光纖Bragg光柵傳感技術(shù)在隧道工程施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉 穎 龔新亞 朱仕虎

(1.無(wú)錫太湖學(xué)院土木工程系，214064，無(wú)錫 ;2.無(wú)錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，214081，無(wú)錫∥第一作者，講師，工程師)

地下工程施工對(duì)周?chē)h(huán)境包括地面臨近建筑物、道路、管道和既有地下工程的影響是地下空間開(kāi)發(fā)利用所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。為確保施工安全，對(duì)地下工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)以趨利避害，已成為地下工程發(fā)展的迫切要求。地下工程監(jiān)測(cè)目前廣泛采用的常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)電傳感器采集數(shù)據(jù)的方法，不僅監(jiān)測(cè)范圍小、效率低，且有限的測(cè)點(diǎn)難以反映目標(biāo)系統(tǒng)的整體情況;同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)容易受到外界環(huán)境中各類(lèi)不利因素的影響，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

光纖Bragg 光柵(FBG)是20 世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型全光纖無(wú)源器件，利用其可制成多種傳感器，如溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、壓強(qiáng)等傳感器［1］。近年來(lái)，F(xiàn)BG 傳感技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、巖土等領(lǐng)域［1-7］，但多為長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，其在施工過(guò)程中的應(yīng)用罕見(jiàn)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析FBG 傳感器的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)實(shí)際隧道工程施工的應(yīng)用，為FBG 傳感技術(shù)在地下工程施工監(jiān)測(cè)中的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 FBG傳感器室內(nèi)試驗(yàn)

在室內(nèi)澆筑混凝土柱，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，在混凝土柱側(cè)面相應(yīng)位置粘貼FBG 應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片，對(duì)比混凝土柱在軸心受壓作用下，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片采集的變形數(shù)據(jù)，分析FBG 傳感器的優(yōu)勢(shì)。

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

鋼筋混凝土立柱:構(gòu)件尺寸為 300 mm ×300 mm ×1 000 mm ;混凝土強(qiáng)度為 C25，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=16.7 N/mm2，混凝土截面面積Ac=90 000 mm2;縱向鋼筋直徑為10 mm，鋼筋抗拉強(qiáng)度 f'y= 235 N/mm2，鋼筋橫截面積 AS=314 mm2。

光纖光柵傳感器:標(biāo)準(zhǔn)量程為±1 500 με;測(cè)量精度為 ±1 με。其中 με 為微應(yīng)變。

加載設(shè)備:萬(wàn)能伺服加載機(jī)。

分別在立柱的前后兩側(cè)面(A、B 面)中部粘貼FBG 傳感器與應(yīng)變片，如圖1所示。

圖1 測(cè)試元件布置圖

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)鋼筋混凝土短柱的正截面承載能力計(jì)算式Nus=fcAc+f'yAs，得到立柱的承載能力標(biāo)準(zhǔn)值Nus=1 577 kN。

(1)彈性階段測(cè)量。確定加載范圍為0～500 kN，立柱處于彈性階段，對(duì)立柱共進(jìn)行二次加載并采用FBG 傳感器采集數(shù)據(jù)。加載方式:共分5 級(jí)加載，加載速度5 kN/s;每級(jí)加載20 s，停頓20 s;加載至500 kN 后，平穩(wěn)卸載至零。

(2)破壞階段測(cè)量。確定加載范圍為0～1 600 kN，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程一直加載至立柱破壞。加載方式:共分6 級(jí)加載，加載速度10 kN/s，每級(jí)加載30 s，停頓20 s;加載至1 500 kN后，一直加載至立柱破壞。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2、圖3 分別為A、B 兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的混凝土立柱處于100～500 kN 彈性階段時(shí)FBG 傳感器、應(yīng)變片的應(yīng)變曲線。可以看出，F(xiàn)BG 傳感器與應(yīng)變片在加載過(guò)程中具有良好的一致性，在100～500 kN之間均保持良好的線性。

