光纖傳感器地下隧洞工程結構應變監測

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摘要:地下隧洞工程巖土結構應變監測的準確性和效率直接關系到工程的質量與進度，引洮供水二期工程系統采用光纖傳感技術監測地下隧洞結構應變及滲流情況，通過分析位移計、應力計、滲壓計等傳感器的監測數據便可以直觀監測巖土結構應變及滲流情況。光纖監測技術在該工程的成功應用可為其它隧洞工程提供技術參考。

關鍵詞:光纖傳感;引水隧洞;隧洞監測

1工程概況

引洮工程最主要的建筑物是引水隧洞，其中16#隧洞最長，達到了20km，是該工程最具代表性的水工長引水隧洞之一。該工程整體地質條件復雜，且部分段落有地下水滲出，對混凝土和鋼筋具有強腐蝕性［1］。因此隧洞開挖過程中，為保證施工安全需要對隧洞的圍巖穩定性進行監測。目前國內在巖土工程安全監測中，普遍采用傳統的電學量測技術。該技術受到工程建設條件和自身技術的限制，不能滿足某些特定條件下的監測需求。近些年光纖傳感技術發展迅速，可以實現長距離復雜環境的信號傳輸，因此在一些傳統監測技術不便實行的地下工程等各種環境中，光纖技術使用較為廣泛。雖然光纖傳輸擁有眾多優點，但是國內工程光纖應用實例不多。該工程監測各斷面分支光纖通過儀器連接組網后形成主支光纖，再由主支光纖將圍巖穩定性信息實現長距離傳輸到接受儀器，工作人員便可以實現以光纖傳感技術進行隧洞圍巖穩定性監測［2-5］。這種監測方便快捷高效，監測人員不用守在監測現場便可以監測到隧洞圍巖情況。

2光纖傳感器材料及特點

2.1載體材料

光纖的地下鋪設以及固定都需要載體材料發揮巨大的作用，載體材料主要需要滿足2個要求，首先是足夠的硬度要求，地下埋設光纖為保護光纖不受到破壞，硬度是第一要求。其次，光纖靈敏度受到溫度影響巨大，因此材料散熱要求也特別重要［6］。綜合以上要求，不銹鋼材是載體材料的第一選擇。

2.2粘結材料

光纖鋪設時需要將光纖粘結到載體材料上面，因此材料選擇需要高延展性，以便在塑性較大地區便于鋪設，同時不影響監測精度。此外為使光纖粘結到載體且不易脫落，延長光纖的使用壽命，粘結材料的粘結性必須要好。環氧樹脂膠是粘結材料的首選。

2.3光纖傳感器特點

光纖光柵傳感器因其材料自身的導光隔熱、絕緣耐高溫、耐腐蝕等物理特性和穩定的化學性能等特點成為長距離引水隧洞工程安全監測的不二選擇。光纜傳輸將數據傳輸和信息傳感結合到一起，數據傳輸量相比其他傳統設備大并且數據損耗小，距離又遠。另外光纜材料比較特殊，是非金屬無機材料，這就使其可以適用于各種特殊地質，尤其地下工程和高溫潮濕環境［7-11］。光纜傳輸技術信號穩定性強，信號傳輸效率高，布設簡單，便于工程應用。光纖結構示意如圖1所示。

3技術原理

3.1光纖光柵反射波長變化量

λ=2nFFΔl+2ΔnFFΛ(1)式中，L—光纖光柵的柵距;nFF—光纖折射率，λ—波長改變量;Δl—在應力作用下光柵柵距改變量;ΔnFF—光纖彈光效應導致的光纖折射率改變量。

3.2波長位移變化

光纖布設處外界的壓力以及溫度發生變化時，光纖光柵距會發生變化，因此根據外界環境的變化，可以通過公示計算反射光波的位移量:式中，ΔλB—光波位移變化;ST—溫度應變系數，其值隨外界溫度變化;Se—壓力應變系數，其值隨外界壓力變化;αT—熱膨脹系數;ζ—熱光系數;Pe—彈光系數。

