王 嵩 田振華

(1.遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.北京中水科工程總公司，北京 100048)

光纖光柵傳感器在隧洞裂縫實時監(jiān)測中的應用

王 嵩1田振華2,3

(1.遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.北京中水科工程總公司，北京 100048)

光纖光柵傳感器以其信號傳輸距離長、串聯(lián)組網(wǎng)便捷、實時動態(tài)監(jiān)測、抗干擾強等特點，在巖土工程尤其是隧洞工程中應用速度較快。本文結合隧洞裂縫實時監(jiān)測，介紹了光纖光柵傳感器的特點以及現(xiàn)場實施要點。工程應用效果良好，為隧洞等長距離工程安全監(jiān)測提供參考。

光纖光柵傳感器；隧洞裂縫；組網(wǎng)；實時監(jiān)測

1 概 述

隧洞施工技術進步飛快，隧洞工程對地面影響較小，在各工程領域應用越來越廣泛。對于水利工程而言，水資源緊缺，水的價值備受矚目。各行政區(qū)域的調水工程層出不窮，在空間上使得水資源配置越來越合理。大到南水北調工程，小到各省市調水工程，如吉林供水工程、大伙房水庫供水工程等，隧洞長達數(shù)十公里，甚至百余公里。同時，隧洞工程位于地下，帶有襯砌等防護結構，有效地保證了調水過程中的水質和水量。

隧洞混凝土襯砌為薄壁結構，受圍巖約束、水化熱溫升、養(yǎng)護等影響，易產(chǎn)生較大的溫度應力[1]，出現(xiàn)表面裂縫、干縮裂縫甚至貫穿性裂縫。對于過水隧洞而言，貫穿性裂縫對結構安全的影響是致命的；表面裂縫和淺層裂縫在長期高水頭力學和水化學作用下，極易造成裂縫發(fā)展并導致鋼筋銹蝕，降低襯砌結構的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性，并可能形成滲流通道，造成水資源浪費并危及結構安全。同時，水工隧洞又屬于地下隱蔽工程，一旦出現(xiàn)裂縫，修復處理工作難度大，因而危害極大[2]。因此對隧洞襯砌初期和裂縫產(chǎn)生時期進行實時監(jiān)測很有必要。

差動電阻式、振弦式等傳統(tǒng)的巖土工程儀器的電信號在超過2km的電纜傳輸中精度降低明顯，對于長達數(shù)公里的隧洞而言無法正常采集數(shù)據(jù)。光纖光柵傳感器可以解決在此類項目中長距離信號傳輸問題，經(jīng)過近十多年發(fā)展，封裝、解調設備，現(xiàn)場應用等技術日趨成熟，結合解調儀進行實時監(jiān)測的頻率可到秒級，在巖土工程上得到逐步應用[3]。本文以大伙房水工隧洞工程為依托，進行了隧洞襯砌混凝土裂縫監(jiān)測設計，并對混凝土應力應變、溫度、結構縫開度等物理量進行了實時監(jiān)測。通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)了解隧洞襯砌混凝土受力特點，并進一步分析襯砌裂縫原因。

2 光纖光柵傳感器介紹

2.1 傳感器原理

光纖光柵是利用紫外光曝光的方法將入射光的相干場圖形寫入纖芯，滿足布拉格衍射條件的入射光在光柵處被反射，其他波長的光全部穿過而不受影響，反射光譜在FBG中心波長處出現(xiàn)峰值，光譜圖和布拉格光柵如圖1所示。纖芯的折射率發(fā)生周期性變化，從而在單模光纖的纖芯內形成永久性空間相位光柵，實現(xiàn)被測結構應變和溫度的絕對測量，反射的中心波長可表示為

(1)

式中neff——光纖纖芯有效折射率；

Λ——光柵的柵距(每個寫入光柵之間的距離，也稱光柵周期)。

除光柵區(qū)域的應變變化引起波長漂移外，溫度的變化對其也有一定影響，二者共同引起的ΔλB為

(2)

式中P11，P12——單模光纖的彈光系數(shù)；

υ——光纖材料的泊松比；

α，ζ——光纖光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；

ΔT——溫度變化量。

圖1 光纖光柵傳感器原理

2.2 光纖光柵傳感器類型和優(yōu)點

常用的光纖光柵傳感器類型與一般差阻式和振弦式傳感器類似，主要有位移計、測縫計、滲壓計、應變計、鋼筋計、溫度計等。光纖光柵傳感器包含應變和溫度兩個測值因子，傳感器內部封裝應變和溫度兩個光柵。一個光柵處于自由狀態(tài)，用來測量環(huán)境溫度，即溫度光柵；另一個光柵通過特定的方式與周圍結構同步變形，即應變光柵。應變光柵的波長扣除溫度光柵的波長變化量即為結構物變形引起的光柵變形影響。如果光纖光柵應變計內部沒有溫度光柵，則不適合在引水工程中應用。

