基于光纖光柵技術(shù)的圍巖大應(yīng)變連續(xù)監(jiān)測研究

李秀文，朱趙輝，王萬順，孫建會

（中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科工程總公司，北京 100038）

1 研究背景

洞室穩(wěn)定及安全問題是工程重點關(guān)注和研究的內(nèi)容之一［1］。圍巖應(yīng)變變化可為施工過程中圍巖松動、圍巖穩(wěn)定情況提供可靠信息，是施工安全較為直觀的物理參數(shù)［2］。目前水電工程地下洞室圍巖應(yīng)變監(jiān)測主要采用單向應(yīng)變計或光纖光柵應(yīng)變計。兩種應(yīng)變計的量程一般為3000 με，標距250 mm的應(yīng)變計可測量的最大變形僅0.75 mm。而地下洞室圍巖受施工時開挖爆破等影響，支護后部分區(qū)域變形可達10～20 mm，甚至更大［1］。如果采用傳統(tǒng)儀器監(jiān)測圍巖應(yīng)變，容易出現(xiàn)超量程失效的情況，無法達到監(jiān)測目的。

基于光學(xué)原理的光纖光柵傳感技術(shù)近些年來快速發(fā)展，已研制出了一批溫度、滲流、變形和應(yīng)力等監(jiān)測儀器，并在高鐵、橋梁和洞室等領(lǐng)域得到應(yīng)用［3～7］。在圍巖變形監(jiān)測方面，朱趙輝等［8］利用光纖光柵位移計組監(jiān)測地下洞室圍巖變形情況，測得圍巖位移變化規(guī)律與洞室施工關(guān)系密切，變化合理。Li等［9］研制了新型的光纖光柵位移傳感器，可監(jiān)測亞微米級的位移變化情況，并支持多點分布監(jiān)測。冒如權(quán)［10］基于光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)，研制了應(yīng)變結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)，可以用來測量船舶、飛行器等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，具有量程大、精度較高的特點。

為解決連續(xù)監(jiān)測圍巖大應(yīng)變問題，將量程為25 mm的光纖光柵位移傳感器（帶溫度補償）通過特定裝置改造為改進型大量程光纖光柵應(yīng)變量測裝置。設(shè)計兩個法蘭盤安裝在裝置兩端限定儀器自身標距，法蘭盤標距可取500、1000和1500 mm。改進后的應(yīng)變量測裝置最大監(jiān)測量程可達50 000με。結(jié)合工程實際，每個安裝孔設(shè)計20～30支儀器，通過將多支儀器連接成串并導(dǎo)出整條測線上軸向應(yīng)變。此外，光纖光柵傳感器具有精度高、易于實現(xiàn)多點及網(wǎng)絡(luò)化傳感等優(yōu)點，適合作為連續(xù)監(jiān)測圍巖應(yīng)變的儀器［2］。

西南某在建水電站左岸1#—4#尾水調(diào)壓室大井開挖直徑分別為48、47.5、46和44.5 m，調(diào)壓室豎井開挖高度79.25～93 m，為目前已建和在建最大規(guī)模的圓筒型阻抗式尾水調(diào)壓室。尾調(diào)室穹頂受到層間（內(nèi)）錯動帶、小斷層、長大裂隙和柱狀節(jié)理因素的影響，加之P2β61層柱狀節(jié)理等不利因素影響，致使尾調(diào)穹頂局部圍巖穩(wěn)定問題較為突出。本文以該水電站左岸尾水調(diào)壓室為依托，對洞室圍巖大應(yīng)變進行了連續(xù)監(jiān)測。通過研究，從儀器組裝、安裝保護和資料分析等多方面歸納總結(jié)提煉出一套有效的實施方法。

2 監(jiān)測裝置設(shè)計及布置

2.1 改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計思路是采用配件將光纖光柵位移傳感器固定在特定的裝置中，每一個傳感器監(jiān)測規(guī)定標距內(nèi)圍巖變形，通過公式計算得到該段區(qū)間的圍巖應(yīng)變情況。光纖光柵位移傳感器及固定裝置主要組件如圖1、圖2所示。

圖1 光纖光柵位移傳感器

圖2 改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器固定裝置配件

依次組裝各個配件，通過尼龍螺絲將兩個法蘭分別固定在PVC-U套管兩端的限位孔上，確保預(yù)拉后兩個法蘭的標距為500、1000或1500 mm。組裝好后的改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器如圖3所示。

圖3 單支改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器

為實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測圍巖應(yīng)變的目的，要求生產(chǎn)商在出廠前將光纖光柵位移傳感器的光纜按照6支為一組連接起來，單支改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器組裝完畢后，將相鄰兩支儀器的法蘭通過螺絲連接在一起。