圖4 為混凝土立柱A 側(cè)面FBG 傳感器3 次加載與應(yīng)變測(cè)值曲線。3 次加載試驗(yàn)中，前2 次為彈性階段重復(fù)加載，第3 次為破壞性加載試驗(yàn)。3 次加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)BG 傳感器具有良好的重復(fù)性。

對(duì)構(gòu)件進(jìn)行破壞性加載試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)傳感器加載到1 300 kN 時(shí)，光纖光柵傳感器波長(zhǎng)開(kāi)始偏離線性而加劇變化，同時(shí)在混凝土塊的上側(cè)出現(xiàn)了微小裂痕，當(dāng)加載到1 400 kN 時(shí)，波長(zhǎng)急速下滑，而裂痕已相當(dāng)明顯。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)充分反應(yīng)了被測(cè)結(jié)構(gòu)的受力情況。

圖2 FBG 應(yīng)變傳感器與應(yīng)變片的應(yīng)變對(duì)比曲線(A 面)

圖3 FBG 應(yīng)變傳感器與應(yīng)變片的應(yīng)變對(duì)比曲線(B 面)

圖4 FBG 應(yīng)變傳感器3 次加載過(guò)程應(yīng)變曲線

2 FBG在隧道工程施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

為確保某通道工程的施工安全，采用FBG 傳感技術(shù)對(duì)施工期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象包括基坑的軸力、已建地下通道施工裂縫、施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)沉降以及管片鋼筋應(yīng)變。具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

表1 通道工程FBG 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.1 通道北段基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通道北段基坑監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容是對(duì)基坑內(nèi)混凝土支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了檢測(cè)FBG 監(jiān)測(cè)的效果，分別采用FBG 應(yīng)變傳感器和傳統(tǒng)的振弦式鋼筋計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。FBG 傳感器監(jiān)測(cè)編號(hào)為G1、G2，振弦式鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)編號(hào)為C1、C2。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 斷面1 支撐軸力監(jiān)測(cè)曲線

圖6 斷面2 支撐軸力監(jiān)測(cè)曲線

由圖5、圖6 可以看出，基坑開(kāi)挖后，支撐軸力隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而增大，在基坑底板澆筑后，支撐軸力有所減小，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際施工工況相吻合;FBG 傳感器與傳統(tǒng)振弦式傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)值較為接近，二者變化趨勢(shì)基本一致。

由圖7、圖8 可以看出，兩個(gè)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，表明監(jiān)測(cè)的兩根支撐的應(yīng)變基本相同。

圖7 斷面1 左右鋼筋FBG 傳感器應(yīng)變歷時(shí)曲線

圖8 斷面2 左右鋼筋FBG 傳感器應(yīng)變歷時(shí)曲線

2.2 盾構(gòu)推進(jìn)期間已建地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通道工程中盾構(gòu)開(kāi)挖的368～373 環(huán)間要下穿已建成的地下通道，為確保盾構(gòu)安全推進(jìn)，需及時(shí)掌握盾構(gòu)推進(jìn)期間已建地下通道的變化，主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括已建地下通道結(jié)構(gòu)沉降變化及施工縫張開(kāi)量的變化。

2.2.1 沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

已建地下通道結(jié)構(gòu)的沉降變化采用FBG 傳感器靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置在施工縫兩側(cè)，共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為J0～J5。FBG 傳感器靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)以最東端的靜力水準(zhǔn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)高程采用光學(xué)水準(zhǔn)進(jìn)行修正。具體的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9、圖 10所示。

圖9 為盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，已建地下通道(人行地道)結(jié)構(gòu)沉降斷面變化情況。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，刀盤(pán)在地下通道結(jié)構(gòu)下方時(shí)，地下通道結(jié)構(gòu)變化平緩;刀頭通過(guò)地下結(jié)構(gòu)時(shí)，地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上位移;穿過(guò)之后，地下結(jié)構(gòu)逐步回落。

