一種新型鐵路路基沉降監測技術探討

陳光富，蔡德所，2，劉健夫，汪 青，楊 樂

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002;2.廣西壯族自治區 水利廳，南寧 530023)

目前，鐵路路基沉降傳統的監測方法主要有:沉降板、單點沉降計、剖面沉降管、沉降監測樁等［1-4］。這些監測方法的主要缺點是安裝復雜，干擾施工，影響施工質量，數據采集困難，尤其是均為點式測量，信息量太少，很難掌握整條鐵路路基沉降的變化。為了克服傳統監測技術的缺點，本文介紹了一種新型的鐵路路基沉降監測技術——分布式布里淵光纖傳感監測技術，探討了其基本原理，闡述了該技術實際應用中光纜的選型、參數率定、鋪設及其它注意事項。相對于傳統監測技術該技術具有監測范圍大、密度高、自動化程度高、數據精度高、抗干擾性強、對施工影響小等特點。該技術為鐵路路基遠距離的沉降監測提供一種切實可行的方法。

1 分布式布里淵光纖傳感監測技術基本原理

分布式光纖傳感監測技術的理論基礎是光時域反射技術OTDR(Optical time domain reflectometry)，它包括了對拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射3種散射光的光譜分析，光纖中的散射光譜如圖1所示［5］。沉降測量是利用光在光纖中傳輸能夠產生布里淵散射的原理，即向光纖中注入脈沖光，它在光纖中傳輸的同時不斷產生向后散射光波，這些光波的狀態受到所在光纖散射點軸向應變和溫度的影響而改變，將散射回來的光經系統處理后，便可將光纖沿線所測信息實時顯示出來，由光纖中光波的傳輸速度和入射光與反射光之間的時間差可定位光纖沿線所測信息。

脈沖光在光纖中的傳播速度會略低于真空中，測得入射光和反射光之間的時間差T，即可得到散射光的發射點距入射端的距離X為

圖1 光纖中的散射光譜

式中，C為光纖中的光速，C=C0/n(C0為真空中的光速;n為光纖的折射率)。

反射回入射端的光中，有一種稱作布里淵散射光。由于光纖單一截面上的布里淵頻移與光纖所受的軸向應變和溫度之間呈線性關系，因此可運用布里淵光時域反射技術BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry)和布里淵分光技術，得到布里淵散射光頻譜［6］。

在溫差變化不大的情況下，布里淵頻移與溫度的相關性比應變的相關性要小得多。若不考慮溫度的影響，光纖軸向應變與布里淵頻移的關系可表示為［6］

式中，νB(ε)為光纖發生軸向應變時布里淵頻移;νB(0)為光纖無軸向應變時布里淵頻移例系數，主要由傳感光纖自身材料特性確定，一般設定為0.5 GHz/%;ε為光纖的軸向應變。

若監測區域溫差變化較大，則須考慮溫度的影響。這種情況下，需要同時測出光纖沿線的溫度，現有的技術也可滿足這種需求。此時，光纖軸向應變和溫度變化與布里淵頻移之間的關系可表示為［7］

式中，Δν(x)為布里淵頻移變化量;Δε(x)為傳感光纖中距入射端面x處的應變變化量;ΔT(x)為傳感光纖x處的溫度變化量;C1、C2為光纖的布里淵頻移應變系數和溫度系數。

分布式布里淵光纖傳感監測技術原理見圖2。

圖2 監測原理

2 光纜的選型及參數率定

2.1 光纜的選型

在這項新技術的應用中，光纜不僅起傳光作用，而且還起傳感作用，這就使得光纜的選擇和使用至關重要。目前市場上可用于監測的光纜類型很多，選擇使用的光纜應具有以下特點:測量靈敏度高、抗拉性能好、不易折斷、耐腐蝕性強、抗干擾能力強、彎曲性能良好、防水性能好(也可出于特殊需要，自行定制)。光纜橫斷面示意如圖3。

圖3 光纜橫斷面示意(單位:mm)

