面上的布里淵頻移與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度之間呈線性關(guān)系，因此可運用布里淵光時域反射技術(shù)BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry)和布里淵分光技術(shù)，得到布里淵散射光頻譜［6］。

在溫差變化不大的情況下，布里淵頻移與溫度的相關(guān)性比應(yīng)變的相關(guān)性要小得多。若不考慮溫度的影響，光纖軸向應(yīng)變與布里淵頻移的關(guān)系可表示為［6］

式中，νB(ε)為光纖發(fā)生軸向應(yīng)變時布里淵頻移;νB(0)為光纖無軸向應(yīng)變時布里淵頻移例系數(shù)，主要由傳感光纖自身材料特性確定，一般設(shè)定為0.5 GHz/%;ε為光纖的軸向應(yīng)變。

若監(jiān)測區(qū)域溫差變化較大，則須考慮溫度的影響。這種情況下，需要同時測出光纖沿線的溫度，現(xiàn)有的技術(shù)也可滿足這種需求。此時，光纖軸向應(yīng)變和溫度變化與布里淵頻移之間的關(guān)系可表示為［7］

式中，Δν(x)為布里淵頻移變化量;Δε(x)為傳感光纖中距入射端面x處的應(yīng)變變化量;ΔT(x)為傳感光纖x處的溫度變化量;C1、C2為光纖的布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)。

分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)原理見圖2。

圖2 監(jiān)測原理

2 光纜的選型及參數(shù)率定

2.1 光纜的選型

在這項新技術(shù)的應(yīng)用中，光纜不僅起傳光作用，而且還起傳感作用，這就使得光纜的選擇和使用至關(guān)重要。目前市場上可用于監(jiān)測的光纜類型很多，選擇使用的光纜應(yīng)具有以下特點:測量靈敏度高、抗拉性能好、不易折斷、耐腐蝕性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、彎曲性能良好、防水性能好(也可出于特殊需要，自行定制)。光纜橫斷面示意如圖3。

圖3 光纜橫斷面示意(單位:mm)

2.2 光纜參數(shù)率定

2.2.1 溫度率定

通常情況下，儀器在使用前需進(jìn)行率定。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在對路基進(jìn)行沉降監(jiān)測前，也需對光纜測溫的溫度常數(shù)進(jìn)行率定。鑒于目前國內(nèi)還沒有明確的光纜溫度測定檢驗標(biāo)準(zhǔn)，只能依據(jù)光纜所處的環(huán)境溫度(環(huán)境溫度用常規(guī)溫度計測得)與系統(tǒng)監(jiān)測溫度成線性的關(guān)系這一原理進(jìn)行率定。方法如下:在恒溫槽中保持光纜自由不受外力影響，無彎曲變形，分別對光纜加熱(或冷卻)至溫度20℃，40℃，60℃三級標(biāo)準(zhǔn)溫度，保持每級溫度穩(wěn)定時間超過半小時，以使光纜暴露充分。對每級標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行多次測試對比，統(tǒng)計分析確定光纜的溫度參數(shù)。

2.2.2 應(yīng)變率定

依據(jù)系統(tǒng)測得的光纜應(yīng)變與實際應(yīng)變成線性關(guān)系這一原理進(jìn)行率定。保持光纜所處的環(huán)境溫度不變，分別在光纜的50 m、100 m、150 m長度處施加外力，產(chǎn)生穩(wěn)定形變后，利用其它儀器測得的應(yīng)變與系統(tǒng)測得的應(yīng)變相比較，經(jīng)過在不同外力下反復(fù)測試，確定光纜應(yīng)變參數(shù)。

3 光纜的鋪設(shè)

3.1 定位

定位考慮兩個方面:一方面由于分布式光纖環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對埋設(shè)位置的約束較少，因此基本可根據(jù)監(jiān)測需要，把光纖埋設(shè)于任何需要監(jiān)測的位置;另一方面，要使光纜經(jīng)過常規(guī)沉降監(jiān)測點的位置，以便將光纜測得的沉降結(jié)果與常規(guī)測得的結(jié)果相比較。

