光纖傳感技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

丁建峰，王燕平，徐雨歌

(1.揚(yáng)州市隧道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 光纖傳感技術(shù)及其基本原理

光纖傳感技術(shù)始于1979年，是美國(guó)國(guó)家航空局所研發(fā)出的一種新型傳感技術(shù)。該技術(shù)最先是在飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)之中得以應(yīng)用，主要用來(lái)檢測(cè)復(fù)合材料的溫度和應(yīng)變。后來(lái)，美國(guó)和加拿大兩個(gè)國(guó)家對(duì)光纖傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、固化、評(píng)估以及識(shí)別等方面進(jìn)行了深入研究。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也開(kāi)始日益成熟，并且在眾多領(lǐng)域之中都得到了廣泛應(yīng)用。在光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展之中，建筑工程的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐漸成為了該技術(shù)的主要發(fā)展陣地。相比較傳統(tǒng)的電子傳感技術(shù)而言，光纖傳感技術(shù)的信息載體是光，其信息傳遞介質(zhì)是有著更高抗干擾、抗腐蝕、高傳輸帶寬且使用壽命長(zhǎng)的光纖[1]。同時(shí)，由于光纖的直徑很小，質(zhì)量很輕，且具有可彎曲特點(diǎn)，所以在具體的應(yīng)用過(guò)程中，可以將光纖埋設(shè)到復(fù)合材料內(nèi)部，也可以將其貼在材料的表面，這樣就可以和被檢測(cè)的材料之間實(shí)現(xiàn)良好的融合。在光柵光纖傳感器的應(yīng)用之中，可以將很多個(gè)傳感器布設(shè)在同一根光纖上，以此來(lái)對(duì)被監(jiān)測(cè)的材料進(jìn)行分布式的測(cè)量。而借助于光時(shí)域技術(shù)，也可以對(duì)被監(jiān)測(cè)的材料實(shí)現(xiàn)分布式的測(cè)量。因此，將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)之中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、腐蝕情況、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及裂縫情況等的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，且有著極高的靈敏度，屬于一種理想化的傳感裝置。

在目前的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域之中，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)成為了一種首選技術(shù)，而該技術(shù)在整個(gè)傳感器領(lǐng)域之中也有著十分光明的發(fā)展前景。借助于光纖傳感技術(shù)，可以讓傳統(tǒng)的光信號(hào)編碼信息特征得到科學(xué)應(yīng)用，使其產(chǎn)生出可以表現(xiàn)外部擾動(dòng)的一種光電信號(hào)，以此來(lái)采集待測(cè)信息。

在光纖傳感技術(shù)之中，光調(diào)制技術(shù)最為關(guān)鍵。實(shí)際上，光調(diào)制技術(shù)就是借助于光纖內(nèi)部的載體光波來(lái)承載攜帶者待測(cè)信息的信號(hào)，這一技術(shù)主要是借助于光敏元件實(shí)現(xiàn)。在待測(cè)區(qū)域之中，光敏元件可能會(huì)受到溫度和應(yīng)變等的外部因素影響，進(jìn)而對(duì)光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振以及顏色等這些參數(shù)之中的一種進(jìn)行調(diào)制，然后通過(guò)光纖對(duì)調(diào)制好的光波進(jìn)行傳輸[2]。位于監(jiān)測(cè)終端的光電裝置可以進(jìn)行光信號(hào)的解調(diào)，以此來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的電子信號(hào)，然后對(duì)轉(zhuǎn)換成的電子信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，最終獲得到待測(cè)參數(shù)的數(shù)字信息。

2 隧道施工概況

南京市某市政隧道總長(zhǎng)度是2.66 km，其中有1.66 km穿越湖底，雙向六車道，屬于三箱室的結(jié)構(gòu)形式，在這三個(gè)箱室之中，左邊和右邊兩個(gè)箱室作為行車道使用，中間的箱室作為綜合管廊以及隧道檢修通道。隧道的陸地隧道長(zhǎng)度是0.9 km，屬于雙向四車道。隧道的設(shè)計(jì)寬度大約是32 m，凈空高度大約是4.5 m，每隔90 m長(zhǎng)就設(shè)置一道橫向的變形裂縫。

在本次隧道工程的施工之中，地質(zhì)條件較差，尤其是在湖底的施工之中，松散粉細(xì)沙層分布范圍比較廣，有著較大的厚度，且存在承壓水，土層之間有著顯著的性質(zhì)差異，土層類別十分復(fù)雜，且分布情況不均勻。