光纖光柵傳感器一般采用G.652標準單模纖芯，直徑為8～10μm，單模光纖傳輸距離較多模光纖更長，理論傳輸距離可達50km。一般光纖光柵傳感器工作波長為1310nm和1550nm。由于1550nm光纖衰減因數(shù)很小，在相同光功率下，1550nm波長的光傳輸距離大于1310nm波長的光，因此，1550nm光纖光柵傳感器在水利工程上應用較廣。

與傳統(tǒng)差阻式和振弦式傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下幾個優(yōu)點：?集傳感和傳輸于一體，可對大型基礎工程實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測；?一根光纖上可寫入多個不同波長的光柵，可對工程結構的應力、應變、溫度等參數(shù)進行全方位、實時準分布式監(jiān)測；?測量信號不受光的波動、系統(tǒng)與光源功率和連接損耗等因素的影響，穩(wěn)定性好；?光纖光柵傳感器是非金屬絕緣材料，能夠抗電磁干擾、防雷擊、防水、防潮、耐高溫、抗腐蝕等；?體積小、質量小，便于鋪設安裝。

2.3 光纖光柵傳感器組網(wǎng)方式

光纖光柵傳感器一般采用雙端(首、尾)出纖方式，雙端均可通信測量；其中一端尾纖因折斷、污染等不能正常工作時，另一端尾纖可代替測量。光纖光柵與光纖之間存在良好的兼容性，根據(jù)工程實際情況，一般采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式組網(wǎng)。大多數(shù)光纖光柵傳感器工作波長在1520～1570nm窗口范圍內，因此組網(wǎng)過程中特別要注意避免各傳感器量程范圍內的波長重疊，一旦發(fā)生重疊，解調儀將不能收到重疊傳感器的反射光，造成該傳感器的數(shù)據(jù)無法讀取，因此串并聯(lián)光纖光柵傳感器的數(shù)量一般不超過6個。光纖光柵傳感器串聯(lián)波長分布如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器串聯(lián)波長分布1-應變波長區(qū)；2-緩沖區(qū)；3-溫度波長區(qū)；4-緩沖區(qū)

2.3.1 串聯(lián)

串聯(lián)主要指各傳感器尾纖首尾相連組成一條通路的組網(wǎng)方式，如圖3所示。

圖3 多個光纖光柵傳感器串聯(lián)

2.3.2 并聯(lián)

一端出纖的光纖光柵傳感器如滲壓計，可以用耦合器將多個滲壓計并聯(lián)后接入解調儀，系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 多個光纖光柵滲壓計并聯(lián)

3 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測設計

3.1 工程概況

隧洞全長16km，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為6.0m。根據(jù)圍巖分類，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖襯砌厚度分別為70cm、60cm、50cm。洞室襯砌混凝土采用二級配，等級為C35W12F200。采用鋼模臺車澆筑襯砌，每倉12m，跳倉澆筑，拆模時間24h。

3.2 監(jiān)測設計

隧洞襯砌裂縫監(jiān)測施工布置L1、L2兩個監(jiān)測斷面，共計36支監(jiān)測儀器。儀器全部采用光纖光柵式傳感器，其中，鋼筋計16支，應變計8支，無應力計2支，表面裂縫計4支，埋入式裂縫計4支，埋入式測縫計2支。鋼筋計監(jiān)測襯砌內鋼筋應力，主要布置在邊墻、拱頂和拱肩位置，沿環(huán)向和洞軸線方向各布置1支；應變計及無應力計用于監(jiān)測襯砌混凝土應力應變，應變計與鋼筋計位置相同，沿環(huán)向布置；表面裂縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土表面裂縫開合程度，裂縫出現(xiàn)后垂直裂縫方向安裝；埋入式裂縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土與圍巖結合的變化程度，位于頂拱和拱肩；埋入式測縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土施工分縫的變化情況，位于兩倉之間，距離底板1.5m。隧洞襯砌裂縫監(jiān)測儀器布置情況如圖5所示。

圖5 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測儀器布置示意圖R—鋼筋計；S—應變計；N—無應力計；J—表面裂縫計；JI—測縫計

監(jiān)測斷面內的傳感器采用分組串聯(lián)的方式組網(wǎng)，如圖5所示，傳感器主要集中在①～④四處位置，每處位置為一組進行串聯(lián)(要特別注意：傳感器訂購前必須對要串聯(lián)的傳感器波長進行分段，確保量程范圍內無重疊)。四組傳感器與一根8芯主光纜相連，連接處必須采用防水光纖接續(xù)盒保護，防止進水或其他物質污染光纖，通過主光纜引至洞外觀測房內。主光纜連接跳線接入解調儀，從而實現(xiàn)自動化實時監(jiān)測，采集頻次1次/h。

4 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測成果分析

2015年5月27日開始安裝埋設儀器，并實現(xiàn)自動化實時監(jiān)測。經(jīng)對已襯砌洞段裂縫情況查看，各隧洞段已襯砌混凝土大部分裂縫為環(huán)向裂縫，且大部分位于倉位中段，呈規(guī)律性分布；裂縫多分布于邊頂拱范圍，長度12～15m，小部分為半側裂縫，長度約2～6m；裂縫寬度0.1～1.5mm，大部分環(huán)向裂縫為貫穿性裂縫，有滲水或鈣質析出；裂縫最早出現(xiàn)時間在混凝土澆筑結束后約15天前后，與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果基本一致。隧洞襯砌各測點監(jiān)測成果過程線如圖6～圖14所示。