4隧洞安全監測技術概況

我國裝備制造技術的突飛猛進，助推了地下巖土施工技術的快速發展，基礎建設領域地下隧道逐漸向著長距離、大埋深等方向拓展。在水利工程規劃建設方面，一些大型跨流域長距離的引調水工程建設，如南水北調中線、遼寧大伙房水庫供水等，有力支撐了嚴重缺水地區生態環境恢復和經濟社會發展，使我國部分地區水資源短缺問題逐步緩解。長隧洞是遠距離引調水工程常用建筑物之一，在工程建成后長期運行過程中，密切關注高地應力、高地溫、強腐蝕性環境、大斷裂帶等這些段落的襯砌結構和周邊圍巖的穩定性，是保證工程長期安全運行的必要條件。因此，根據建設條件，率定出長隧洞運行期可能存在的圍巖穩定和對襯砌結構不利段落，合理選取隧洞的監測斷面、監測位置，做好監測設備的安裝與保護，為長距離引水隧洞的安全監測系統提供保障，極其重要。我國開始關注光纖傳感技術的研究主要是上世紀七十年代在軍事科技方面［12-13］，起步時間稍晚于國際上。起始階段，主要是應用于軍事和通信技術。近年來隨著我國制造技術的提升和完善，能夠造出質量更好，價格更便宜的光纖，因此光纖在國民通訊，工程信息傳輸等方面發揮作用，并整體提高了傳輸效率，節省成本。

5光纖傳感器安裝與監測結果分析

5.1傳感器應變系數確定

為計算恒定溫度下傳感器的應變系數，在恒溫室內對傳感器進行試驗，通過拉伸實驗獲得應變片應力值和傳感器中心波長值。通過擬合應變和中心波長關系，得到兩者的關系曲線。如圖2所示，傳感器應變與波長的關系符合一元線性關系y=ax－b，便可以得到恒定溫度下的傳感器應變系數。

5.2傳感器監測流程

埋設于巖體或混凝土內部的傳感器，要在測試儀器工作正常后，完成多個尾纖接線的組內連接，再測試串聯組組內儀器正常后接入分支光纜［14-15］，光纖傳感器監測流程如圖3所示。隧洞基本監測信息見表1。

5.3傳感器安裝及監測結果分析

5.3.1多點位移計與測縫計

多點位移計的安裝需要將儀器全部埋入開挖的山體內，且需將安設位移計設計為3點位移計。位移計安裝應該按照所使用儀器的結構構造以及儀器尺寸進行鉆探造孔。儀器的安裝孔深應依據需監測深度范圍確定，為方便裝入儀器和預留適量間隙控制，要在孔口段0.5m范圍進行擴大直徑處理。將測桿按照規范要求裝入監測孔，將位移計固定好后安裝封漿板，封漿板安裝質量必須符合規范要求，一旦封漿板安裝不夠嚴密，在進行灌漿封孔時會出現漏漿現象，導致位移計安裝穩定性不符合要求。測縫計主要有埋入式測縫計和表面測縫計。埋入式測縫計安裝于結構內部一襯與二襯之間。測縫計安裝應按照所使用儀器的結構構造以及儀器尺寸進行鉆探造孔，孔深一般大于1.0m。測縫計在打孔、填漿、封口后一定要保證測縫計尾端與頂桿間無相對位移，若出現相對位移則重新安裝。光纖連接位移計與測縫計傳感器組件，傳感器接收到的信號通過光纖傳輸給監測顯示屏。位移計監測結果如圖4所示。由監測結果可知，在隧洞斷面開挖后80d左右監測點位移變化一直處于不斷增長之中，在110d左右位移變化出現下降趨勢，說明此時隧洞圍巖已處于向穩定狀態發展。

