徐 翰, 潘澄雨, 唐朝苗

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院, 北京 100039；2.中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

工程建設(shè)中的圍巖塌方事故是工地偶發(fā)性出現(xiàn)的災(zāi)害事故。由于巖石破壞的突然性，時(shí)常造成較大的生產(chǎn)事故與人員傷害，因此對(duì)于圍巖頂板和穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防塌方事故的發(fā)生具有重要作用。囿于技術(shù)條件與經(jīng)濟(jì)成本限制，目前對(duì)圍巖的檢查方式還主要依靠離層儀和圍巖壓力表等人工讀數(shù)設(shè)備進(jìn)行，其準(zhǔn)確性不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，觀測(cè)維護(hù)所需的人力成本也較高[1]]。

隨著技術(shù)進(jìn)步，近年出現(xiàn)了數(shù)字壓力計(jì)等圍巖監(jiān)控手段，但由于電子傳感系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程供電，成本高，維護(hù)困難，也僅僅解決了準(zhǔn)確性和可靠性問題[2]。為了解決上述實(shí)際困難，本文提出了基于布里淵光時(shí)域反射理論的分布式光纖傳感技術(shù)及其在地鐵隧道監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。

1 布里淵光時(shí)域反射

1.1 布里淵散射的原理

介質(zhì)分子內(nèi)部隨其固有頻率保持一定形式的振動(dòng)，從而引起介質(zhì)折射率的周期性變化，導(dǎo)致了自激發(fā)聲波場(chǎng)的產(chǎn)生。當(dāng)光束以一定角度入射到光纖介質(zhì)中時(shí)，光的波動(dòng)性受光纖自激發(fā)聲波場(chǎng)的調(diào)制而產(chǎn)生布里淵散射[3]。

由聲波場(chǎng)引起的散射布里淵頻移量表達(dá)式為：

fB=2nvA/λ

(1)

式中，n為光纖束的折射率，vA為聲速，λ為入射光線的真空波長(zhǎng)。

由于光纖所處環(huán)境的溫度及其應(yīng)力條件對(duì)其折射率和聲速有較大影響，因此散射布里淵頻移量fB與上述物理量存在相關(guān)關(guān)系，溫度和光纖應(yīng)變的變化都可令布里淵散射頻譜發(fā)生線性變化，即：

(2)

式中，T為環(huán)境溫度，fB(0)為T=0℃、應(yīng)變?yōu)?時(shí)的頻移量，ε為光纖材料的密度。

據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，布里淵光散射的功率與溫度變化呈線性正相關(guān)，與應(yīng)變呈線性負(fù)相關(guān)，于是得布里淵功率[4]：

(3)

式中，PB(0)為T=0℃、應(yīng)變?yōu)?時(shí)的布里淵功率，其它同式(2)。

1.2 分布式光纖傳感技術(shù)

布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)是傳統(tǒng)的光時(shí)域反射技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。光纖傳輸技術(shù)，其機(jī)制是將光脈沖注入光纖系統(tǒng)的一端，利用在光纖中傳播的散射光攜帶和傳遞信息。

2010年，首根地質(zhì)專用應(yīng)變傳感光纜面世和首臺(tái)商業(yè)化分布式光纖應(yīng)變分析儀面世，開啟了分布式光纖技術(shù)在地質(zhì)觀測(cè)方面的應(yīng)用[1-2]。相比傳統(tǒng)的光纖測(cè)量技術(shù)，分布式光纖測(cè)量具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：①連續(xù)分布式，整條光纖上每個(gè)點(diǎn)都是傳感器(幾百米至幾十千米)；②抗電磁干擾能力強(qiáng)，不易受到施工現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的電磁干擾；③高強(qiáng)度、高韌性，抗各種變形和磨損能力強(qiáng)，適合工程應(yīng)用；④高測(cè)量精度，應(yīng)變測(cè)量精度為με級(jí)(10-6變形量)，溫度測(cè)量精度為1.5℃。