傳感器組保護管安裝完成后，位移傳感器組局部連接如圖4所示。

圖4 改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器組

2.2 計算原理（1）改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器：

式中：ε1為光纖儀器監(jiān)測應(yīng)變量，με；ΔL1為改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器變形量，mm；L1為改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器標距，L1=500 mm、1000 mm；λ1為測位移光柵的當前波長，nm；λ2為溫補光柵的當前波長，nm；λ10為測位移光柵的初始波長值，nm；λ20為測位移光柵的初始波長值，nm。

（2）多點變位計：

式中：ε2為多點變位計監(jiān)測應(yīng)變量，με；ΔL2為相鄰錨頭之間的變形量差值，mm；L2為相鄰錨頭的距離（2.0 m、3.0 m、4.5 m、6.0 m、9.0 m）；K為傳感器系數(shù)，mm/Digit；Ri為當前頻模讀數(shù)，Digit；R0為初始頻模讀數(shù)，Digit。

（3）成果對比條件。在調(diào)壓室穹頂安裝四點式變位計（巖面距分別為1.5、3.5、6.5和11.0 m），或五點式變位計（巖面距分別為1.5、3.5、6.5、11.0和20.0 m）；每個安裝孔內(nèi)安裝20支改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器（巖面距分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5和15.5 m）。

為與光纖儀器監(jiān)測成果對比分析，將多點變位計相鄰兩個錨頭變形量做差后，除以錨頭間距即可計算其不同測點的應(yīng)變情況。多點變位計基準值選取時間修改為對應(yīng)位置處改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器取基準值日期。

2.3 監(jiān)測設(shè)計及布置在左岸1#和4#尾水調(diào)壓室各設(shè)計一個光纖光柵監(jiān)測斷面，儀器布置如圖5所示。每個監(jiān)測斷面上游側(cè)拱肩、頂拱、下游側(cè)拱肩布置3個安裝孔，每孔安裝20支改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器（距臨空面1.5 m起1～10支儀器每支間距0.5 m，11～20支儀器每支間距1 m）。兩個調(diào)壓室平行于光纖監(jiān)測斷面2 m位置，對應(yīng)布置了四點式變位計，儀器布置如圖5所示。

尾水調(diào)壓室開挖前，在尾水調(diào)壓室錨固洞按照設(shè)計要求向下鉆預(yù)埋孔，同步安裝兩種監(jiān)測儀器，便于監(jiān)測成果對比。儀器可以監(jiān)測到尾水調(diào)壓室爆破開挖階段圍巖應(yīng)變的變化情況。

圖5 1#尾水調(diào)壓室監(jiān)測儀器布置（高程單位： mm；長度單位：mmmm）

3 工程地質(zhì)及施工情況

3.1 地質(zhì)條件尾水調(diào)壓室出露巖性均為P2～P2層玄武巖，巖性為隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、角礫熔巖和凝灰?guī)r等。1#尾水調(diào)壓室發(fā)育陡傾角斷層f722和f723，分別從上、下游邊墻及穹頂穿過，陡傾角長大裂隙T733、T734在上游側(cè)邊墻中上部出露，層間錯動帶C2穿過邊墻中上部。1#尾水調(diào)壓室穹頂圍巖以Ⅲ1類為主，約占90%，其余為Ⅲ2類；邊墻圍巖Ⅱ類占20%，Ⅲ1類占80%，其余為Ⅳ類。4#尾水調(diào)壓室部位中陡傾角地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，層間錯動帶C2穿過洞室拱肩及穹頂以下部位。穹頂圍巖以Ⅱ類為主，占60%，Ⅲ1類圍巖次之，占30%，C2及凝灰?guī)r發(fā)育附近圍巖為Ⅳ類，占10%；邊墻圍巖以Ⅱ類占40%、Ⅲ1類占60%。

3.2 施工情況尾水調(diào)壓室穹頂開挖采用“中導(dǎo)洞先行，兩側(cè)按扇形條塊擴挖推進、開挖區(qū)域逐步擴大、應(yīng)力分期釋放、噴錨支護有序跟進”的施工方法。單個調(diào)壓室穹頂開挖采用先中間后兩邊的開挖程序，每個穹頂自上而下以通氣支洞底板為界分為2大層9區(qū)按順序進行開挖支護施工（圖6），其中①、③、⑥區(qū)為中間抽槽，②、④、⑦區(qū)為扇形條塊擴挖，⑤、⑧區(qū)為環(huán)形周圈擴挖。

圖6 尾水調(diào)壓室穹頂施工分層分區(qū)方案（高程單位： mm；長度單位：mmmm）

左岸1#～4#尾水調(diào)壓室于2015年3月開始進行第Ⅰ層開挖支護施工，截至2015年11月18日，開挖進度形象為：1#尾水調(diào)壓室Ⅰ層開挖完成，正在進行Ⅱ?qū)英迏^(qū)的開挖；4#尾水調(diào)壓室穹頂Ⅰ層②區(qū)開挖完成，⑤區(qū)開挖支護完成6塊。同時，正在進行Ⅱ?qū)英迏^(qū)的開挖。

