基于弱光柵技術(shù)的大斷面輸水隧洞深層圍巖變形監(jiān)測

張紅綱 盧斌強(qiáng) 賈立翔 張文軒

（1. 浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江杭州 310000；2. 蘇州南智傳感科技有限公司，江蘇蘇州 215123）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代以來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來越大，其中隧道建設(shè)更是飛速發(fā)展，但隨著隧道施工斷面逐漸增大，由深層圍巖變形引發(fā)的隧道施工事故頻頻發(fā)生，因此利用現(xiàn)有技術(shù)手段對隧道深層圍巖變形情況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測變得尤為重要[1]。目前，已經(jīng)有大量學(xué)者針對不同用途的隧道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，例如，吳靜紅等[2]利用光纖光柵傳感技術(shù)對京雄高鐵大斷面隧道的襯砌環(huán)向應(yīng)變、隧道周邊分層沉降進(jìn)行了長期監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果直接顯示隧道結(jié)構(gòu)健康情況，能夠?qū)λ淼肋\營過程中可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行早期預(yù)警；蘇勝昔等[3]利用光纖光柵傳感技術(shù)對張涿高速東馬各莊隧道工程中圍巖的變形量、變形穩(wěn)定時間、變形速率進(jìn)行了準(zhǔn)確監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果對隧道安全運營具有重要的指導(dǎo)意義；蔣 奇等[4]將光纖光柵技術(shù)與錨桿相結(jié)合，將其運用到隧道圍巖變形監(jiān)測中，利用FBG 錨桿監(jiān)測圍巖變形情況，其監(jiān)測技術(shù)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、測量范圍大、結(jié)構(gòu)簡單和能在野外巖土結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行長期有效監(jiān)測等優(yōu)點。

盡管光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于隧道圍巖變形監(jiān)測領(lǐng)域，并取得了一系列成果，但利用弱光柵技術(shù)針對隧洞深層圍巖變形進(jìn)行低成本、長期有效監(jiān)測仍缺乏研究。本文在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對正在施工的平陽大斷面輸水隧洞，設(shè)計了將弱光纖光柵感測光纜固定在鋼筋上，對隧洞深層圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)方案。本文詳細(xì)介紹了弱光柵技術(shù)的原理和弱光纖光柵感測光纜布設(shè)方案，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析，為平陽輸水隧洞安全監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 弱光柵技術(shù)原理

弱光柵光纖是指反射率極弱的一種特種光纖光柵，其峰值反射率通常低于-30 dB。由于其反射率非常低，相同周期的光纖光柵可以相互穿透，實現(xiàn)單一光纖上大量光柵點復(fù)用[5]。將多個FBG 傳感器布置在空間預(yù)定位置上，采用串聯(lián)或其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式連接在一起，通過時分復(fù)用技術(shù)便可以構(gòu)成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 FBG 密集分布式傳感器測量原理圖

弱光柵光纖有如下傳感特性：應(yīng)變和溫度傳感性能與常規(guī)FBG 一致，具有同等的感測精度；相同周期的光纖光柵可以同纖復(fù)用；可在同一光纖上密集加工數(shù)千個光纖光柵感測點，實現(xiàn)準(zhǔn)分布式密集監(jiān)測；解調(diào)速度快，可實時測試。弱光柵光纖結(jié)合了光纖光柵的傳感優(yōu)勢和光時域技術(shù)的定位優(yōu)勢，可實現(xiàn)長距離工程的實時監(jiān)測。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

平陽縣南湖分洪工程是鰲江干流水頭段重要的防洪工程。工程建設(shè)內(nèi)容由進(jìn)口分洪閘、分洪隧洞、施工支洞及補償工程組成。進(jìn)口分洪閘共計兩座，每座閘共計2 孔，每孔凈寬8 m，底檻頂高程為7.0 m；分洪隧洞包括2 條，南線分洪隧洞長6.538 km，北線分洪隧洞長6.563 km，由上游無壓段、倒虹吸段、下游無壓段組成，襯后洞寬14 m，設(shè)計最大分洪流量各410 m3/s。本項目建成后能夠降低水頭段河道洪水位，有效提升水頭段干流防洪能力。

工程現(xiàn)階段正在施工，考慮到圍巖變形隨時間推移逐漸穩(wěn)定，因此選取湖北村支洞作為科研斷面，該斷面距工作面較近，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加可靠[6]。