由于鐵路路基斷面形式多樣，監(jiān)測要求不同，光纜較好的環(huán)境適應(yīng)性等，使得光纜的埋設(shè)方式具有多變性。圖4、圖5給出了兩種布置方式以供參考。

圖4 光纜布置方式1

3.2 埋設(shè)

光纜的埋設(shè)方法有開槽法、貼附法、鉤槽法、支架法［8］等多種方法。在鐵路路基實際施工過程中，綜合考慮對施工的影響及光纜埋設(shè)的安全性，可選擇鉤槽法。該方法鋪設(shè)速度快，簡便實用，效果良好。

3.3 保護(hù)

對于槽內(nèi)光纜，回填土需人工壓實;對于從儀器到路基沿程的光纜，禁止人為覆蓋重物以及過度擠壓、彎曲。光纜埋入時，應(yīng)當(dāng)爭取埋設(shè)到設(shè)計線路上，以便形成保護(hù)層，并派專人看護(hù)線路。

圖5 光纜布置方式2

3.4 竣工

將光纜沿線關(guān)鍵位置(進(jìn)入口刻度、出口刻度、常規(guī)儀器監(jiān)測沉降點對應(yīng)刻度等)詳細(xì)記錄，特別是因工程實際需要與設(shè)計埋設(shè)地有出入的地方，要重點記錄，畫好竣工圖。

4 應(yīng)用時的注意事項

1)沉降監(jiān)測工作成功與否的關(guān)鍵是光纜埋設(shè)的質(zhì)量。在施工過程中應(yīng)與施工方緊密配合，避免施工損毀光纜。埋設(shè)后要有專人看守，對光纜沿程加強(qiáng)保護(hù)，禁止對光纜過度扭曲、重物擠壓。日常的系統(tǒng)維護(hù)包括線路保護(hù)、端頭保護(hù)以及儀器保護(hù)。路基的分層鋪設(shè)中，每一層鋪完后，都要對光纜線路是否通暢進(jìn)行監(jiān)測。光纜若損壞，要及時發(fā)現(xiàn)，否則較難補(bǔ)救。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被截斷時，應(yīng)及時開槽并熔接連通。盡量保證能進(jìn)行雙端測量。

2)光纜埋設(shè)竣工圖要在現(xiàn)場及時繪制。標(biāo)明每個轉(zhuǎn)彎處及特征點的長度值，確保光纜實際的空間位置能與每個監(jiān)測沉降值相對應(yīng)。

3)沉降監(jiān)測必須有固定的儀器安置點并有良好的防塵措施。測量過程中盡量減少光纜接口的頻繁插拔。儀器的搬動要盡量避免，如果必須搬動，要保證儀器不受大的振動。應(yīng)該配置穩(wěn)壓設(shè)備并控制環(huán)境溫度。

4)施工現(xiàn)場除監(jiān)測儀器外應(yīng)備有光纜熔接機(jī)及相關(guān)配件，諸如光纜切割機(jī)、熱塑管、外套管、粘合劑等。光纜熔接工藝操作要熟練，接頭不能有拐點，熔接完成后需進(jìn)行損耗檢測。由于光纜熔接的好壞直接影響到測得的一系列數(shù)據(jù)的可靠性，我們應(yīng)盡量避免光纜的熔接。

5 結(jié)語

1)本文探討了分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測鐵路路基沉降的工作原理，詳細(xì)介紹了光纜的參數(shù)率定、埋設(shè)以及該技術(shù)在實際應(yīng)用時的注意事項。

2)分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)在此只作沉降監(jiān)測，沒有對路基的水平位移做監(jiān)測［6］，光纖埋設(shè)方式單一，這些需在以后的工程實踐中予以完善。

3)光纖傳感監(jiān)測技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來［9］。分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測鐵路路基沉降相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測的場合更加寬廣、監(jiān)測的內(nèi)容更加豐富、監(jiān)測的數(shù)據(jù)更加精細(xì)。因此，我們相信分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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