4 監(jiān)測成果分析

4.1 圍巖應(yīng)變與洞室開挖關(guān)系各監(jiān)測部位圍巖應(yīng)變最值情況統(tǒng)計見表1，1#尾水調(diào)壓室改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測到圍巖應(yīng)變在-321.85～4148.33 με之間，多點變位計監(jiān)測到圍巖應(yīng)變在-97.65～1417.38 με之間；4#尾水調(diào)壓室改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測到圍巖應(yīng)變在-194.37～5859.47 με之間，多點變位計監(jiān)測到圍巖應(yīng)變在-675.98～4455.04 με之間。從監(jiān)測成果上分析，光纖儀器監(jiān)測到的圍巖應(yīng)變總體大于多點變位計監(jiān)測應(yīng)變。

表1 各監(jiān)測部位圍巖應(yīng)變最值統(tǒng)計（×10-6）

1#尾水調(diào)壓室下游側(cè)拱肩改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器和對應(yīng)多點變位計監(jiān)測圍巖不同深度應(yīng)變時間變化曲線見圖7。

圖7 1#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖監(jiān)測應(yīng)變變化曲線

改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器DSzwt-1-41～60受2015年4月4日—25日穹頂下游側(cè)爆破施工影響，圍巖應(yīng)變變化明顯；最大變化量為測點DSzwt-1-44（巖面距3.0 m），圍巖應(yīng)變增加536.25 με；多點變位計Mzwt-1-5-A（巖面距1.5 m）圍巖應(yīng)變增加716.98 με。受2015年7月29日—8月8日穹頂下游側(cè)擴挖施工影響，圍巖應(yīng)變變化明顯；最大變化量為測點DSzwt-1-50（巖面距6.0 m），圍巖應(yīng)變增加437.91 με；多點變位計 Mzwt-1-5-A（巖面距 1.5 m）圍巖應(yīng)變增加 416.19 με。

4#尾水調(diào)壓室下游側(cè)拱肩改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器和對應(yīng)多點變位計監(jiān)測圍巖不同深度應(yīng)變變化曲線見圖8。

圖8 4#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖監(jiān)測應(yīng)變變化曲線

改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器DSzwt-4-41～60受2015年5月6日—12日穹頂下游側(cè)爆破施工影響，部分測點圍巖應(yīng)變變化明顯，最大變化量為測點DSzwt-4-43（巖面距2.5 m）增加1903.17 με；對應(yīng)多點變位計Mzwt-4-5-A（巖面距1.5 m）圍巖應(yīng)變增加2909.23 με。受2015年5月22日—5月25日穹頂下游側(cè)擴挖施工影響，部分測點圍巖應(yīng)變變化明顯，最大變化量為DSzwt-4-42（巖面距2.0 m）增加996.07 με；對應(yīng)多點變位計Mzwt-4-5-A（巖面距1.5 m）圍巖應(yīng)變增加1033.92 με。受2015年6月6日—15日穹頂左側(cè)擴挖施工影響，部分測點圍巖應(yīng)變變化明顯，最大變化量為測點DSzwt-4-56（巖面距11.5 m）增加284.55 με；對應(yīng)多點變位計Mzwt-4-5-D（巖面距11.5 m）圍巖應(yīng)變增加102.97 με。

由圖表分析可知：（1）穹頂開挖爆破施工時，改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器與多點變位計監(jiān)測圍巖應(yīng)變均會相應(yīng)增長，響應(yīng)點基本一致；（2）由于光纖光柵儀器敏感性更強，易受施工爆破震動影響，圍巖應(yīng)變波動較為明顯；（3）圖7、圖8中改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器3.5 m處監(jiān)測應(yīng)變與多點變位計監(jiān)測應(yīng)變基本吻合，1.5 m處監(jiān)測應(yīng)變呈先微小變化后持續(xù)增加然后趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，穩(wěn)定后兩種儀器測值大小相近，這是由于光纖儀器在1.5～3.5 m間共有5個測點，監(jiān)測該區(qū)域爆破后圍巖應(yīng)變較大點位于2.0～3.0 m之間，后續(xù)隨圍巖應(yīng)力調(diào)整1.5 m處應(yīng)變逐漸趨于一致；（4）改進型大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器成功監(jiān)測到3000 με以上的圍巖大應(yīng)變情況，總體上監(jiān)測到的圍巖應(yīng)變與多點變位計監(jiān)測成果變化一致，說明該儀器可以成功應(yīng)用到圍巖大應(yīng)變的監(jiān)測中。

