潘恒飛，楊　慶，周克明，丁 勇，錢亞俊，張明東

（1.南京理工大學(xué)，江蘇南京，210094；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京，210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029）

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FBG應(yīng)變計(jì)在引水隧道二次襯砌安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與研究

潘恒飛1，楊慶2，周克明2，丁 勇1，錢亞俊3，張明東1

（1.南京理工大學(xué)，江蘇南京，210094；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京，210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029）

二次襯砌結(jié)構(gòu)裂化是影響隧道健康的主要病害，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器受限于引水隧道的長(zhǎng)距離等特點(diǎn)，現(xiàn)引入一種埋入式FBG應(yīng)變傳感器，并應(yīng)用于某引水隧道，提出了具體的布設(shè)方案，通過(guò)傳感器、解調(diào)儀等構(gòu)建了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果與類似工程基本一致，表明了FBG傳感器在引水隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中的可行性以及優(yōu)越性。

FBG；應(yīng)變傳感器；引水隧道；二次襯砌；監(jiān)測(cè)

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》的頒布，目前我國(guó)引水隧道的建設(shè)正處于一個(gè)如火如荼的階段。二次襯砌［1］結(jié)構(gòu)的裂化是影響引水隧道健康運(yùn)營(yíng)的主要病害，主要表現(xiàn)為侵限、掉塊、滲透水等，不僅影響隧道的美觀，還會(huì)威脅隧道使用的穩(wěn)定性與安全性，甚至誘發(fā)其他病害，最終直接縮短隧道的使用壽命。因此加強(qiáng)對(duì)其二次襯砌結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)［2］顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的巖土工程監(jiān)測(cè)儀器是差動(dòng)電阻式、振弦式等電式傳感器。引水隧道有距離長(zhǎng)、后期檢修受限于交通等特點(diǎn)，一般的電式傳感器長(zhǎng)距離檢測(cè)時(shí)，傳輸信號(hào)會(huì)大幅度衰減乃至無(wú)法采集數(shù)據(jù)，此外電式傳感器還受磁場(chǎng)、酸堿等環(huán)境的影響。FBG（Fiber Bragg Grating）［3-6］傳感器是繼電測(cè)傳感器之后的新型傳感器，它以光波為載體，光纖為媒介，具有抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度和測(cè)試精度高、耐久性強(qiáng)及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，以上優(yōu)勢(shì)使其在21世紀(jì)傳感器研究領(lǐng)域成為熱點(diǎn)。

簡(jiǎn)述了FBG應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)原理，針對(duì)某引水隧道長(zhǎng)距離、設(shè)計(jì)耐水壓高的特點(diǎn)，嚴(yán)格控制FBG應(yīng)變計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)，合理布設(shè)FBG應(yīng)變計(jì)及其尾纜，提高了儀器存活率。通過(guò)傳感器、解調(diào)儀等構(gòu)建的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該引水隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變的長(zhǎng)期、穩(wěn)定和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，觀測(cè)成果與類似項(xiàng)目基本一致，驗(yàn)證了FBG傳感器在引水隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中的可行性以及優(yōu)越性。

1　FBG監(jiān)測(cè)原理

FBG是衍射光柵的發(fā)展，當(dāng)一束光進(jìn)入FBG時(shí)，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下會(huì)發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長(zhǎng)處顯示波峰值。被反射的波長(zhǎng)稱為Bragg波長(zhǎng)，滿足光纖光柵的Bragg方程式。

其中，λB是反射波長(zhǎng)；neff是光纖光柵的有效折射率，僅與光纖材質(zhì)本身有關(guān)；Λ為光柵的柵距。而當(dāng)光柵周期發(fā)生變化時(shí)，反射波長(zhǎng)λB會(huì)發(fā)生漂移，在光纖的彈性范圍內(nèi)，反射波長(zhǎng)的漂移量△λB與應(yīng)變呈線性相關(guān)，只要根據(jù)波長(zhǎng)的漂移量即可得到應(yīng)變的變化量。

2　工程應(yīng)用

2.1工程概況

某引水隧道長(zhǎng)達(dá)300 km，設(shè)計(jì)壓力0.85 MPa。主要選取本標(biāo)段29個(gè)斷面中的兩個(gè)斷面——斷面1與斷面2作為研究對(duì)象。斷面1的中心破碎帶寬約40 m，斷層物質(zhì)主要為斷層泥、構(gòu)造碎裂巖及構(gòu)造片巖等，其中斷層寬約5 m，兩側(cè)分布扁豆體、構(gòu)造片巖及構(gòu)造碎裂巖。扁豆體一般為20～50 cm長(zhǎng)，厚度不超過(guò)5 cm，構(gòu)造碎裂巖多為碎裂結(jié)構(gòu)，膠結(jié)較差。斷面2的圍巖巖性以安山巖、火山角礫巖、角礫熔巖及巖屑凝灰?guī)r為主，巖體完整性差，斷層穿越規(guī)模相對(duì)較大，寬約40～50 m，主要由構(gòu)造碎裂巖、構(gòu)造片巖及斷層泥組成，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大。選取斷面的圍巖均為IV類圍巖，一般拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，可產(chǎn)生較大的坍塌，而二次襯砌結(jié)構(gòu)在新奧法施工中，作為與圍巖等共同承擔(dān)支護(hù)工作的結(jié)構(gòu)，此時(shí)二次襯砌的健康情況直接影響隧道的安全性與穩(wěn)定性，因此對(duì)二次襯砌的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分重要。

