光纖光柵傳感器在深隧工程健康監(jiān)測中的應(yīng)用★

楊 懷 閔紅平 阮 超 張延軍 李胡爽 曾利華

(中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著我國城鎮(zhèn)化的持續(xù)深入推進(jìn)和環(huán)保要求的不斷提高，中心城區(qū)污水處理廠與城市發(fā)展的矛盾日益激烈，采用排水深隧技術(shù)將位于城市核心區(qū)的污水處理廠外遷至城市邊緣地帶，能有效解決城市污水處理廠用地與城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，同時避免了傳統(tǒng)淺層排水管網(wǎng)施工對現(xiàn)有城市基礎(chǔ)設(shè)施的影響，社會效益和環(huán)境效益明顯[1]。目前深層隧道技術(shù)已廣泛應(yīng)用于世界各大城市[2]，國內(nèi)如廣州、武漢、深圳等地已陸續(xù)有深隧工程投入建設(shè)和運營。

深隧工程位于城市深層地下空間，所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且隧道內(nèi)部流淌的往往是有壓腐蝕性介質(zhì)，運行工況復(fù)雜，因此通常采用隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對隧道變形、受力特征等內(nèi)容進(jìn)行實時、長期性監(jiān)測，對隧道健康狀況進(jìn)行評估，用以指導(dǎo)項目運營。

為取得真實可靠的連續(xù)性數(shù)據(jù)，監(jiān)測元器件的選擇至關(guān)重要。目前在類似工程如地鐵隧道監(jiān)測中，通常采用電阻式、振弦式等點式傳感器，這些點式傳感器普遍存在布設(shè)困難的問題，同時易受電磁場和環(huán)境因素影響，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真[3]。而近年來新興的光纖傳感技術(shù)或許是一種不錯的替代方案，因其具有耐腐蝕性好、抗電磁干擾能力強、長期使用穩(wěn)定性高等特點，目前已普遍用于對各類工程進(jìn)行監(jiān)測。例如湯繼新等[4]利用布拉格光纖光柵技術(shù)實現(xiàn)了地鐵隧道斷面和結(jié)構(gòu)變形的自動化監(jiān)測；胡寧[5]利用光纖光柵傳感器完成了對廈門翔安隧道二次襯砌應(yīng)變的長期性能監(jiān)測。但是城市深層排水隧道在國內(nèi)應(yīng)用案例較少，更無采用光纖光柵傳感器開展運營期健康監(jiān)測的先例。本文依托湖北大東湖深隧工程，針對隧道運營期結(jié)構(gòu)形式、所處環(huán)境特點，具體介紹了光纖光柵傳感元件的布設(shè)方案，可為后續(xù)城市排水深隧工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 光纖光柵傳感技術(shù)簡介

光纖布拉格光柵(FBG)于1978年問世，具有光波選擇性反射的作用，入射光在光柵中傳播時，滿足特定條件的光才會被反射回來。當(dāng)其所處環(huán)境發(fā)生改變時，反射光的波長也將發(fā)生變化，通過測量變化前后反射光的波長，即可計算出要測量的物理參數(shù)的改變情況。反射光波長變化主要受溫度和應(yīng)變影響，通常表示為下式：

其中，Δλb為波長的變化；λb為光柵中心波長；Pe為彈光系數(shù)；α為熱膨脹系數(shù)；ξ為熱光系數(shù)；Δε為應(yīng)變的變化；ΔT為溫度的變化。通過調(diào)制解調(diào)儀解調(diào)中心波長即可獲得待測的應(yīng)變或溫度變化。

該技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在三個方面，一是測試的信號不受光源波動、光纖材料彎曲或損耗、測試儀器老化等因素的影響；二是測量精度高，長期穩(wěn)定性好；三是抗電磁干擾能力強，惡劣復(fù)雜環(huán)境下表現(xiàn)良好。自1989年首次用于監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)以來，發(fā)展至今已成為土木工程領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要手段之一[5]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

武漢大東湖深隧工程主線隧道總里程17.5 km，全線包含9個盾構(gòu)區(qū)間，與常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道相比，具有隧道埋深大、斷面小的特點，豎井最大開挖深度達(dá)51.5 m，成型隧道最小斷面直徑3.0 m。隧道采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外側(cè)為25 cm厚預(yù)制管片，內(nèi)側(cè)為20 cm厚現(xiàn)澆二次襯砌。隧道沿線主要穿越粉細(xì)砂、中風(fēng)化灰?guī)r、巖溶區(qū)等十多種巖層，地質(zhì)條件復(fù)雜。運營期隧道內(nèi)充滿了僅僅經(jīng)過預(yù)處理的生活污水，具有一定腐蝕性，采用壓力傳輸方式，最大內(nèi)水壓力可達(dá)0.43 MPa，隧道結(jié)構(gòu)同時承受內(nèi)外壓力，多場耦合促進(jìn)作用使得污水隧道服役環(huán)境更為惡劣。因此考慮通過設(shè)置在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的監(jiān)測元器件實時讀取隧道力學(xué)參數(shù)，研究盾構(gòu)隧道在高壓污水工況下的損傷演化特性，并建立隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)預(yù)警和評價模型。

2.2 監(jiān)測方案

常規(guī)盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋監(jiān)測元器件以后，可將傳輸光纜布設(shè)在隧道內(nèi)表面，在施工和運營期可對傳感器及傳輸光纜進(jìn)行人工管理和維護(hù)。但在該工程中，由于運營期隧道內(nèi)充滿了污水，因此不得不將傳輸光纜全部埋設(shè)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這就需要選擇更具針對性的監(jiān)測方案。

