FBG傳感器在特殊洞段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用

歐陽宏，夏 天

（1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，蘭州730030；2.甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，蘭州730000）

0 引言

水利、交通等行業(yè)的長距離隧洞屬于大型工程結(jié)構(gòu)，大多服務(wù)年限達(dá)到幾十年甚至上百年，長時間運營過程中不可避免會產(chǎn)生損傷累積，嚴(yán)重的會引發(fā)突發(fā)事故，因此有必要對其特殊洞段進(jìn)行長期有效的穩(wěn)定性監(jiān)測。傳統(tǒng)的電類傳感器對安裝環(huán)境要求較高，受結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境影響較大，尤其對于長距離隧洞內(nèi)部的特殊截面，電源引接困難，傳感器工作環(huán)境較差，基于電類傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)已無法滿足長期穩(wěn)定性監(jiān)測的需求［1］。近年來，光纖傳感技術(shù)以其全光傳輸、無需供電、抗腐蝕和抗電磁干擾等特點，可適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，特別適合長距離監(jiān)測，且已在大壩、橋梁、隧道等工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測中嘗試應(yīng)用［2-4］。

國外對于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用研究較早，Inaudi 在隧道巖壁上安裝光纖位移傳感器，監(jiān)測隧道施工期間的圍巖受力情況［5］；Nellen將光纖光柵傳感器安裝在Lucerne橋的碳纖維斜拉索上，應(yīng)變的測量范圍達(dá)到8 000 με［6］。國內(nèi)，施斌等人提出了光纖光柵傳感器在隧道工程監(jiān)測中的封裝保護(hù)、溫度補償及系統(tǒng)集成等解決辦法和思路［7］；潘恒飛等人將一種埋入式FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)用于引水隧道中，研究襯砌混凝土的應(yīng)變情況［3］。針對長隧洞或遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)墓こ?，其安全監(jiān)測采用光纖光柵傳感器是一種有效的選擇［8-11］。

甘肅引洮供水工程引洮一期工程7號隧洞長度近14 km，由于監(jiān)測截面位于隧洞深處，供電困難，且隧洞長期處于通水狀態(tài)，傳統(tǒng)電類傳感器在使用過程中可靠性較差，因此本文將對光纖光柵傳感器在引水隧洞中進(jìn)行應(yīng)用嘗試與研究，對隧洞結(jié)構(gòu)安全狀況（應(yīng)力、位移、溫度、沉降）進(jìn)行監(jiān)測，以確保隧道投入使用后的結(jié)構(gòu)安全。后期通過實測數(shù)據(jù)驗證了光纖監(jiān)測系統(tǒng)在引水隧洞結(jié)構(gòu)監(jiān)測中應(yīng)用的可行性與可靠性。

1 關(guān)鍵技術(shù)原理

光纖光柵是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器。光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點，并且其諧振波長對溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感。

當(dāng)光纖光柵受到應(yīng)力作用或所處環(huán)境溫度發(fā)生改變時，導(dǎo)致其柵距發(fā)生變化，從而反射波長也會發(fā)生漂移。根據(jù)這種特性，可以對作用在光纖光柵上的應(yīng)力、溫度等外界因素進(jìn)行感知，引起的光纖光柵反射波長變化量可以由式（1）給出［12］：

式中：Λ 為光纖光柵的柵距；neff為光纖光柵的折射率；ΔλB為光纖光柵波長的改變量；ΔΛ 為在應(yīng)力作用下光柵柵距的改變量；Δneff為光纖彈光效應(yīng)引起的折射率的改變量。

實際使用中，在測應(yīng)力變化時，由于應(yīng)變和溫度會同時對光纖光柵的反射波長產(chǎn)生影響，因此需要進(jìn)行溫度補償。通常采用近距離溫度感測光柵進(jìn)行線性補償。在一定的測量范圍內(nèi)，應(yīng)變和溫度對光纖光柵反射波長的影響是相互獨立的，能夠進(jìn)行線性疊加［12］。因此在應(yīng)變傳感器附近放置溫度傳感器，應(yīng)變傳感器同時感測應(yīng)變和溫度，溫度傳感器感測溫度，這樣溫度產(chǎn)生的影響可用下式消除：