在該隧道的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)施工過(guò)程中，主要將BOTDR這一光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到了隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)之中，分別沿著兩車行速調(diào)的軸向進(jìn)行4根光纖的敷設(shè)，其敷設(shè)方式是兩根全面接著，兩根定點(diǎn)接著。全面接著形式的光纖主要是對(duì)隧道整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)這兩根光纖，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道整體變形情況。定點(diǎn)接著形式的光纖主要是對(duì)變形縫進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域以及變形縫等這些具有假定變形特征或潛在變形特征的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)這兩條光纖，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些位置的變形情況。在該隧道的數(shù)據(jù)采集方面，應(yīng)用的是由日本NTT公司所研發(fā)的AQ8603型BOTDR光纖應(yīng)變分析儀。

3 BOTDR光纖監(jiān)測(cè)原理分析及監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)原理

按照光纖所具備的物理特征，溫度以及應(yīng)變都會(huì)對(duì)Brillouin scattering造成影響，也就是說(shuō)，在光纖沿線發(fā)生溫度變化或者是產(chǎn)生軸向應(yīng)變的情況下，光纖之中的背向Brillouin scattering光頻率也將會(huì)出現(xiàn)漂移，而其頻率所產(chǎn)生的漂移量將會(huì)和光纖溫度變化及其應(yīng)變呈現(xiàn)出十分顯著的線性關(guān)系[3]。所以，通過(guò)對(duì)光纖之中背向自然布理淵散射光頻率漂移情況的測(cè)量，就可以或得到其沿線的溫度信息及其應(yīng)變分布信息。

3.2 光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道施工之中的監(jiān)測(cè)方案

3.2.1 光纖的敷設(shè)方式

按照BOTDR這種光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合樣本隧道光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工的實(shí)際情況，同時(shí)也全面考慮到了AQ8603型號(hào)BOTDR光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用特征，在本次的研究之中，主要通過(guò)兩種方式對(duì)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行布設(shè)，首先是通過(guò)全面接著形式來(lái)進(jìn)行敷設(shè)，其次是通過(guò)定點(diǎn)接著形式來(lái)進(jìn)行敷設(shè)。圖1是這兩種敷設(shè)形式具體的敷設(shè)方法。

圖1 全面和定點(diǎn)接著敷設(shè)形式的敷設(shè)方法

3.2.2 光纖監(jiān)控系統(tǒng)的布設(shè)和線路敷設(shè)

按照隧道實(shí)際的施工情況和施工之中對(duì)于儀器設(shè)備的要求，本次設(shè)計(jì)的光纖傳感器敷設(shè)線路共有8條，以此來(lái)達(dá)到對(duì)隧道之中所有變形情況數(shù)據(jù)的綜合性、全方位采集效果。在該線路方案的設(shè)定過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位經(jīng)過(guò)了多次的論證、推敲和修改，最終設(shè)計(jì)出了合理化的線路方案，并將其應(yīng)用到了實(shí)際的施工之中[4]。本次工程所敷設(shè)的8條光纖線路分別在隧道的南側(cè)和北側(cè)墻壁上進(jìn)行布設(shè)。在本次工程所布設(shè)的8條線路之中，一號(hào)線路、四號(hào)線路和八號(hào)線路屬于全面接著形式的線路，僅僅在變形縫的位置采用了定點(diǎn)接著形式，其余的線路均屬于定點(diǎn)接著形式的線路。具體敷設(shè)過(guò)程中，將這8條線路的起點(diǎn)布設(shè)在了隧道的出口位置，線路的中點(diǎn)布設(shè)在了K0+506位置，并通過(guò)傳光光纜在中點(diǎn)位置將光纖傳感器引入到隧道監(jiān)控中心。

3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析

在隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具體分析過(guò)程中，如果獲得到的應(yīng)變是正數(shù)，則表明被測(cè)結(jié)構(gòu)在測(cè)量當(dāng)天受到了拉伸力作用，反之，如果獲得到的應(yīng)變是負(fù)數(shù)，則表明被測(cè)結(jié)構(gòu)在測(cè)量當(dāng)天受到了壓縮力的作用。因?yàn)楸敬窝芯克婕暗降臋z測(cè)數(shù)據(jù)很多，所以在此僅僅選擇了N4光纖來(lái)作為本次檢測(cè)和應(yīng)變分析之中的研究對(duì)象。具體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，每周對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集一次，數(shù)據(jù)采集中并未對(duì)溫度補(bǔ)償加以考慮。

