光纖傳感技術(shù)在城市地鐵工程監(jiān)測中的應(yīng)用

閆文政（鄭州市軌道交通有限公司運營分公司，河南　　鄭州　　450000）

光纖傳感技術(shù)在城市地鐵工程監(jiān)測中的應(yīng)用

閆文政
（鄭州市軌道交通有限公司運營分公司，河南鄭州450000）

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，社會各項技術(shù)的探索也在不斷深入，人們對光纖傳感技術(shù)的聚焦程度也越來越高。本文以光纖傳感技術(shù)在城市地鐵工程監(jiān)測中的應(yīng)用為探討對象，通過介紹光纖傳感技術(shù)的基本原理和光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，論述了光纖傳感技術(shù)在城市地鐵工程監(jiān)測的應(yīng)用方式和監(jiān)測結(jié)果等。

關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù)；地鐵；工程監(jiān)測；應(yīng)用

1　光纖及其類別

光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，通常是由纖芯、包層、涂敷層和護(hù)套組成，是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱柱體光學(xué)纖維。光纖的基本結(jié)構(gòu)由纖芯、包層、涂覆層和護(hù)套構(gòu)成，其中，纖芯和包層是光纖的主要部分，在傳送光波中扮演著重要的角色；涂敷層和護(hù)套的主要作用是隔離雜光，增強光纖強度。當(dāng)前，光纖類別主要有裸光纖、緊套光纖、松套光纖和裸光纖或緊套光纖的智能產(chǎn)品等。在此之中，松套光纖常用作溫度補償光纖；裸光纖易斷易損毀，適用于自然和人為破壞因素較少的環(huán)境中，一般適合在室內(nèi)試驗或鋼、混凝土等易保護(hù)的結(jié)構(gòu)體監(jiān)測中使用；緊套光纖易損性較裸光纖稍低，可在自然和人為破壞力低的邊坡監(jiān)測中使用，但其外層保護(hù)層易腐化，在長期監(jiān)測時易給光纖的熔接造成不便；智能光纖適應(yīng)野外長期監(jiān)測，但制作費用昂貴，鋪設(shè)工藝較為復(fù)雜、工程量較大。

2　光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。就像通常的監(jiān)測系統(tǒng)，光纖傳感系統(tǒng)主要包含：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。作為監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵成分，傳感器子系統(tǒng)除了需要確?？梢园踩_的數(shù)據(jù)資料以外，還需要確保其提供的數(shù)據(jù)具備一定的實用性和可靠性，使之能在工程使用性能的測評發(fā)揮作用；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)一定程度上是扮演著解調(diào)儀的角色，它最明顯的特征是分布式或準(zhǔn)分布式，可以根據(jù)需求在二維空間橫向延伸；數(shù)據(jù)收集完畢之后能夠利用互聯(lián)網(wǎng)，把收集到的信息輸入數(shù)據(jù)庫，相應(yīng)地去分類運用，同時也能夠利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程測試等。數(shù)據(jù)收集具備遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化的優(yōu)點，且還有能夠與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相融合，達(dá)到數(shù)據(jù)的存儲、查找和提取等目的。數(shù)據(jù)開發(fā)的主要內(nèi)容是要達(dá)到特殊數(shù)據(jù)內(nèi)容的獲取，能夠使用小波分析、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高階譜分析、時—頻分析、粗糙集方法等方法，對傳感光纖的數(shù)據(jù)處理，得到表征結(jié)構(gòu)變形與損傷等數(shù)據(jù)，由此，達(dá)到對結(jié)構(gòu)的有效診斷和合理評估。文章是以FBG傳感系統(tǒng)為探討對象，它是光纖傳感系統(tǒng)中舉足輕重的方法之一。它集合了全部光纖傳感的長處，較高的靈敏度、寬廣的可測參量、能在惡劣或是特殊環(huán)境應(yīng)用、受干擾程度小、體積小等，而且還隨著光纖和其他新型FBG的成長有了更加廣泛的使用范圍。

2.2光纖傳感器。FBG傳感器重點是刻上光柵的裸纖，它是傳感的部分，約1cm～2cm長。每一種傳感器件是把光柵以不一樣的方式組裝而成，比如應(yīng)變傳感器，它是把依附在彈性桿件上裝；溫度傳感器是把它自由裝在傳熱套管中。當(dāng)前，由于FBG的傳感器樣式眾多、用途廣，每一類別的傳感器有構(gòu)造簡易、體積小、測量范圍寬廣、可靠程度高、受影響程度小、生命力強等優(yōu)點。當(dāng)前，地下工程中一般使用的光纖傳感器有溫度傳感器、混凝土應(yīng)變傳感器及鋼筋應(yīng)力傳感器。