原設(shè)計方案考慮采用振弦式傳感器，此時單個斷面線纜有40根，接引至豎井附近時線纜多達(dá)200根，需要在二次襯砌內(nèi)預(yù)埋15根以上的PVC管，嚴(yán)重影響薄壁二襯結(jié)構(gòu)的抗?jié)B和力學(xué)性能，需尋找預(yù)埋線纜更少的方案，同時考慮到光纖光柵傳感器在耐腐蝕、抗干擾方面的優(yōu)越性，因此該工程最終選擇采用光纖光柵傳感器。

監(jiān)測斷面選擇方面，同樣考慮到在薄壁二襯混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋過長的管線，會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，最終在分別距離豎井70 m，85 m，100 m的位置選擇了三處典型地質(zhì)斷面進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測元器件選擇了光纖混凝土應(yīng)變計、光纖滲壓計、光纖鋼筋計三種。

2.3 施工工藝

二襯混凝土澆筑后，不具備對預(yù)埋的監(jiān)測元器件及線纜進(jìn)行維護(hù)的條件，同時由于光纖本身在受剪時會產(chǎn)生信號衰減甚至斷裂的特性，在施工過程中尤其需要注意。目前國內(nèi)對于光纖光柵傳感器在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多，但具體到現(xiàn)場實施層面，卻常常被人們所忽視，相對來說研究較少，目前能檢索到的有郝振方[6]對光纖光柵傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的施工工藝進(jìn)行了專題研究，證實了相關(guān)施工工藝的可行性。本小節(jié)將對大東湖深隧工程健康監(jiān)測元器件的具體實施流程進(jìn)行簡單介紹。

在監(jiān)測元器件正式安裝前，逐個進(jìn)行檢驗和編號，確認(rèn)元器件完好無損，便于現(xiàn)場安裝定位以及后期數(shù)據(jù)查詢處理。接下來是各種元器件的安裝，因為光纖混凝土應(yīng)變計測量的是二襯環(huán)向應(yīng)變，因此應(yīng)變計需平行于環(huán)向受力主筋方向固定，且每個測點需布置兩個應(yīng)變計，內(nèi)外側(cè)鋼筋上各安裝固定一個，安裝完畢后將量測傳輸光纜導(dǎo)入專用穿線管。安裝光纖滲壓計前，在滲壓計周圍纏繞約1 mm厚的彈性保護(hù)墊層，以降低隧道結(jié)構(gòu)變形對監(jiān)測元器件的影響，并用無紡?fù)凉た椢锇?，防止在澆筑混凝土過程中由于水泥砂漿封堵，導(dǎo)致滲壓計的滲透性不足無法感應(yīng)水壓力，再將滲壓計綁扎在鋼筋上進(jìn)行固定，最后將信號光纜接入專用穿線管以完成安裝。光纖鋼筋計的安裝較為簡單，選擇一定長度的綁扎絲將鋼筋計安裝固定在鋼筋之間，之后傳感器光纜接入專用穿線管即可。

光纖鋼筋計、光纖混凝土應(yīng)變計按組劃分成多個回路，傳感器的首尾兩端尾纖接入不同單芯光纖回路互為備用，將三種傳感器出線尾纖連接至光纖分線盒。傳感器尾纖經(jīng)熱縮夾套管防護(hù)后再套護(hù)管進(jìn)行二次保護(hù)，分線盒采用防水防腐保護(hù)。采用多芯單模專用光纜在分線盒處進(jìn)行分纖熔接，串聯(lián)鋼筋計、應(yīng)變計和滲壓計，多芯單模專用光纜使用時考慮回路冗余備用。另外在每個斷面?zhèn)溆脙陕穼Ｓ霉饫|，在總分線盒處做熔接備用，增加傳感器信號傳輸通道，提高傳感器存活率。光纜熔接位置采用熱縮夾套進(jìn)行防水處理。最后將每個斷面的三路專用光纜通過豎井內(nèi)預(yù)留的健康監(jiān)測管引出至地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備。所有光纜熔接后，都必須進(jìn)行現(xiàn)場測試，確保光損低于標(biāo)準(zhǔn)值，信號質(zhì)量穩(wěn)定?，F(xiàn)場安裝完成后的一個監(jiān)測斷面見圖1?？偨Y(jié)整個實施過程就是“按規(guī)安裝、冗余設(shè)計、及時測試”，最終測試時元器件成活率達(dá)97%，充分證明了上述施工工藝的可行性。

3 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)建筑工程施工而言，監(jiān)測元器件的安裝預(yù)埋是一項非常精細(xì)的工作，要確保設(shè)計方案在工程中的應(yīng)用效果，現(xiàn)場實施階段需特別注意，尤其是對于不具備檢修維護(hù)條件的全預(yù)埋式安裝，更要合理選擇施工工藝，確保元器件成活率。

盡管目前不少研究表明光纖光柵傳感器的存活壽命可以達(dá)到25年以上，但相對于大型工程動輒100年的設(shè)計使用壽命而言仍不算很長，因此對于城市排水深隧工程，健康監(jiān)測系統(tǒng)只能在工程運營前期正常發(fā)揮設(shè)計功能，雖然也可以通過前期測得的數(shù)據(jù)建模并預(yù)測隧道結(jié)構(gòu)健康狀況發(fā)展趨勢，但終究不如直接測得的數(shù)據(jù)來得直觀可靠。因此，要真正實現(xiàn)城市排水深隧的全生命周期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，有賴于材料等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

當(dāng)然，對于大型工程而言，僅僅依靠光纖光柵傳感器一種監(jiān)測技術(shù)是不夠的，需要多種監(jiān)測技術(shù)的相互配合。比如在該工程中，為了監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)腐蝕情況，在二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋了腐蝕傳感器，監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，與光纖光柵傳感器一起，共同為運營期隧道結(jié)構(gòu)安全提供數(shù)據(jù)支撐。