分布式光纖溫控在混凝土養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

吳永立，端傳懷，顧曉彬

（1.中國(guó)交建江蘇分公司，南京 210011；2.中交三航局第三工程有限公司，南京 210011）

引言

蘇錫常南部高速公路太湖隧道采用圍堤明挖現(xiàn)澆法施工，隧道主體結(jié)構(gòu)依次從底板、側(cè)墻、管廊中隔墻、折板、頂板部位對(duì)稱澆筑，單次澆筑長(zhǎng)度達(dá)20 m。此類大體積混凝土施工中，養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要，但養(yǎng)護(hù)過程中內(nèi)部水化熱聚集不易消散，過大溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)過大溫度應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，引發(fā)結(jié)構(gòu)滲漏。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地獲得隧道混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度信息是保證混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。

混凝土溫度測(cè)量通常采用點(diǎn)式溫度計(jì)，但單個(gè)溫度計(jì)只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，而難以掌握混凝土內(nèi)部的全局溫度變化。分布式光纖傳感技術(shù)可對(duì)混凝土澆筑過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于進(jìn)料溫度、液面高度、欠振、漏振、過振都能及時(shí)預(yù)警，將傳統(tǒng)的混凝土固化后的補(bǔ)救整改，轉(zhuǎn)換成澆筑過程中的防范整改，可提高工程質(zhì)量、節(jié)省成本、縮短工期，并對(duì)工作面的振搗過程進(jìn)行歸檔管理，指導(dǎo)后期的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)作業(yè)，是一種質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)綜合效益明顯的施工技術(shù)。因此，為更好進(jìn)行太湖隧道襯砌質(zhì)量控制，引入了分布式光纖傳感溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)墻、折板和頂板等部位的溫度變化，為襯砌混凝土的科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供支撐。

1 分布式光纖測(cè)溫原理

1.1 光纖中的光散射

光波作為一種電磁波入射到光纖中將與光纖材料的分子或原子相互作用，從而產(chǎn)生光散射頻譜[2]。當(dāng)角頻率為的光入射到光纖中，其散射頻譜示意圖如圖1 所示。

圖1 散射頻譜示意圖

當(dāng)散射光的頻率高于入射光頻率時(shí)，稱其為反斯托克斯（Anti-Stokes）光，低于入射光頻率時(shí)則稱為斯托克斯（Stokes）光[3]。瑞利散射光與入射光頻率相同，布里淵散射和拉曼散射都有2 條譜線，分別為斯托克斯光和反斯托克斯光。通過不同的頻譜可以區(qū)分瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射，從而進(jìn)行應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在自發(fā)拉曼散射中，反斯托克斯光對(duì)溫度敏感，其光強(qiáng)受溫度調(diào)制，而斯托克斯光基本與溫度無關(guān)，因此通過檢測(cè)兩者光強(qiáng)的比值，就可以解調(diào)出散射區(qū)的溫度信息[4]。

1.2 分布式光纖溫度傳感器的基本原理

分布式光纖傳感技術(shù)是一種以光為載體，光纖為媒介，來表征外界信號(hào)（壓力、溫度、應(yīng)變等）的新型傳感技術(shù)[2]。其工作原理為：向光纖發(fā)射一束脈沖光,該脈沖光會(huì)以略低于真空中的光速的速度向前傳播,同時(shí)向四周發(fā)射散射光，散射光的一部分會(huì)沿光纖返回到入射端。通過測(cè)量入射光和反射光之間的時(shí)間差T,可計(jì)算發(fā)射散射光的位置距入射端的距離X為：

式中：C為光纖中的光速，C=C0/n,C0為真空的光速,n為光纖的折射率。

拉曼散射光中Stokes 光強(qiáng)與溫度無關(guān),Anti-Stokes 光強(qiáng)隨溫度變化，光強(qiáng)與溫度的關(guān)系可用下式表示[5]:

式中：las為Anti-Stokes 光強(qiáng)，ls為Stokes 光強(qiáng)，a為溫度相關(guān)系數(shù)，h普郎克系數(shù)，c為真空中的光速，v為拉曼平移量，k為鮑爾次曼常數(shù)，t為絕對(duì)溫度值。根據(jù)式(2)及實(shí)測(cè)Stokes 光強(qiáng)與Anti-Stokes光強(qiáng)之比可計(jì)算溫度為:

光纖測(cè)溫技術(shù)與拉曼反射光中兩種成分絕對(duì)值無關(guān),既使光纖老化,沿程光損失增加,仍可消除光損失的影響,保證測(cè)溫精度。

1.3 分布式光纖溫度傳感設(shè)備測(cè)溫原理

分布式光纖溫度傳感設(shè)備基于拉曼散射的溫度效應(yīng)特征，其原理框圖如圖2 所示。

圖2 分布式光纖溫度傳感設(shè)備原理

分布式光纖溫度傳感設(shè)備通過計(jì)算拉曼散射光中的斯托克斯和反斯托克斯光強(qiáng)比值，即可得出散射區(qū)的溫度值。沿溫度傳感光纖每0.16 m 測(cè)量一個(gè)溫度原始數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均算法處理，消除波動(dòng)、減小數(shù)據(jù)包容量后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度上可滿足工程應(yīng)用要求。

2 分布式光纖的布置與保護(hù)