3　地鐵工程中的應(yīng)用

在實施過程中，因為施工環(huán)境的復(fù)雜性，直接鋪設(shè)光纜易在施工過程中損耗。依據(jù)光纖傳感系統(tǒng)的實際經(jīng)驗，可采取先鋪設(shè)鋁塑管而后在鋁塑管內(nèi)鋪設(shè)光纖，且注漿協(xié)同變形的方案。在實際應(yīng)用中還可以將光纜布設(shè)于隧道結(jié)構(gòu)表而，因而有需要對設(shè)置在結(jié)構(gòu)表面的光纖監(jiān)測性能進(jìn)行標(biāo)注。以國內(nèi)某暗挖地鐵車站隧道為例，探究試點項目的監(jiān)測對象是隧道挖掘初始階段的在建支護(hù)混凝土襯體，監(jiān)測主體是襯體的內(nèi)力，利用對襯體的內(nèi)力監(jiān)測探究支護(hù)襯體和周邊圍巖壓力的演變規(guī)則，主要有：（1）監(jiān)測鋼筋支撐拱架在混凝土噴射之后它內(nèi)力強弱和演變規(guī)則；（2）監(jiān)測周圍干擾圍巖對支撐襯體的影響規(guī)則；（3）監(jiān)測混凝土噴射之后溫度、應(yīng)變的演變規(guī)則；（4）監(jiān)測加快速度對初期支護(hù)體支撐壓力的影響規(guī)則。

3.1傳感器布設(shè)方案。對于監(jiān)測斷面的選擇，最好采用較為經(jīng)典、對比性強和工期較短的。各個斷面設(shè)有6個FBG鋼筋應(yīng)力計傳感器、2個FBG混凝土應(yīng)變計和1個FBG溫度傳感器，在此之中，鋼筋應(yīng)力計式傳感器最好留有2個冗余。各個斷面全部傳感器只需要裝設(shè)在兩旁和頂部共3個拱架上，其中各個拱架的外圍銜接2個鋼筋應(yīng)力計，大約處在1/3處；2個混凝土應(yīng)變計對稱裝設(shè)在頂部拱架中間；溫度傳感器裝設(shè)在側(cè)旁上。各個傳感器的信號傳送光纖都從襯體兩側(cè)牽出后串連。

3.2監(jiān)測結(jié)果分析。斷面鋪設(shè)完成之后，通過兩個月的時間，收集了大量的測試數(shù)據(jù)，在地鐵工程中，光纖監(jiān)測技術(shù)取得了較為理想的成效。從收集的數(shù)據(jù)可得到以下的信息：（1）每個傳感器應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)在支架的初始階段的變化較大。（2）光纖傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，精確程度較高，且也表明光纖傳感器具有較高的抗腐蝕的功能，可以在較惡劣的環(huán)境中使用。（3）開始挖掘的階段，挖掘的工程會對圍巖和襯砌變形起到比較大的影響，頂部弧形開始挖掘支護(hù)之后，拱架內(nèi)力變化大，只是較快會穩(wěn)定，幫側(cè)開始挖掘的時候擴(kuò)大了土地的震動范圍，也增大了頂部拱架上的壓力；與拱頂相比，幫側(cè)支護(hù)拱架穩(wěn)定的時間比較慢；支護(hù)體關(guān)閉成形和圍巖自身漸漸成拱穩(wěn)定，它的內(nèi)力在減弱之后會較穩(wěn)定。

4結(jié)論與討論

光纖監(jiān)測技術(shù)憑借它特有的優(yōu)點在監(jiān)測界處于重要的地位，受到許多使用者的青睞被帶進(jìn)我國，短期內(nèi)就受到眾多追捧，并被推廣到眾多領(lǐng)域。此次在城市地鐵工程中的有效運用，更加凸顯出光纖傳感器測試數(shù)據(jù)有效可靠等長處，經(jīng)歷了3個月的地下水侵蝕，都沒有造成傳感器腐蝕的不良效果。證明了光纖傳感器具有不易腐蝕，可以在惡劣環(huán)境下長期監(jiān)測等特點。在我國地鐵發(fā)展不斷加速的時代，光纖監(jiān)測技術(shù)一定會起到重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]孟金煥．世界第一口多光纖傳感器智能井[J]．國外油田工程，2004，20（02）：26-28．

中圖分類號：U456

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A