光纖傳感技術在城市地鐵工程監測中的應用

閆文政（鄭州市軌道交通有限公司運營分公司，河南　　鄭州　　450000）

光纖傳感技術在城市地鐵工程監測中的應用

閆文政
（鄭州市軌道交通有限公司運營分公司，河南鄭州450000）

摘要：隨著經濟社會的不斷發展，社會各項技術的探索也在不斷深入，人們對光纖傳感技術的聚焦程度也越來越高。本文以光纖傳感技術在城市地鐵工程監測中的應用為探討對象，通過介紹光纖傳感技術的基本原理和光纖傳感監測系統的構成，論述了光纖傳感技術在城市地鐵工程監測的應用方式和監測結果等。

關鍵詞：光纖傳感技術；地鐵；工程監測；應用

1　光纖及其類別

光纖是光導纖維的簡寫，通常是由纖芯、包層、涂敷層和護套組成，是一種多層介質結構的對稱柱體光學纖維。光纖的基本結構由纖芯、包層、涂覆層和護套構成，其中，纖芯和包層是光纖的主要部分，在傳送光波中扮演著重要的角色；涂敷層和護套的主要作用是隔離雜光，增強光纖強度。當前，光纖類別主要有裸光纖、緊套光纖、松套光纖和裸光纖或緊套光纖的智能產品等。在此之中，松套光纖常用作溫度補償光纖；裸光纖易斷易損毀，適用于自然和人為破壞因素較少的環境中，一般適合在室內試驗或鋼、混凝土等易保護的結構體監測中使用；緊套光纖易損性較裸光纖稍低，可在自然和人為破壞力低的邊坡監測中使用，但其外層保護層易腐化，在長期監測時易給光纖的熔接造成不便；智能光纖適應野外長期監測，但制作費用昂貴，鋪設工藝較為復雜、工程量較大。

2　光纖傳感系統的結構

2.1系統結構。就像通常的監測系統，光纖傳感系統主要包含：傳感器子系統、數據分析評價系統和數據采集與傳輸系統。作為監測系統的關鍵成分，傳感器子系統除了需要確保可以安全精確的數據資料以外，還需要確保其提供的數據具備一定的實用性和可靠性，使之能在工程使用性能的測評發揮作用；數據采集子系統一定程度上是扮演著解調儀的角色，它最明顯的特征是分布式或準分布式，可以根據需求在二維空間橫向延伸；數據收集完畢之后能夠利用互聯網，把收集到的信息輸入數據庫，相應地去分類運用，同時也能夠利用互聯網遠程測試等。數據收集具備遠程化、網絡化和自動化的優點，且還有能夠與數據庫技術相融合，達到數據的存儲、查找和提取等目的。數據開發的主要內容是要達到特殊數據內容的獲取，能夠使用小波分析、遺傳算法、神經網絡、高階譜分析、時—頻分析、粗糙集方法等方法，對傳感光纖的數據處理，得到表征結構變形與損傷等數據，由此，達到對結構的有效診斷和合理評估。文章是以FBG傳感系統為探討對象，它是光纖傳感系統中舉足輕重的方法之一。它集合了全部光纖傳感的長處，較高的靈敏度、寬廣的可測參量、能在惡劣或是特殊環境應用、受干擾程度小、體積小等，而且還隨著光纖和其他新型FBG的成長有了更加廣泛的使用范圍。

2.2光纖傳感器。FBG傳感器重點是刻上光柵的裸纖，它是傳感的部分，約1cm～2cm長。每一種傳感器件是把光柵以不一樣的方式組裝而成，比如應變傳感器，它是把依附在彈性桿件上裝；溫度傳感器是把它自由裝在傳熱套管中。當前，由于FBG的傳感器樣式眾多、用途廣，每一類別的傳感器有構造簡易、體積小、測量范圍寬廣、可靠程度高、受影響程度小、生命力強等優點。當前，地下工程中一般使用的光纖傳感器有溫度傳感器、混凝土應變傳感器及鋼筋應力傳感器。

3　地鐵工程中的應用

在實施過程中，因為施工環境的復雜性，直接鋪設光纜易在施工過程中損耗。依據光纖傳感系統的實際經驗，可采取先鋪設鋁塑管而后在鋁塑管內鋪設光纖，且注漿協同變形的方案。在實際應用中還可以將光纜布設于隧道結構表而，因而有需要對設置在結構表面的光纖監測性能進行標注。以國內某暗挖地鐵車站隧道為例，探究試點項目的監測對象是隧道挖掘初始階段的在建支護混凝土襯體，監測主體是襯體的內力，利用對襯體的內力監測探究支護襯體和周邊圍巖壓力的演變規則，主要有：（1）監測鋼筋支撐拱架在混凝土噴射之后它內力強弱和演變規則；（2）監測周圍干擾圍巖對支撐襯體的影響規則；（3）監測混凝土噴射之后溫度、應變的演變規則；（4）監測加快速度對初期支護體支撐壓力的影響規則。

3.1傳感器布設方案。對于監測斷面的選擇，最好采用較為經典、對比性強和工期較短的。各個斷面設有6個FBG鋼筋應力計傳感器、2個FBG混凝土應變計和1個FBG溫度傳感器，在此之中，鋼筋應力計式傳感器最好留有2個冗余。各個斷面全部傳感器只需要裝設在兩旁和頂部共3個拱架上，其中各個拱架的外圍銜接2個鋼筋應力計，大約處在1/3處；2個混凝土應變計對稱裝設在頂部拱架中間；溫度傳感器裝設在側旁上。各個傳感器的信號傳送光纖都從襯體兩側牽出后串連。

3.2監測結果分析。斷面鋪設完成之后，通過兩個月的時間，收集了大量的測試數據，在地鐵工程中，光纖監測技術取得了較為理想的成效。從收集的數據可得到以下的信息：（1）每個傳感器應變監測數據在支架的初始階段的變化較大。（2）光纖傳感器監測的數據具有較高的穩定性和可靠性，精確程度較高，且也表明光纖傳感器具有較高的抗腐蝕的功能，可以在較惡劣的環境中使用。（3）開始挖掘的階段，挖掘的工程會對圍巖和襯砌變形起到比較大的影響，頂部弧形開始挖掘支護之后，拱架內力變化大，只是較快會穩定，幫側開始挖掘的時候擴大了土地的震動范圍，也增大了頂部拱架上的壓力；與拱頂相比，幫側支護拱架穩定的時間比較慢；支護體關閉成形和圍巖自身漸漸成拱穩定，它的內力在減弱之后會較穩定。

4結論與討論

光纖監測技術憑借它特有的優點在監測界處于重要的地位，受到許多使用者的青睞被帶進我國，短期內就受到眾多追捧，并被推廣到眾多領域。此次在城市地鐵工程中的有效運用，更加凸顯出光纖傳感器測試數據有效可靠等長處，經歷了3個月的地下水侵蝕，都沒有造成傳感器腐蝕的不良效果。證明了光纖傳感器具有不易腐蝕，可以在惡劣環境下長期監測等特點。在我國地鐵發展不斷加速的時代，光纖監測技術一定會起到重要的作用。

參考文獻

[1]孟金煥．世界第一口多光纖傳感器智能井[J]．國外油田工程，2004，20（02）：26-28．

中圖分類號：U456

文獻標識碼：A