2.1 傳感器布置

太湖隧道主體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，針對(duì)大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要,施工中采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化，為結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。分布式光纖溫度傳感設(shè)備的測(cè)溫精度為0.1℃，定位精度為1 m[6]，均能夠很好的滿足工程要求?？紤]到側(cè)墻厚度較大，核心區(qū)域溫度監(jiān)測(cè)難，選取側(cè)墻作為本次測(cè)試的實(shí)施部位。

圖3 太湖隧道橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 光纖鋪設(shè)

為了提高光纖的存活率，測(cè)試采用帶鎧裝的多模光纖，光纖包裹外鋼絲，以提高光纖強(qiáng)度，可直接澆筑在混凝土中，施工簡(jiǎn)單，鋪設(shè)方便，能夠適應(yīng)混凝土施工的復(fù)雜環(huán)境，光纖鋪設(shè)方案如圖4、5所示。

圖4 光纖鋪設(shè)圖

圖5 光纜布放施工圖

2.3 光纖的保護(hù)

光纜布放后，受工程進(jìn)度影響，一般不會(huì)立即澆筑，且光纜布放之后，在做焊接、模板安裝等工作時(shí)需避免損壞光纜。光纜布放過程中，需避開加強(qiáng)筋的區(qū)域，綁扎時(shí)需避開焊接點(diǎn)。光纜布放完成后禁止隨意牽扯，在過道圍欄上固定，綁扎整齊，避免人員過往踩踏損壞。需要穿過行車軌道的，應(yīng)從軌道底下過孔穿過，避免行車運(yùn)行碾壓光纜。

3 混凝土澆筑后水化熱溫度監(jiān)測(cè)分析

本次測(cè)試選取太湖隧道K25+000 段側(cè)墻，光纖監(jiān)控范圍覆蓋K25+000～k25+020 段側(cè)墻，區(qū)域面積達(dá)80 m2。測(cè)試段拆模前后如圖6 所示，混凝土外觀質(zhì)量良好，表面完整無明顯缺損。

圖6 試驗(yàn)段側(cè)墻拆模前后圖片

3.1 溫度變化分析

為了更好的研究水化熱對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)的影響，選擇晝夜溫差較大的9 月份作為水化熱溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間。2019 年09 月07 日完成太湖隧道K25+120 工程段南側(cè)墻光纖布線。09 月08 日18 時(shí)完成澆筑，混凝土入模溫度26℃，氣溫28.5℃。4 天溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 監(jiān)測(cè)段平均溫度

從圖4-2 可知，混凝土澆筑以后，水化熱效應(yīng)明顯。澆筑完成22 小時(shí)后（A 點(diǎn)），混凝土核心溫度達(dá)到44.9℃，水化熱效率降低，溫度上升明顯變緩慢。澆筑完成30 小時(shí)后（B 點(diǎn)），混凝土核心溫度達(dá)到最大值45.6℃。澆筑完成42 小時(shí)后（C點(diǎn)），水化熱效應(yīng)衰退，溫度開始緩慢下降。頂部光纖由于距離混凝土表面較近，導(dǎo)致溫度較核心區(qū)稍低，底部光纖緊貼底板，散熱效果稍差，因此較頂部溫度稍高?；炷了療嵝?yīng)整體呈現(xiàn)出加速上升——保持穩(wěn)定——緩慢消退的特征，對(duì)于核心區(qū)域，水化熱溫度受氣溫變化影響小。

3.2 溫差分析

在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，溫度差導(dǎo)致的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，核心區(qū)、頂部和底部與氣溫的溫度差如圖8 所示。

圖8 監(jiān)測(cè)段與天氣平均溫度差

由于水化熱的影響，夜間氣溫下降，混凝土與環(huán)境溫差快速上升，澆筑完成10 小時(shí)后(A 點(diǎn))溫差達(dá)11.9℃。澆筑完成后第一個(gè)白天，混凝土表面與環(huán)境溫差最大達(dá)13℃，如圖4-3 中B 點(diǎn)所示。澆筑完成34 小時(shí)后(C 點(diǎn))，溫差達(dá)到最大值22.2℃。澆筑完成后第三個(gè)夜間（D 點(diǎn)），溫差最大為19.1℃，第四個(gè)夜間（E 點(diǎn)）,溫度差最大為16℃，第五個(gè)夜間（F 點(diǎn)）,溫度差最大為13℃。

4 結(jié)語

本次測(cè)試采用分布式光纖傳感測(cè)溫技術(shù)對(duì)太湖隧道側(cè)墻澆筑后的水化熱溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分析，得出如下結(jié)論與建議：

1）澆筑完成30 小時(shí)后，混凝土核心區(qū)溫度達(dá)到峰值45.6℃。

2）澆筑完成34 小時(shí)后，混凝土表面與環(huán)境溫差達(dá)到最大值22.2℃，需注意混凝土保溫，避免溫差過大產(chǎn)生裂縫。

3）澆筑完成后的前5 個(gè)夜間溫差均超過10℃，應(yīng)做好混凝土保溫養(yǎng)護(hù)。

4）相比傳統(tǒng)的點(diǎn)式溫度計(jì)，分布式光纖傳感測(cè)溫技術(shù)采用帶鎧裝的多模光纖作為溫度傳感器，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，優(yōu)勢(shì)明顯。

5）相比傳統(tǒng)點(diǎn)式溫度計(jì)測(cè)溫手段，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)可連續(xù)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度，消除監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土水化熱異常位置，精準(zhǔn)指導(dǎo)施工。