式中：ε為實際應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；λε1為應(yīng)變傳感器的初始波長；λε0為應(yīng)變傳感器的實測波長；λt1為溫度傳感器的初始波長；λt0為溫度傳感器的實測波長；Ktt為溫度傳感器的溫度系數(shù)；Kεt為應(yīng)變傳感器的溫度系數(shù)；Kε為應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)。

2 光纖傳感技術(shù)在引水隧洞中的應(yīng)用

2.1 傳感器的設(shè)計

本文在引水隧洞中主要應(yīng)用四種傳感器對隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，分別為：光纖光柵應(yīng)力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移（接縫）傳感器、光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀。光纖光柵應(yīng)力傳感器內(nèi)部采用不銹鋼金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力傳導(dǎo)，光纖光柵通過黏貼的方式黏貼在金屬結(jié)構(gòu)件上，如圖1所示；光纖光柵溫度傳感器采用與應(yīng)力傳感器相近的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同的是溫度監(jiān)測光柵不會受到應(yīng)力影響，如圖2所示；光纖光柵位移（接縫）傳感器采用彈簧受力傳導(dǎo)的方式，將光纖光柵黏貼在傳感器末端的“門”型梁上，如圖3所示，當(dāng)待測部位（接縫）發(fā)生位移變化時可將位移量轉(zhuǎn)化為“門”型梁的形變而被光纖光柵監(jiān)測到；光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀采用螺紋桶裝結(jié)構(gòu)，將光纖光柵固定在螺紋桶內(nèi)部，當(dāng)水準(zhǔn)儀內(nèi)的水位發(fā)生變化時，會導(dǎo)致螺紋桶的形變而被光纖光柵感知，如圖4所示。

圖1 光纖光柵應(yīng)力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 光纖光柵唯獨傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 光纖光柵位移（接縫）傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

所有傳感器都經(jīng)過事先標(biāo)定，波長范圍在1 510～1 590 nm，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測隧洞結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，精度均高于0.5%F.S。

2.2 傳感器布置與安裝

7 號隧洞結(jié)構(gòu)監(jiān)測段位于里程57+835～60+951 處，總長3 116 m。應(yīng)力傳感器的溫度補償光柵采用傳感器體外單獨布置方式，位移傳感器與靜力水準(zhǔn)儀的溫補光柵在傳感器內(nèi)部懸空布置，保證溫補光柵處于不受力的狀態(tài)。監(jiān)測截面集中布置在以下三段區(qū)間：

（1）K57+835～K58+065 段（冷凍法施工段）。①該段包含兩個豎井，每個豎井部位分別布置兩套光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測傳感器監(jiān)測隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，如圖5所示。②每個豎井端頭剪切力較大部位布置4個光纖光柵位移（接縫）傳感器監(jiān)測待測接縫的發(fā)展趨勢情況，如圖6所示。③布置一套隧洞相對豎向沉降監(jiān)測系統(tǒng)，計算15 個光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀，靜力水準(zhǔn)儀利用連通管原理監(jiān)測隧洞的豎向沉降變形情況，基準(zhǔn)水箱位于非冷凍法施工段，如圖7所示。

圖5 光纖光柵應(yīng)力傳感器在截面上布置位置

圖6 光纖光柵接縫傳感器安裝示意圖

圖7 光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀在截面上布置位置

（2）K59+560 處為向斜巖層部位布置一套光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測傳感器與2個光纖光柵位移（接縫）傳感器。

（3）K60+911～K60+951 隧道盾構(gòu)與混凝土澆筑交接段。布置3 套光纖光柵應(yīng)力傳感器與7 個光纖光柵位移（接縫）傳感器。每套光纖光柵應(yīng)力傳感器包含9個光纖光柵應(yīng)力傳感器與2個光纖光柵溫度傳感器，傳感器串沿隧洞縱向布置。