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中已建地下通道沉降監(jiān)測(cè)變化曲線

圖10 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中已建地下通道沉降歷時(shí)曲線

圖 10 為 6月17日 00∶00—12∶00 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，已建地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移變化情況。從圖中可以看出，地下通道結(jié)構(gòu)受到施工影響十分明顯:當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)施工時(shí)，地下結(jié)構(gòu)即發(fā)生向上位移，在本環(huán)停止推進(jìn)時(shí)，通道結(jié)構(gòu)向上位移達(dá)到本環(huán)施工期間的最大值，在盾構(gòu)暫時(shí)停止推進(jìn)后，土體中壓力消散，地下通道結(jié)構(gòu)位移逐步回落;隨著盾構(gòu)接近地下通道結(jié)構(gòu)，地下通道結(jié)構(gòu)向上位移逐步增大。這顯示了靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的優(yōu)越性，可實(shí)時(shí)提供施工對(duì)周邊環(huán)境的影響數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)施工，避免了普通水準(zhǔn)觀測(cè)最大變形的漏檢。

2.2.2 施工縫寬度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

已建地下通道施工縫張開(kāi)量的變化采用FBG位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在地下通道的3 個(gè)施工縫分別布置 1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為 NH1～NH3。NH1、NH3 測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。圖中，數(shù)據(jù)為“+”表示施工縫寬度增大，數(shù)據(jù)為“-”表示施工縫減小。從圖11 可以看出，地下通道施工縫在整個(gè)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，變化不大。

2.3 隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為及時(shí)掌握盾構(gòu)施工過(guò)程中通道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等信息，對(duì)盾構(gòu)隧道第374 環(huán)管片的鋼筋內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了檢驗(yàn)FBG 應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)效果，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中分別采用預(yù)埋FBG 應(yīng)變傳感器及振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖12。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13～圖16。

圖11 已建地下通道施工縫寬度變化歷時(shí)曲線

圖12 盾構(gòu)管片監(jiān)測(cè)元件布置圖

圖13～圖16 分別為 374 環(huán) L1、L2、B3 及 B5 管片中由鋼筋測(cè)力計(jì)與FBG 應(yīng)變傳感器測(cè)出的鋼筋應(yīng)變曲線圖。由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件限制，傳感器測(cè)讀時(shí)的初值時(shí)間在管片拼裝后有一定的滯后。從圖13～圖16 可以看出，374 環(huán)各管片的鋼筋應(yīng)變變化不大;鋼筋測(cè)力計(jì)及FBG 傳感器測(cè)得的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同。分析兩種不同的傳感器測(cè)值變化曲線可以看出，F(xiàn)BG 傳感器曲線較為平緩且收斂，與工程實(shí)際情況相吻合，說(shuō)明光纖傳感器穩(wěn)定性較好。

圖13 374 環(huán)L1 塊環(huán)片鋼筋應(yīng)變歷時(shí)曲線

圖14 374 環(huán)L2 塊環(huán)片鋼筋應(yīng)變歷時(shí)曲線

圖15 374 環(huán)B3 塊環(huán)片鋼筋應(yīng)變歷時(shí)曲線

圖16 374 環(huán)B5 塊環(huán)片鋼筋應(yīng)變歷時(shí)曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及FBG 傳感技術(shù)在具體通道工程施工過(guò)程中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論:

(1)以FBG 為傳感器的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集，大大提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，避免最大變形的漏檢，充分體現(xiàn)了FBG 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)在支撐軸力及管片應(yīng)力監(jiān)測(cè)中，對(duì)FBG 傳感器與傳統(tǒng)振弦式鋼筋計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩者的測(cè)試結(jié)果有一定的符合性，但FBG 傳感器表現(xiàn)了更好的穩(wěn)定性和更高的靈敏度。由于在通道工程中傳感器主要運(yùn)用在施工期間，無(wú)法體現(xiàn)光纖光柵傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

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