典型的布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)傳感器包括發(fā)射激光器、接收激光器、中介光纖和直接檢測(cè)接收機(jī)等四部分組成(圖1)，其中檢測(cè)接收機(jī)的使用可根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目的不同，選用位移監(jiān)測(cè)接收機(jī)或應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)接收機(jī)。

圖1 BOTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 A schematic diagram of BOTDR monitoringsystem configuration

2 分布式布里淵光纖傳感技術(shù)的用途

2.1 位移監(jiān)測(cè)

布里淵光纖監(jiān)測(cè)的主要原理是監(jiān)測(cè)光纖受到軸向拉力τ時(shí)，光纖發(fā)生微應(yīng)變?chǔ)?，使光纖中光的布里淵頻移Δf。于是建立了光纖拉力和布里淵頻移之間的函數(shù)關(guān)系：

Δf=f(τ)

(4)

將光纖布置于待觀測(cè)物體表面時(shí)，物體的形變即反應(yīng)為光纖的形變，通過測(cè)量布里淵頻移的變化，即可知作用于光纖的拉力，并進(jìn)一步根據(jù)物體變形的彈性系數(shù)得出其形變量的大小[6]。

利用布里淵分布光纖監(jiān)測(cè)位移主要包括橫向位移與深部豎向位移兩方面。將傳感光纜的纖芯進(jìn)行定點(diǎn)固定，固定部分與外界接觸，其余部分松套隔離，即可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的相對(duì)位移大小。若通過鉆孔植入到地質(zhì)體的深部，隨同地質(zhì)體一起變形，測(cè)量深部豎向位移(圖2)。

圖2 位移監(jiān)測(cè)的分布式光纖布置示意Figure 2 A schematic diagram of displacement monitoringdistributed optical fiber layout

2.2 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理與位移監(jiān)測(cè)基本相同，通過測(cè)量布里淵頻移得出物體應(yīng)變，再利用已知的物體彈性模型，由式(5)的胡克定律計(jì)算出物體的應(yīng)力[7]。

δ×ε=τ

(5)

巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備是將纏繞光纖的彈性管件打入地質(zhì)體中，測(cè)量管件受力后彈性應(yīng)變反演巖體壓力(圖3)。

圖3 巖體內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)的分布式光纖布置示意Figure 3 A schematic diagram of rock mass internal pressuremonitoring distributed optical fiber layout

3 實(shí)例分析

3.1 隧道位移監(jiān)測(cè)

對(duì)隧道圍巖的監(jiān)測(cè)包括位移監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面，可以利用同一光纖交替布置實(shí)現(xiàn)。由于布里淵光纖傳感技術(shù)是利用光纖的軸向應(yīng)變模擬礦井巷道應(yīng)變，獲取光纖的布里淵頻移而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于單一巷道截面而言，利用若干光纖組合描述巷道應(yīng)變量，各光纖段的總拉伸長(zhǎng)度就等于巷道的應(yīng)變周長(zhǎng)(圖4)。因此可將巷道截面周長(zhǎng)等距離劃分，以每個(gè)分段為節(jié)點(diǎn)，布置測(cè)量光纖[8]。

圖4 地鐵隧道抽象模型(點(diǎn)號(hào)為傳感器編號(hào))Figure 4 Subway tunnel abstract model(dot mark is sensor number)

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

以廣州地鐵某隧道工地隧道800 m處作為地鐵隧道安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了控制變量方便對(duì)比，選取了隧道770 m處安裝傳統(tǒng)光柵光纖壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將其作為對(duì)照組與布里淵光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

監(jiān)測(cè)接收設(shè)備采用南京大學(xué)與南京法艾博光電科技有限公司聯(lián)合研制的分布式布里淵光纖傳感信號(hào)分析儀。鋪設(shè)的長(zhǎng)距離光纜一端與信號(hào)分析儀連接，另一端鋪設(shè)于巷道測(cè)點(diǎn)位置，傳感器布置見圖4。圓形節(jié)點(diǎn)處即為打入巖層中的彈性管位置[9]。