2.2 監(jiān)測方案

針對大斷面輸水隧洞深層圍巖變形問題，為了能夠利用現(xiàn)有光纖光柵技術(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測圍巖變形情況，采用固定在鋼筋上的弱光柵光纖感測光纜對深層圍巖變形規(guī)模、趨勢進(jìn)行監(jiān)測分析，同時通過對比多點位移計與弱光柵光纖感測光纜監(jiān)測結(jié)果驗證弱光柵監(jiān)測技術(shù)的準(zhǔn)確性。任一斷面的深層圍巖變形情況對于隧洞安全施工都具有重要影響，其中臨近工作面的斷面深層圍巖變形更大，利用弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置能夠準(zhǔn)確監(jiān)測圍巖變形情況。其原理是隨著圍巖發(fā)生變形，固定在鋼筋表面的弱光纖光柵感測光纜會受拉或受壓，從而引起波長在柵點處會發(fā)生變化，通過解調(diào)設(shè)備可以記錄某一時刻的波長，然后通過計算公式可以計算出圍巖變形大小。

如圖2 所示，本次監(jiān)測共選取三個鉆孔，分別命名為左側(cè)一號孔、右側(cè)一號孔和右側(cè)二號孔，鉆孔深度約為15 m，弱光柵光纖感測光纜每隔1 m 存在一個光柵點，能夠?qū)︺@孔各深度圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測。選用快速易安裝裝置，以便施工時能夠滿足快速、方便的要求[7]，同時，為能夠充分利用資源，選擇在注漿鉆孔中布設(shè)弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置，但弱光纖光柵感測光纜安置和加固注漿工藝對弱光纖光柵感測光纜存活性影響較大，所以弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置的制作、保護(hù)和布設(shè)過程都較為重要[8]。本工程結(jié)合前期實驗室試驗成果，設(shè)計出以下一套制作安裝工藝。

圖2 弱光纖光柵感測光纜布設(shè)圖

（1）選取直徑為25 mm 的帶肋鋼筋作為支撐，然后用角磨機(jī)將鋼筋兩側(cè)縱向肋紋附近打磨光滑作為弱光纖光柵感測光纜布設(shè)路徑，將弱光纖光柵感測光纜以綁扎的方式固定在鋼筋表面，在其上涂抹一層環(huán)氧樹脂膠；

（2）在弱光纖光柵感測光纜1.5 m、4 m、8 m 和15 m 位置處安裝4 個多點位移計，以便對比弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性；

（3）在弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置尾端用塑料保護(hù)套保護(hù)弱光纖光柵感測光纜，同時在弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置安裝進(jìn)鉆孔和注漿后利用便攜式解調(diào)設(shè)備弱光柵解調(diào)儀測試，如果數(shù)據(jù)異常及時排查檢修。引線光纜線路應(yīng)按照“安全、隱蔽、距離短”的原則設(shè)計。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置自2020 年12 月初已投入使用，由于現(xiàn)場仍在爆破施工，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，從現(xiàn)階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能夠觀察出一定的趨勢。 規(guī)定弱光刪光纖光纜受拉為正、受壓為負(fù)，在分析弱光柵光纖感測光纜在深層圍巖各位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，再比較圍巖某一特殊深度處弱光柵光纖感測光纜監(jiān)測的應(yīng)變變化和多點位移計監(jiān)測的位移變化，綜合分析對比后，確定深層圍巖應(yīng)變及位移變化情況，同時分析設(shè)計的弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置在深層圍巖監(jiān)測領(lǐng)域的監(jiān)測效果（見圖3、圖4）。

圖3 左側(cè)一號孔弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖4 左側(cè)一號孔特殊位置監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

由式（1）可知，圍巖的位移 Δl與柵點距離及圍巖應(yīng)變相關(guān)，根據(jù)弱光柵解調(diào)儀讀取應(yīng)變值結(jié)合柵點距離，即可得某一深度處圍巖的變形量。

式中： Δl為 位移，mm；ε 為 應(yīng)變；l為圍巖表面至光纖柵點的距離，mm。

科研斷面左側(cè)一號孔弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，1～5 m 深度圍巖應(yīng)變變化較大，最大值約為-130 μ?，隨著圍巖深度增加，6～15 m 圍巖應(yīng)變變化很小，隨時間推移應(yīng)變增加，最大值約為50 μ?，由監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出淺部圍巖受隧道開挖影響較大，隨著深度增加，隧道開挖對圍巖的影響延伸至深層圍巖后逐漸減小，導(dǎo)致圍巖應(yīng)變變化幅度較小。