2.2FBG應(yīng)變傳感器及其布設(shè)

針對(duì)該引水隧道設(shè)計(jì)耐水壓高的特點(diǎn)，采用的埋入式FBG應(yīng)變計(jì)的尾纜為鎧裝防水型尾纜，傳感器通過(guò)超真空濺射工藝實(shí)現(xiàn)無(wú)膠封裝，從而在光纖表面形成致密、附著良好的金屬層，該工藝很好地提高了儀器的精度與穩(wěn)定性。主要技術(shù)指標(biāo)為：量程：±1 500 με；精度：≤0.5%FS；分辨率：0.1%FS；工作溫度：-30～+80℃。采用的光纖光柵解調(diào)儀技術(shù)指標(biāo)為：通道數(shù)為24個(gè)；波長(zhǎng)范圍≥40 nm；FBG帶寬≤0.3nm；分辨率為0.1pm；工作溫度為-25～ 50℃。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，直接與FBG傳感器響應(yīng)的參數(shù)是應(yīng)變與溫度。監(jiān)測(cè)過(guò)程中為采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)通過(guò)恒溫水浴實(shí)驗(yàn)得到的溫補(bǔ)系數(shù)來(lái)消除溫度對(duì)應(yīng)變光柵的影響。

本項(xiàng)目引水隧道設(shè)計(jì)耐水壓高，其斷面形式采取有利于水流條件的圓形斷面。根據(jù)有限元建模分析，選取0°、頂拱、180°、仰拱四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)二次襯砌混凝土的應(yīng)變，見圖1（左起水平虛線處為0°）。兩個(gè)斷面布設(shè)儀器位置大體一致，共布設(shè)34 支FBG傳感器，其中8支FBG應(yīng)變計(jì)。儀器布設(shè)時(shí)，將FBG應(yīng)變計(jì)固定在二次襯砌結(jié)構(gòu)的環(huán)向鋼筋之間，不僅保證FBG應(yīng)變計(jì)與混凝土協(xié)調(diào)變形，還大大減少了FBG應(yīng)變計(jì)在澆筑過(guò)程中因振搗可能造成的儀器撓動(dòng)，提高了存活率。傳感尾纜采用PE管保護(hù)并沿鋼筋布設(shè)，PE管沿敷設(shè)方向保持平順，由斷面頂拱部分別沿順時(shí)針與逆時(shí)針兩個(gè)方向引到斷面仰拱部，用尼龍?jiān)鷰c主筋固定，綁扎間隔0.5～1.0 m，對(duì)重點(diǎn)部位、易損壞部位抹刷環(huán)氧樹脂。施工過(guò)程中采用PE管保護(hù)不僅有效保護(hù)了引水隧道的水質(zhì)，還減小了尾纜受損的可能性。為了方便施工期觀測(cè)且避免大型車輛碾壓儀器尾纜等形式的破壞，澆筑前在仰拱部預(yù)埋一個(gè)木箱，見圖2，儀器尾纜全部固定在木箱內(nèi)，避免尾纜彎折的風(fēng)險(xiǎn)，待主光纜鋪設(shè)后，將尾纜取出，通過(guò)接續(xù)盒將尾纜與主光纜對(duì)接。從施工后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性以及監(jiān)測(cè)儀器100%的完好率來(lái)看，該施工工藝是切實(shí)、可行、有效的。

圖1　FBG應(yīng)變計(jì)Fig.1 FBG strain sensor

圖2　保護(hù)尾纜木箱圖Fig.2 The wooden case used to protect the optical fiber ends

2.3安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本工作的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖3。感知層主光纜與每個(gè)儀器尾纜通過(guò)接續(xù)盒對(duì)接；網(wǎng)絡(luò)層部分，先將光纜接到監(jiān)控室的光開關(guān)柜機(jī)中，接著從光開關(guān)柜機(jī)中引出光纖跳線接入到信號(hào)解調(diào)儀中，然后用網(wǎng)線連接信號(hào)解調(diào)儀與中央處理計(jì)算機(jī)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；應(yīng)用層部分，可以通過(guò)無(wú)線路由器等形式實(shí)現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)共享與最大化的應(yīng)用。這樣集感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層三位一體的應(yīng)變系統(tǒng)能夠真實(shí)、及時(shí)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、具體地反映該隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形情況，有助于更好地掌握隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

圖3　安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖Fig.3 Structure of the monitoring system