2.2 光纜參數率定

2.2.1 溫度率定

通常情況下，儀器在使用前需進行率定。分布式光纖監測系統在對路基進行沉降監測前，也需對光纜測溫的溫度常數進行率定。鑒于目前國內還沒有明確的光纜溫度測定檢驗標準，只能依據光纜所處的環境溫度(環境溫度用常規溫度計測得)與系統監測溫度成線性的關系這一原理進行率定。方法如下:在恒溫槽中保持光纜自由不受外力影響，無彎曲變形，分別對光纜加熱(或冷卻)至溫度20℃，40℃，60℃三級標準溫度，保持每級溫度穩定時間超過半小時，以使光纜暴露充分。對每級標準溫度進行多次測試對比，統計分析確定光纜的溫度參數。

2.2.2 應變率定

依據系統測得的光纜應變與實際應變成線性關系這一原理進行率定。保持光纜所處的環境溫度不變，分別在光纜的50 m、100 m、150 m長度處施加外力，產生穩定形變后，利用其它儀器測得的應變與系統測得的應變相比較，經過在不同外力下反復測試，確定光纜應變參數。

3 光纜的鋪設

3.1 定位

定位考慮兩個方面:一方面由于分布式光纖環境適應性強，對埋設位置的約束較少，因此基本可根據監測需要，把光纖埋設于任何需要監測的位置;另一方面，要使光纜經過常規沉降監測點的位置，以便將光纜測得的沉降結果與常規測得的結果相比較。

由于鐵路路基斷面形式多樣，監測要求不同，光纜較好的環境適應性等，使得光纜的埋設方式具有多變性。圖4、圖5給出了兩種布置方式以供參考。

圖4 光纜布置方式1

3.2 埋設

光纜的埋設方法有開槽法、貼附法、鉤槽法、支架法［8］等多種方法。在鐵路路基實際施工過程中，綜合考慮對施工的影響及光纜埋設的安全性，可選擇鉤槽法。該方法鋪設速度快，簡便實用，效果良好。

3.3 保護

對于槽內光纜，回填土需人工壓實;對于從儀器到路基沿程的光纜，禁止人為覆蓋重物以及過度擠壓、彎曲。光纜埋入時，應當爭取埋設到設計線路上，以便形成保護層，并派專人看護線路。

圖5 光纜布置方式2

3.4 竣工

將光纜沿線關鍵位置(進入口刻度、出口刻度、常規儀器監測沉降點對應刻度等)詳細記錄，特別是因工程實際需要與設計埋設地有出入的地方，要重點記錄，畫好竣工圖。

4 應用時的注意事項

1)沉降監測工作成功與否的關鍵是光纜埋設的質量。在施工過程中應與施工方緊密配合，避免施工損毀光纜。埋設后要有專人看守，對光纜沿程加強保護，禁止對光纜過度扭曲、重物擠壓。日常的系統維護包括線路保護、端頭保護以及儀器保護。路基的分層鋪設中，每一層鋪完后，都要對光纜線路是否通暢進行監測。光纜若損壞，要及時發現，否則較難補救。當發現被截斷時，應及時開槽并熔接連通。盡量保證能進行雙端測量。

2)光纜埋設竣工圖要在現場及時繪制。標明每個轉彎處及特征點的長度值，確保光纜實際的空間位置能與每個監測沉降值相對應。

3)沉降監測必須有固定的儀器安置點并有良好的防塵措施。測量過程中盡量減少光纜接口的頻繁插拔。儀器的搬動要盡量避免，如果必須搬動，要保證儀器不受大的振動。應該配置穩壓設備并控制環境溫度。

4)施工現場除監測儀器外應備有光纜熔接機及相關配件，諸如光纜切割機、熱塑管、外套管、粘合劑等。光纜熔接工藝操作要熟練，接頭不能有拐點，熔接完成后需進行損耗檢測。由于光纜熔接的好壞直接影響到測得的一系列數據的可靠性，我們應盡量避免光纜的熔接。

5 結語

1)本文探討了分布式布里淵光纖傳感監測技術監測鐵路路基沉降的工作原理，詳細介紹了光纜的參數率定、埋設以及該技術在實際應用時的注意事項。

2)分布式布里淵光纖傳感監測技術在此只作沉降監測，沒有對路基的水平位移做監測［6］，光纖埋設方式單一，這些需在以后的工程實踐中予以完善。

3)光纖傳感監測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來［9］。分布式布里淵光纖傳感監測技術監測鐵路路基沉降相對于傳統的監測技術，監測的場合更加寬廣、監測的內容更加豐富、監測的數據更加精細。因此，我們相信分布式布里淵光纖傳感監測技術將會得到更加廣泛的應用。

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