通過對比科研斷面左側(cè)一號孔弱光纖光柵感測光纜和多點位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍巖變形范圍約為-0.1～0.4 mm。對應(yīng)的多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定，由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)整體呈正值，隧道右側(cè)圍巖變形較大，導(dǎo)致鋼拱架整體向左側(cè)移動，從而使得圍巖向深部變形，從而導(dǎo)致安置在鋼筋上的弱光柵光纖感測光纜受拉。對比結(jié)果顯示兩種方法監(jiān)測數(shù)據(jù)總體上具有一致性，但弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

科研斷面右側(cè)一號孔處弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該位置圍巖應(yīng)變主要呈負(fù)值，其中5 m深度處圍巖應(yīng)變變化較大，變化最大值達(dá)-75 μ?，該位置圍巖向隧道內(nèi)收斂，導(dǎo)致感測光纜受壓（見圖5）。

圖5 右側(cè)一號孔弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

通過對比科研斷面右側(cè)一號孔處弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)和多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)15 m深度處圍巖位移較大，2 m、4 m 和8 m 處圍巖位移較小，12 月13 日-12 月15 日圍巖位移增大，變化最大值達(dá)-0.8 mm，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出右側(cè)一號孔處位移主要為負(fù)值，與左側(cè)一號孔處圍巖位移相反，因此可以判斷隧洞圍巖整體向左移動可能性較大。此處多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯反映出深層圍巖處于緩慢變形趨勢，且不同深度變形趨勢基本相同，圍巖變形基本上呈負(fù)值，表示右側(cè)圍巖產(chǎn)生向隧洞內(nèi)方向收斂，其中1.5 m 深度處圍巖變形程度最小，15 m 深度處圍巖變形程度最大，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以分析出隧洞圍巖表面由鋼拱架支撐保護(hù)，深層圍巖變形情況隨深度增加而增大（見圖6）。

圖6 右側(cè)一號孔特殊位置監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

科研斷面右側(cè)二號孔處弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測結(jié)果顯示此處主要為負(fù)應(yīng)變，約在-30～10 μ?范圍內(nèi)變化，其中1 m 和15 m 深度處圍巖應(yīng)變最小，分別約為-25 μ?和-20 μ?（見圖7），由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出隧洞表層圍巖感測光纜受壓，圍巖向隧洞內(nèi)收斂，隨深度增加圍巖受影響較小。

圖7 右側(cè)二號孔弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

通過對比科研斷面右側(cè)二號孔處弱光纖光柵感測光纜和多點位移計監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深層圍巖位移主要為負(fù)值，且8 m 深度處圍巖位移較大，至12 月18日達(dá)到-0.8 mm，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，由于深部

圍巖向隧洞收斂，從而導(dǎo)致感測光纜受壓較大。多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示1.5 m、4 m、15 m 深度圍巖變形較小，在-0.5～0.5 mm 范圍內(nèi)變化，8 m 處隨時間推移，圍巖變形逐漸增大，圍巖變形最大值達(dá)到-2 mm，最終穩(wěn)定在-1.5 mm 左右，約15 天左右趨于穩(wěn)定，這是由于右側(cè)圍巖深處感測光纜與圍巖在注漿作用下形成整體，隨著隧洞圍巖整體向左側(cè)移動，弱光纖光柵感測光纜受壓所致（見圖8）。

圖8 右側(cè)二號孔特殊位置監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

基于弱光柵技術(shù)制作弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置，成功運用于平陽輸水隧道深層圍巖變形監(jiān)測項目中，經(jīng)過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，能夠得出以下結(jié)論：

（1）安裝在輸水隧洞中的弱光纖光柵感測光纜在注漿完成后存活率高，采用弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測裝置監(jiān)測深層圍巖變形情況是可以實現(xiàn)的。

（2）弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，左側(cè)一號孔和右側(cè)二號孔處隧洞深層圍巖位移變化具有對應(yīng)性，其中左側(cè)一號孔處圍巖位移呈正值，右側(cè)二號孔處圍巖位移呈負(fù)值，且在前部圍巖位移變化范圍較大，隨圍巖深度增加，12 月12 日-12 月15 日位移變化很小，之后應(yīng)變增大。所以平陽輸水隧洞1～5 m圍巖受隧道開挖影響較大，深層圍巖前期受影響較小，后期受影響增大。

（3）通過比較弱光纖光柵感測光纜和多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩種監(jiān)測手段所得出的結(jié)果基本一致，同時由于弱光柵感測光纜通過光纖傳感器傳輸數(shù)據(jù)，避免了類似左側(cè)一號孔多點位移計出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況，所以弱光纖光柵感測光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性較高。