從最后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出應(yīng)變和溫度之間有著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，且這種負(fù)相關(guān)十分良好。伴隨著溫度的不斷上升，應(yīng)力就會(huì)隨之逐漸下降，而伴隨著溫度的逐漸下降，應(yīng)力也會(huì)隨之逐漸上升[5]。

而且在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程可見(jiàn)，溫度變化可以對(duì)應(yīng)變起到主要的影響作用，伴隨著溫度的逐漸上升，應(yīng)變將會(huì)逐漸變小，而伴隨著溫度的逐漸降低，應(yīng)變會(huì)逐漸變大。

4 光纖傳感技術(shù)在隧道健康監(jiān)測(cè)中的問(wèn)題

1)應(yīng)變和溫度之間的區(qū)分問(wèn)題。在很多的光纖傳感器之中，應(yīng)變和溫度之間的交叉問(wèn)題都有待進(jìn)一步解決。在BOTDR光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用之中，如果溫度變化不超過(guò)5℃，就可以忽略溫度對(duì)應(yīng)變的影響，但是如果溫度變化超過(guò)了5℃，就應(yīng)該考慮到相應(yīng)溫度補(bǔ)償措施的應(yīng)用[6]。但是就目前的情況來(lái)看，光纖傳感器溫度補(bǔ)償方面的計(jì)算方式存在明顯的不足，這就需要在今后的應(yīng)用和研究之中做出進(jìn)一步的完善。

2)光纖的接入、接出以及線路保護(hù)問(wèn)題。因?yàn)閼?yīng)用到隧道健康監(jiān)測(cè)之中的光纖十分脆弱，尤其將光纖植入到混凝土的過(guò)程中，更是非常容易遭到破壞。因此，在具體的應(yīng)用之中，應(yīng)該注意加強(qiáng)光纖的保護(hù)工作，以此避免光纖損壞的情況發(fā)生，在保障監(jiān)測(cè)效果的基礎(chǔ)上節(jié)約成本。同時(shí)，在光纖的接入和接出過(guò)程中，也應(yīng)該做好線路保護(hù)措施，以此保障光纖線路的敷設(shè)質(zhì)量?；谶@一情況，在光纖傳感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，要加大力度進(jìn)行光纖線路保護(hù)方面的研究。

3)光纖傳感器的封裝問(wèn)題。光纖傳感器的封裝就是在光纖的測(cè)量和保護(hù)之間達(dá)到一種平衡狀態(tài)，不僅需要避免外界的環(huán)境因素對(duì)光纖造成的不利影響，而且應(yīng)該注重保持光纖傳感器的精準(zhǔn)性和靈敏性。為達(dá)到這一目的，光纖傳感器的生產(chǎn)廠家應(yīng)該對(duì)光纖傳感器的封裝工藝做到足夠重視，加大力度對(duì)光纖傳感器的封裝技術(shù)和封裝工藝進(jìn)行研究，在此過(guò)程中，生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該組建起一個(gè)專業(yè)的課題組，專門來(lái)研究關(guān)于光纖傳感器封裝方面的技術(shù)和工藝。通過(guò)這樣的方式，才可以在保障光纖傳感器不受影響的基礎(chǔ)上保障其使用性能。

4)大量數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題。在隧道健康監(jiān)測(cè)之中，光纖傳感器的主要應(yīng)用方法是定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集，因此，監(jiān)測(cè)的頻次越高，需要收集的數(shù)據(jù)也就越多，尤其是一些需要進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的隧道結(jié)構(gòu)，更是有著相當(dāng)巨大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量，因此，這些數(shù)據(jù)的日常處理工作也就會(huì)十分繁瑣?；谶@一情況，在光纖傳感器的應(yīng)用與研究之中，應(yīng)該加大力度對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)加以完善，這樣才可以讓大量的數(shù)據(jù)得到及時(shí)有效的處理，提升系統(tǒng)的使用性能和監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

光纖傳感技術(shù)是當(dāng)今傳感技術(shù)領(lǐng)域之中一項(xiàng)全新的、先進(jìn)的技術(shù)。經(jīng)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到隧道健康監(jiān)測(cè)之中，可以對(duì)隧道結(jié)構(gòu)問(wèn)題做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以此來(lái)保障隧道的質(zhì)量與安全性。本文主要以隧道健康監(jiān)測(cè)之中的光纖傳感系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)光纖傳感技術(shù)在隧道健康監(jiān)測(cè)之中的應(yīng)用進(jìn)行分析。希望通過(guò)本文的分析，可以為類似工程之中光纖傳感技術(shù)的合理應(yīng)用與發(fā)展提供出一定的參考依據(jù)。

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