5.3.2無應力計

無應力計安裝于襯砌結構內部，無應力計由2大部件應變計和無應力桶構造而成，是一個組合體。無應力桶是一個錐形體，桶頂無蓋。安裝時先用鋼筋骨架將無應力桶固定于結構侍測點內部，并將應變計用鋼絲懸置于無應力桶中央，使用與隧洞襯砌同等標號的混凝土填滿無應力計桶，再澆筑于襯砌結構內部。應力計監測結果如圖5所示。結合隧洞斷面位移監測結果，隧洞在60d前一直處于大幅變動狀態，隨著時間的增加，隧洞應力逐漸處于穩定狀態，說明這段時間隧洞巖土壓力變小，斷面巖土逐漸穩定下來。

5.3.3滲壓計

滲壓計安裝于巖體內部，主要組件由滲壓計及土工織物包裹袋等組成，安裝時先在待測點巖體內造孔，孔徑大小較包裹袋大，孔深0.5m左右。滲壓計在安裝前要做準備工作，首先將滲壓計放入純凈水中浸泡至飽和狀態，一般放置2h。待滲壓計飽和后取出，使用浸泡飽和的特定中細沙土包好滲壓計測頭。最好將包好的滲壓計放入提前打好的孔中，再進行填孔、分孔操作。光纖連接滲壓計，傳感器接收到的信號通過光纖傳輸給監測顯示屏。滲壓計監測結果如圖6所示。隧洞斷面滲壓變化如圖6所示，隧洞滲壓在前幾天一直處于壓力增加階段，說明該段時間隧洞水流正在積聚，隨著時間增加，隧洞滲壓又不斷出現減小、增加的循環，這是因為滲壓隨著隧洞位移和土壓力的變化導致的，斷面監測點位移和土壓力的變化幾乎是同步的。滲壓隨時間增加也逐漸減小，這是隧洞內部正在往穩定狀態發揮，滲壓也趨于穩定。

5.3.4傳感器溫度隨時間變化曲線

如圖7所示，滲壓計與應力計溫度變化步幅幾乎一致，前期溫度變化一直是增加趨勢，都在25d左右溫度出現最高值，這與混凝土凝結特性相符合，因為在混凝土凝固初期會釋放熱量導致溫度一直會上升;時間達到混凝土凝結硬化后期時水泥的水化熱釋放已經很小，所以溫度逐漸下降到周圍環境溫度。所以各種傳感器不僅可以監測巖土結構應變和滲壓變化，同時還可以檢測混凝土凝結效果的好壞。綜上所述，我們將光纖技術應用到圍巖穩定及滲水問題中的位移計、應力計、滲壓計等監測儀器，通過將光纖連接到監測儀器的傳感器，形成特定的光纖傳感器進行各種監測項目數據的收集與傳輸。這些光纖傳感器組網形成的監測系統高度發揮了其監測作用，在隧洞施工運行中，其監測結果完美展現了監測點位移、應力數據的變化，為隧洞的安全防護提供了精確的依據，確保了隧洞施工的正常進行。該工程總干渠16#隧洞地質條件復雜、圍巖穩定問題突出，因此斷面圍巖穩定性及滲水等監測項目采用光纖傳感技術進行取代傳統儀器監測，不僅提高了監測效率，同時也加快了施工進度，節約了施工成本。

6結語

相對于光纖傳感技術靈活高效的監測作用，使用傳統技術監測長距離大斷面引水隧洞開挖施工中的隧洞斷面圍巖結構穩定性已較落后。本工程光纖技術監測結果顯示，布置在各隧洞斷面的各種光纖傳感設備工作正常且能準確反映出隧洞斷面的圍巖結構應變及滲水狀況，極大地提高了巖土穩定及滲水監測效率。這表明光纖傳感技術可以成功應用于長距離地下隧洞工程監測，該工程光纖傳感技術的應用為長隧洞的安全監測工作積累了成功經驗。

作者：馬崇璽 單位：甘肅山丹水利水電工程局有限責任公司