隧道錨桿軸力光纖光柵量測(cè)技術(shù)研究

崔志方

(河南中原高速公路股份有限公司，河南鄭州 410000)

伴隨著近代光纖及通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)［1］。與傳統(tǒng)電傳感技術(shù)相比，以光纖體作為傳導(dǎo)信息的載體，使其在傳輸信號(hào)過(guò)程中，抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度增強(qiáng)，耐久性及響應(yīng)性都好，且體積小，適用環(huán)境范圍大。目前，光纖光柵技術(shù)在許多的工程領(lǐng)域得到運(yùn)用［1-4］。

光纖光柵實(shí)際上只是一段纖芯經(jīng)過(guò)特殊激光處理后具有折射率周期性變化的纖體結(jié)構(gòu)［5-7］。當(dāng)光柵周期和傳播常數(shù)滿(mǎn)足式(1)：

其中，Λ為光柵周期;β為傳播常數(shù)。

光纖光柵在傳輸信息過(guò)程中始終存在一個(gè)反射峰值波長(zhǎng)，用λB表示：

其中，neff為有效折射率;Λ為光柵傳射過(guò)程周期。

故反射峰值波長(zhǎng)受光柵傳射周期和有效折射率決定影響，兩方面參數(shù)的改變直接影響反射波長(zhǎng)λB的大小?；诠饫w光柵制作的傳感器，將有一定帶寬的光入射到光纖光柵中，符合條件的光被反射回來(lái)，再通過(guò)調(diào)解裝置測(cè)量波長(zhǎng)的變化。當(dāng)被測(cè)量例如應(yīng)變或者溫度參數(shù)改變時(shí)，光柵材料的柵距會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而最終導(dǎo)致反射波長(zhǎng)改變。借助分析反射波長(zhǎng)的變化即可得出所測(cè)得參數(shù)的變化過(guò)程。例如測(cè)量應(yīng)變時(shí)，當(dāng)光柵受到外力產(chǎn)生應(yīng)變，光柵柵距產(chǎn)生變化ΔΛ，由式(2)得：

則應(yīng)變?yōu)椋?/p>

1 測(cè)試傳感器制作過(guò)程

目前研制儀器設(shè)備的最大測(cè)量距離為80 km，應(yīng)變測(cè)量范圍為-15 000 με～+15 000 με，光柵傳感器對(duì)應(yīng)變、溫度檢測(cè)精度可達(dá)到1 με和0.1℃。距離分解度可達(dá)0.1 m，應(yīng)變的測(cè)量精度達(dá)±30 με，能滿(mǎn)足工程的測(cè)試要求。在實(shí)體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)在測(cè)體表面鋪設(shè)或者內(nèi)部埋設(shè)，對(duì)測(cè)體相關(guān)變形、健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，可以通過(guò)串聯(lián)多個(gè)光纖光柵傳感器制作傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)測(cè)體開(kāi)展準(zhǔn)分布式檢測(cè)，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行獲取和分析。

錨桿桿體直徑為22 mm，長(zhǎng)度為3 500 mm，錨桿間距為1 000 mm×1 000 mm。經(jīng)過(guò)計(jì)算，滿(mǎn)足相似定律的錨桿直徑為1.5 mm，長(zhǎng)度為70 mm，采用焊錫替代原材料。為了適應(yīng)模型粗放式制作過(guò)程，試驗(yàn)中自行設(shè)計(jì)了光纖光柵傳感器的封裝方法。試驗(yàn)結(jié)束后傳感器的存活率達(dá)到90%，證實(shí)了該封裝方法的可行性?，F(xiàn)場(chǎng)錨桿工序一般為鉆孔、插入錨桿、注漿后固定。這一過(guò)程在模型試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)，所以在模型制作過(guò)程中先放入錨桿。具體步驟如下：首先制作圍巖，當(dāng)圍巖達(dá)到錨桿設(shè)計(jì)位置時(shí)，采用2倍錨桿直徑的鐵絲形成錨桿空洞，然后放入錨桿并注漿，注漿經(jīng)過(guò)計(jì)算采用水膏比為1∶1的石膏。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某隧道圍巖以Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)為主，圍巖較差。按照新奧法理論，隧道設(shè)計(jì)是一種動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，施工圖基本是一種預(yù)設(shè)計(jì)，需在掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)已開(kāi)挖段揭露的圍巖地質(zhì)水文狀況、支護(hù)穩(wěn)定情況不斷對(duì)開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。故需要在隧道施工過(guò)程中對(duì)錨桿軸向受力進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)某拱腳處錨桿的軸力測(cè)試資料，得出它的時(shí)程曲線(xiàn)如圖1所示。由圖1可知：布設(shè)在隧道拱腳處、邊墻和墻腳的錨桿基本上呈受拉狀態(tài)，隨著隧道施工過(guò)程推進(jìn)，掌子面向前延伸的過(guò)程中，桿拉力呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間圍巖調(diào)整變形逐漸趨于穩(wěn)定，從而可以肯定系統(tǒng)錨桿在破碎圍巖穩(wěn)定過(guò)程中發(fā)揮了錨固作用。由圖1可以看出，位于拱腳位置的錨桿1的壓力值最大，同時(shí)墻腳位置的錨桿受拉也比較明顯，說(shuō)明鎖腳錨桿在整個(gè)系統(tǒng)錨桿中的作用很重要，鎖腳位置錨桿的施工質(zhì)量應(yīng)是施工過(guò)程中的控制節(jié)點(diǎn)。由于施工過(guò)程不當(dāng)或者操作不規(guī)范，錨桿沒(méi)有徑向打設(shè)，致使錨桿傾斜過(guò)大，部分系統(tǒng)錨桿處于受壓狀態(tài)，沒(méi)有起到懸吊作用。

圖1 某斷面錨桿軸力受力—時(shí)間曲線(xiàn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

光纖光柵傳感器不僅克服了傳統(tǒng)傳感器服役周期短，難以克服監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣等缺點(diǎn)，而且其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、復(fù)用能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以解決工程實(shí)體監(jiān)測(cè)難題。將光纖光柵技術(shù)運(yùn)用隧道錨桿軸力的量測(cè)，測(cè)試結(jié)果可靠，具有一定的代表性。

［1］ 李宏男，任 亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)——光纖光柵傳感技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 趙 勇.光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 趙 勇.光纖光柵及其傳感技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［4］ Dunnicliff J.Geotechnical instrumentation for monitoring field performance［M］.New York：John wiley＆Sons，1993.

［5］ Chan T H T，Yu L，Tam HY，et al.Fiber bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma Bridge：background and experimental observation［J］.Engineering structures，2006，28(5)：648-659.

［6］ 畢衛(wèi)紅，張燕君，齊躍峰，等.光纖通信與傳感技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［7］ 馬水山，王志忘，李端有，等.光纖傳感器及其在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(sup)：1692-1694.

［8］ 劉泉聲，徐光苗，張志凌.光纖測(cè)量技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(2)：310-314.

［9］ Iwaki H，Yamak H，Mita A.Health monitoring system using FBG-based sensors for a 12th story building with column dampers［C］.Proceedings of SPIE，2001：471-478.