4.2 圍巖應(yīng)變不同深度分布規(guī)律圍巖應(yīng)變不同深度分布規(guī)律分析時，選取改進型光纖光柵大量程應(yīng)變傳感器安裝3個月、6個月及當前值繪制圍巖應(yīng)變-巖面距曲線，1#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖應(yīng)變-巖面距變化曲線見圖9，4#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖應(yīng)變-巖面距變化曲線見圖10。

圖9 1#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖應(yīng)變-巖面距變化曲線

圖10 4#尾水調(diào)壓室下游側(cè)圍巖應(yīng)變-巖面距變化曲線

綜合各安裝孔監(jiān)測成果及曲線分析如下：（1）兩種監(jiān)測儀器測得圍巖表層應(yīng)變由于開挖卸荷變化較大，由洞壁表層逐漸向圍巖深部延伸，圍巖應(yīng)變由表及里呈逐漸減弱或收斂的變化趨勢，部分測點受地質(zhì)條件影響，存在應(yīng)變較大的情況。（2）由于前3個月各尾水調(diào)壓室開挖面距儀器安裝位置較近，圍巖應(yīng)變受施工影響變化較大，隨著后續(xù)開挖位置逐漸遠離臨空面且土建加強支護，圍巖應(yīng)變增加減緩。（3）圍巖應(yīng)變較大的測點位于1#、4#調(diào)壓室下游側(cè)，主要原因是各調(diào)壓室1、2區(qū)前期擴挖時變形增長較快，且下游側(cè)靠近尾調(diào)通氣支洞，洞室跨度大，應(yīng)變調(diào)整較為復(fù)雜。（4）1#尾水調(diào)壓室下游側(cè)附近發(fā)育f722斷層、T735長大裂隙及多條閉合節(jié)理裂隙，鉆孔資料顯示在巖面距2.5～3.0 m深度孔壁脫落，5.5～6.0 m深度巖芯較為破碎。4#尾水調(diào)壓室下游側(cè)距離層間錯動帶C2較近，位于其上盤，附近發(fā)育多條規(guī)模很小的柱面節(jié)理及閉合裂隙，鉆孔資料顯示在巖面距1.5～4.5 m之間巖芯較為破碎。改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測成果與地質(zhì)條件相吻合，由于將各支儀器串聯(lián)組裝，可以連續(xù)測得不同圍巖深度應(yīng)變情況，能較為準確定位圍巖較大應(yīng)變發(fā)生區(qū)域，了解圍巖松動情況。（5）受地質(zhì)條件等因素影響，洞室開挖后，不同圍巖深度的應(yīng)變不盡相同。從圖9、圖10可以看出，1～6 m之間兩種儀器測值存在差別，這是由于多點變位計測點相對較少，測得的成果為錨頭與傳感器區(qū)間的大尺度宏觀位移。光纖儀器布置密集，可以捕捉到小區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)變的變化情況，因此測值存在震蕩情況，與測點所處位置對應(yīng)，相對較為精確。（6）兩種儀器在對應(yīng)深度測點處圍巖應(yīng)變值較為接近，測值差異與兩者儀器埋設(shè)位置、測量原理以及圍巖自身的特性和不確定性有關(guān)。

5 結(jié)論

光纖光柵監(jiān)測儀器在國內(nèi)地下洞室大規(guī)模應(yīng)用不多，成功的實例較少，且目前國內(nèi)尚未制定光纖光柵監(jiān)測儀器相應(yīng)的安裝實施規(guī)程規(guī)范。本文通過對西南某在建水電站左岸尾水調(diào)壓室改進型光纖光柵大量程應(yīng)變傳感器與對應(yīng)多點變位計監(jiān)測成果對比分析得到以下結(jié)論：（1）改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器與對應(yīng)多點變位計監(jiān)測圍巖應(yīng)變與洞室開挖卸荷響應(yīng)較好，變化趨勢基本一致。由于光纖儀器靈敏性強，圍巖應(yīng)變波動起伏較為明顯。（2）改進型光纖光柵大量程應(yīng)變傳感器多個測點成功測得3000 με以上圍巖應(yīng)變，且與周圍地質(zhì)情況吻合較好，能較為準確定位圍巖較大應(yīng)變發(fā)生區(qū)域，為洞室安全穩(wěn)定分析提供數(shù)據(jù)支撐。（3）多點變位計受限于儀器安裝位置限制，只能監(jiān)測兩個錨頭之間或者儀器安裝位置處圍巖應(yīng)變，無法獲得更為詳盡的軸向圍巖應(yīng)變分布情況。采用改進型光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠更為精確、連續(xù)監(jiān)測到圍巖應(yīng)變情況。（4）由于該光纖傳感器采用膠粘固定，洞室爆破開挖造成部分儀器損壞，對監(jiān)測成果有一定影響。若光纖儀器采用先進的刻柵技術(shù)，可使監(jiān)測成果更為可靠。