3.1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中橫、縱坐標(biāo)分別為傳感器編號(hào)和位移變化量(圖5)。安裝后，由于各傳感器的預(yù)應(yīng)力不同，因此其采集到的初值也不相同(圖5a)；30d后由于巷道發(fā)生形變，部分傳感器的應(yīng)力值發(fā)生改變(圖5b)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，除1、2號(hào)和13號(hào)傳感器感應(yīng)值保持穩(wěn)定外，5號(hào)和9號(hào)傳感器的預(yù)應(yīng)力變小，即側(cè)邦發(fā)生了移近。因此，變化后的巷道大致如圖6所示。

隧道770m處設(shè)置了光柵光纖監(jiān)測(cè)傳感器，作為驗(yàn)證分布式布里淵光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)中的可靠性的對(duì)照組。結(jié)果顯示，布里淵系統(tǒng)所反應(yīng)的巷道形變情況與光柵光纖壓力傳感器所監(jiān)測(cè)到的壓力情況基本一致?？梢?，與傳統(tǒng)測(cè)量方法和監(jiān)測(cè)手段相比，分布式布里淵光纖技術(shù)在保留應(yīng)有的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性基礎(chǔ)上，還具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、高強(qiáng)度、高韌性、高測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)，非常適合在地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)中使用。

3.2 基坑邊坡應(yīng)變監(jiān)測(cè)

為了研究分布式布里淵光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于基坑工程監(jiān)測(cè)的有效性，在南京市某高層建筑深基坑行了土體變形分布式測(cè)斜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

針對(duì)32 m的測(cè)斜深度，布里淵傳感光纖根據(jù)2.2節(jié)的介紹進(jìn)行布置：沿基坑斜面，安放8根4 m測(cè)斜管。測(cè)斜管埋設(shè)前，需在測(cè)斜管的外壁刻畫用于粘貼兩條并行光纖的凹槽，且一條朝向基坑壁，以便土體位移時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)變；同時(shí)另一條背向基坑壁，從而產(chǎn)生拉應(yīng)變。當(dāng)基坑土體產(chǎn)生位移變形， 插入基坑土體的測(cè)斜管隨之產(chǎn)生變形，進(jìn)而使測(cè)斜管粘貼的傳感光纖產(chǎn)生同步變形。

圖5 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值Figure 5 Prestressing force monitoring value

圖6 地鐵隧道應(yīng)變形狀示意(變形比例放大效果)Figure 6 Subway tunnel strain form diagrammatic sketch(deformation proportion enlarged effect)

3.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本研究設(shè)定測(cè)斜管管底為不動(dòng)點(diǎn)，對(duì)測(cè)得的應(yīng)變分步積分可得測(cè)斜管撓度，即近似為不同深度的基坑土體位移[10]。土體深部水平位移與測(cè)斜儀測(cè)量值的對(duì)比曲線見圖7，測(cè)斜管的不動(dòng)點(diǎn)位于地表-24 m； 土體水平位移最大值為地表下-10 m處，最大位移42 mm；支撐處位于地表下-5 m處，該處以上水平位移可忽略。分析圖7中分布式光纖測(cè)斜成果與測(cè)斜儀測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)兩者吻合度很高，證實(shí)了分布式布里淵光纖系統(tǒng)測(cè)試精度良好，具有應(yīng)用于基坑邊坡水平位移監(jiān)測(cè)的可行性。

4 結(jié)論

根據(jù)布里淵頻移原理，結(jié)合分布式光纖技術(shù)，設(shè)計(jì)了用于工程安全監(jiān)測(cè)的分布式布里淵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括隧道位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基坑邊坡應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過在廣州地鐵某施工隧道現(xiàn)場(chǎng)和在南京某高層建筑深基坑進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并利用傳統(tǒng)的光柵光纖和測(cè)斜管等傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為該分布式布里淵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除準(zhǔn)確性較高外，還有安裝簡(jiǎn)便、操作方便和易維護(hù)等特點(diǎn)，能夠滿足工程安全監(jiān)測(cè)的需求。

圖7 基坑邊坡水平位移曲線Figure 7 The horizontal displacement of foundation pit slope curve