圖6 隧洞襯砌L1斷面混凝土溫度過程線

圖7 隧洞襯砌L2斷面混凝土溫度過程線

圖8 隧洞L1斷面襯砌混凝土應變-時間過程線

圖9 隧洞L2斷面襯砌混凝土應變-時間過程線

圖10 隧洞L1斷面襯砌鋼筋應力-時間過程線

圖11 隧洞L2斷面襯砌鋼筋應力-時間過程線

圖12 隧洞襯砌混凝土與圍巖縫開合度-時間過程線

圖13 隧洞混凝土表面裂縫開合度-時間過程線

圖14 隧洞襯砌混凝土施工縫開合度-時間過程線

監(jiān)測成果表明：

a.實時監(jiān)測完美地捕捉到最高溫升，為襯砌混凝土溫控分析提供了準確的依據(jù)。如表1和表2所列，隧洞襯砌澆筑時環(huán)境溫度在14℃左右，混凝土入倉溫度在25℃左右，混凝土澆筑后24h以內達到最高溫度，L1斷面最高溫度35℃，L2斷面最高溫度40℃。混凝土降溫主要發(fā)生在最高溫升后7天內，降溫幅度達20℃，襯砌混凝土散熱時長約1個月，之后混凝土溫度基本穩(wěn)定，主要受環(huán)境溫度影響。目前混凝土溫度在11℃左右，與環(huán)境溫度基本一致。

表1 隧洞襯砌L1斷面混凝土溫度觀測成果

表2 隧洞襯砌L2斷面混凝土溫度觀測成果

b.從應變計和無應力計監(jiān)測結果來看，襯砌混凝土呈收縮狀態(tài)，主要收縮量發(fā)生在混凝土澆筑后2個月以內，混凝土自生體積變形受溫度影響最大。混凝土收縮過程中受周邊約束影響，混凝土以受拉為主，總體應變較小，主要受溫度影響。

c.混凝土鋼筋應力以受拉為主，總體鋼筋應力較小，與混凝土應變變化規(guī)律基本一致，最大值與混凝土應變最大值在同一位置，且方向一致。

d.圍巖與襯砌混凝土結合縫以及施工縫呈張開狀態(tài)，主要發(fā)生在混凝土澆筑后1個月內，與混凝土無應力應變監(jiān)測成果一致。目前最大開合度為1.07mm，發(fā)生L1斷面(樁號：D191+424.000)頂拱的位置，目前總體趨勢相對穩(wěn)定。

e.混凝土表面裂縫開合度總體趨勢變小，裂縫出現(xiàn)后無明顯擴展，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)；裂縫出現(xiàn)時間與混凝土應變計最大拉應變出現(xiàn)時間基本一致。

5 結 語

與傳統(tǒng)差阻式和振弦式傳感器相比，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾，頻帶寬，重復性好，多個光柵時分、波分復用方便及波長編碼方式不受光源功率波動和系統(tǒng)損耗影響等優(yōu)點，有效地解決了長隧洞安全監(jiān)測信號傳輸問題；數(shù)據(jù)采樣頻率較高，可進行實時動態(tài)監(jiān)測，能對上百攝氏度高溫的瀝青混凝土進行溫度監(jiān)測。

該工程傳感器成活率100%，測值精度和準確性滿足監(jiān)測設計要求，環(huán)境適應能力較強，工程應用效果良好。但光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比仍存在測值穩(wěn)定性稍差的缺點，儀器偏脆弱，對儀器安裝技術人員要求較高。

[1] 張素磊.隧洞襯砌結構健康診斷及技術狀況評定研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[2] 李財輝.水工隧洞襯砌混凝土裂縫的防治及處理[J].福建建材，2013(11)：67-68.

[3] 范光亞，何勇軍，李宏恩,等.超長輸水隧洞多種類傳感器信息通訊方式探討[C].杭州:2013年全國大壩安全監(jiān)測技術與應用學術交流會，2013:1-5.

Application of FBG Sensor in the Real-time Monitoring of Tunnel Crack

WANG Song1, TIAN Zhenhua2,3

(1.LiaoningNorthwestWaterSupplyLimitedLiabilityCompany,Shenyang110003,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100048,China; 3.BeijingIWHRCorporation,Beijing100048,China)

The FBG sensor has the rapid application speed in geotechnical engineering, especially in tunnel engineering with the characteristic of long transmission distance of signal, speedy cascade networking, real-time dynamic monitoring, and strong anti-interference. The article introduces characteristic of FBG sensor and the field conducting main points by combining tunnel crack real-time monitoring. The engineering has a good application effect and provide reference for long distance engineering safety monitoring like tunnel and so on.

FBG sensor; tunnel crack; networking; real-time monitoring

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.009

TV698.1

B

1673- 8241(2017)03- 0029- 05