2.4數(shù)據(jù)處理與分析

二次襯砌安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)的計(jì)算公式如下：

式中，λ1為FBG應(yīng)變計(jì)測(cè)試的應(yīng)變波長(zhǎng)值，單位nm；λ0為初始應(yīng)變波長(zhǎng)值，單位nm；λt1為溫度柵波長(zhǎng)，單位nm；λt0為溫度柵初始波長(zhǎng)，單位nm；Kt為溫度傳感系數(shù)，單位℃/nm；Kω為熱敏系數(shù)，單位℃/nm；K為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，單位με/nm。

選取斷面1、斷面2共8個(gè)埋入式FBG應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，斷面1和斷面2的應(yīng)變-時(shí)間圖如圖4、圖5所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

斷面1的二次襯砌結(jié)構(gòu)于2014年7月17日開始澆筑，7月19日開始第一次測(cè)量，選取第四次（7 月20日）測(cè)量值為初始值。該斷面4支應(yīng)變計(jì)的變化規(guī)律明顯，從2014年7月20日～2015年3月9日監(jiān)測(cè)過(guò)程中，4支應(yīng)變計(jì)受到的壓應(yīng)變逐漸增大，仰拱部位的應(yīng)變計(jì)相對(duì)其他3支應(yīng)變計(jì)變幅最大，3 月9日壓應(yīng)變達(dá)到最大值167.3 με，屬正常范圍內(nèi)，該斷面處的二次襯砌結(jié)構(gòu)在3月9日之后因升溫受到的壓應(yīng)變逐漸減小，并且仍有減小的趨勢(shì)。

圖4　斷面1應(yīng)變-時(shí)間圖Fig.4 Strain-time curve of the cross section 1

圖5　斷面2應(yīng)變-時(shí)間圖Fig.5 Strain-time curve of the cross section 2

表1　監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)變情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of strain of monitoring sections

斷面2的二次襯砌結(jié)構(gòu)于2014年11月28日開始澆筑，11月29日開始第一次測(cè)量，選取第六次（11月30日）測(cè)量值為初始值。該斷面的4支應(yīng)變計(jì)的變化規(guī)律明顯，從2015年1月21日～2015年3 月3日監(jiān)測(cè)期間，4支應(yīng)變計(jì)受到的壓應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)。0°部位的應(yīng)變計(jì)相對(duì)其他3支應(yīng)變計(jì)變幅最大，在3月3日壓應(yīng)變達(dá)到最大值137.8 με。由于該斷面靠近隧道支洞洞口，受升溫影響，該斷面處的二次襯砌結(jié)構(gòu)在3月22日之后壓應(yīng)變逐漸減小，并且仍有減小的趨勢(shì)。

巡視過(guò)程中檢查二次襯砌，沒有發(fā)現(xiàn)表面裂縫，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，觀測(cè)成果與類似工程［7］基本吻合，證明了該儀器應(yīng)用于引水隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中的可行性。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）某長(zhǎng)距離引水隧道采用埋入式FBG應(yīng)變計(jì)進(jìn)行二次襯砌的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，埋設(shè)儀器完好率為100%，表明采取FBG應(yīng)變計(jì)按照一定的埋設(shè)方法、尾纜用PE管保護(hù)后，能適應(yīng)長(zhǎng)隧道工況、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)目的。

（2）FBG應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)成果能真實(shí)反映襯砌混凝土應(yīng)變情況，穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)，在引水隧道二次襯砌的安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。

（3）FBG應(yīng)變計(jì)的成功應(yīng)用，表明了傳感器、解調(diào)儀等構(gòu)建的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，驗(yàn)證了其在長(zhǎng)距離引水隧道工程運(yùn)行期監(jiān)測(cè)中的可行性，在大型水利工程、長(zhǎng)距離引水隧道工程安全監(jiān)測(cè)中將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。

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Cracking of secondary lining structure is a major disease affecting the health of tunnel.As the traditional monitoring instrument is constrained to the long distance and other characteristics of diversion tunnel，this paper introduces an embedded FBG strain sensor applied.The layout program is put forward and the safety monitoring system is established by sensors and demodulators.After long-term monitoring，data processing and analysis，the result shows that data curves are consistent with the actual stress.Further，the feasibility and advantage of application of FBG sensor in safety monitoring of the secondary lining of diversion tunnel are proved.

FBG；strain sensor；diversion tunnel；secondary lining；monitoring

TP212

B

1671-1092（2016）02-0011-03

2015-05-29；

2015-06-06

水利科技推廣項(xiàng)目（TG1412）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金：Y915010，Y314003

潘恒飛（1990-），男，江蘇揚(yáng)州人，南京理工大學(xué)碩士，土木工程專業(yè)。

作者郵箱：374403589@qq.com

Title：Application of FBG strain sensor in safety monitoring of the secondary lining of diversion tunnel// by PAN Heng-fei，YANG Qing，ZHOU Ke-ming，DING Yong，QIAN Ya-jun and ZHANG Ming-dong// Nanjing University of Science and Technology