3 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過特殊封裝的光纖光柵傳感器在7 號隧洞完成安裝后，通過通信光纜將信號匯總到監(jiān)控中心，從而對隧洞不同截面進(jìn)行整體分析。將施工完成后開始積累的6個月傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并繪制成曲線，如圖8 和圖9所示。其中，應(yīng)力傳感器與接縫傳感器數(shù)據(jù)繪制為時程曲線，表示監(jiān)測數(shù)值隨時間變化的關(guān)系，提取了傳感器中變化值最大與最小的2個截面進(jìn)行分析；靜力水準(zhǔn)儀傳感器沿被測段結(jié)構(gòu)敷設(shè)，數(shù)據(jù)繪制成沿距離變化的曲線，縱坐標(biāo)為相對沉降量，橫坐標(biāo)為監(jiān)測截面位置。

圖8 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

圖9 隧洞相對沉降曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線中可以看出：①應(yīng)力變化量最大的一個傳感器位于58+065 截面2 號豎井部位，200 d 內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值與最小值相差1 MPa左右；相應(yīng)地，應(yīng)變化量最小的一個傳感器位于59+060 截面向斜地層帶，200 f 內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值與最小值相差0.6 MPa 左右。②位移變化量最大的一個傳感器位于58+065 截面，200 d內(nèi)監(jiān)測最大值與最小值相差約0.1 mm；位移變化量最小的一個傳感器位于59+060 截面，200 天內(nèi)監(jiān)測最大值與最小值相差約0.07 mm。從結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與結(jié)構(gòu)接縫位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，在監(jiān)測數(shù)據(jù)正常測試開始的200 d 以來，59+060截面結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，相比之下，58+065截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、接縫變化量更大。其監(jiān)測結(jié)果也與實際情況相符：向斜地層帶雖然容易集聚地下水會對結(jié)構(gòu)造成影響，但由于天氣干旱原因，并無大量降雨，地層中地下水情況更為穩(wěn)定，而作為冷凍法施工豎井部位的58+065截面隧洞結(jié)構(gòu)受地下水壓力影響較大，但整體來說，隧洞結(jié)構(gòu)仍處于穩(wěn)定階段，處于健康狀態(tài)。

作為隧洞冷凍法施工段的57+835～58+065 段完全被沉降監(jiān)測系統(tǒng)所覆蓋。從圖9 的監(jiān)測數(shù)據(jù)看來，隧洞豎向變形變化區(qū)間處于-0.05～0.05 mm 之間。隧洞沉降監(jiān)測采用的光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀量程為10 cm，按精度為0.1%F.S 計算，傳感器本身精度為0.1 mm，目前測到的數(shù)據(jù)變化范圍均處于傳感器自身誤差范圍內(nèi)，屬于洞內(nèi)通水量變化影響的正常范圍，隧洞結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的豎向變形問題發(fā)生。

在2016年7月至2018年7月為期兩年的監(jiān)測過程中，傳感器數(shù)值一直處在穩(wěn)定的變化區(qū)間內(nèi)，其應(yīng)力、位移和沉降的變化趨勢平緩，變化量在傳感器自身誤差范圍內(nèi)，表明隧洞結(jié)構(gòu)本身處在一個健康穩(wěn)定的狀態(tài)，并且沒有自然災(zāi)害等特殊情況發(fā)生，隧洞在正常工況下運營，結(jié)構(gòu)安全度較高，如圖10所示。

圖10 58+065截面處傳感器為期兩年的監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文介紹了光纖光柵傳感技術(shù)在引水隧洞的結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的成功應(yīng)用。傳感器經(jīng)過特殊封裝設(shè)計和實際測試，在前期2個月內(nèi)，傳感器成活率高達(dá)100%；后期兩年的監(jiān)測中，整個監(jiān)測系統(tǒng)也運行穩(wěn)定，且未發(fā)現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)跳變較大或數(shù)據(jù)丟失的情況，說明光纖光柵傳感技術(shù)能夠滿足引水隧洞的監(jiān)測環(huán)境需求。此外，通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和人工檢驗，驗證了以光纖光柵傳感技術(shù)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和可靠性，為今后水利工程項目中引水隧洞的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段提供借鑒?！?/p>