FBG傳感器在隧道離心模型試驗中的應用

(長安大學 陜西 西安 710064)

一、引言

土工離心模型試驗通過施加在模型上的離心力，使模型的容積變大，能夠還原工程實體中的應力及應變狀態，因而在巖土工程、隧道工程等領域中得到了廣泛的應用。數據采集系統是離心模型試驗測試系統中的關鍵設備，它是試驗研究人員獲得試驗數據的主要手段，也是反映離心模型試驗系統水平、試驗能力的一個標志[1]。由于試驗過程中離心機高速旋轉，對試驗數據采集有較大擾動。同時,溫度變化、轉臂振動等因素，也對試驗數據的精度有不利影響。因此在傳感器選擇時，應盡量選擇抗干擾強的傳感器。近年來，以光柵布拉格光柵傳感器(FBG)為代表的光柵傳感技術興起，目前已在土木工程領域中等到了廣泛的應用。黃廣龍等[2]將FBG傳感器運用于深基坑鋼筋混凝土支撐的應變監測中，得到了基坑開挖過程支撐結構應變變化曲線，與振弦式鋼筋計的監測曲線趨勢相同，并通過溫度補償，其測值更符合實際。任亮等[3]在大壩模型試驗中用FBG傳感器測結構物受地震作用產生的殘余應變及峰值應變，從而準確地監測到大壩內部的變形情況，對大壩的防震性能進行評價。

二、光柵光纖傳感器原理

對于布拉格光柵，在光源入射光纖時，其會反射包含特定波長的光線，并且反射的中心波長滿足以下條件:

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB代表的是反射光中心波長，其一般情況下為1510～1590nm；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光纖光柵傳感器的光柵周長(柵距)。

從式(1)得到，反射光峰值波長由光纖纖芯的有效折射率和光纖光柵傳感器的光柵周長共同決定。應變和溫度是可以直接引起Λ變化的兩個物理量，從而造成反射光中心波長產生漂移。光柵受到拉伸時，或者其受熱膨脹時，λB將增大；光柵受到壓縮時，或者其受冷收縮時，λB將減小。FBG傳感器的中心波長漂移量ΔλB可表示為：

(2)

式中：KT-溫度場變化的敏感度系數，Kε-應變變化的敏感度系數，ΔT-環境溫度的變化值，Δε-應變的變化值[4]。

則應變為：

(3)

三、隧道離心模型試驗

根據模型試驗相似理論，本次離心模型試驗相似比n=90，對應的離心加速度為90g。選用模型箱尺寸為0.7m×0.4m×0.5m(長×寬×高)，可以模擬63m×36m×45m的原型面積。由于按相似比縮尺后隧道模型厚度在毫米級，不能用原材料制作，因此盾構隧道模型采用有機玻璃制成，由于其彈模參數與原型管片不同，因此按照變形等效原則計算，最終地鐵隧道模型外徑為80mm、厚度為5mm，隧道模型縱向布置，預留傳感器布線位置，取長度為330mm。

基于工程實際情況，地下水位上升引起的基底濕陷，地鐵隧道中管道出水、地鐵隧道匯水效應引起的上覆濕陷，均會對地鐵結構產生變形影響。在隧道中間位置布置監測斷面A，橫向半幅非均勻濕陷時，通過隧道拱頂及仰拱沿隧身方向均勻布置的各6個普通電阻應變傳感器的測量值差異，進行隧身縱向彎矩計算。在每個應變監測點，均會布置相應的FBG傳感器，將其測量值與普通電阻應變傳感器做對比。

光纖光柵傳感器中的光柵部分是在去除了保護層及涂敷層的裸纖上刻制而成的，極其脆弱，彎折時易損壞[5]。在隧道離心模型試驗過程中，需多次埋入、挖出貼有FBG傳感器的隧道模型，因此需采用粘貼封裝方法，對FBG傳感器進行封裝保護。由于隧道模型較小，為了便于固定位置，首先需刻槽，然后將裸FBG貼于槽內，再涂抹環氧樹脂膠保護。

四、試驗結果分析

通過光纖光柵解調技術獲取反射光中心波長，將不同時間的測量值與初始值相減，然后進行溫度補償計算，可以得到FBG傳感器應變引起中心波長的變化規律。圖1所示為基底橫向半幅濕陷時，拱頂、拱底測線各FBG測點的中心波長變化規律。可以看出中心波長變化規律穩定，趨勢明顯，未出現較大離散的數據，說明FBG傳感器的系統誤差較小，測試數據穩定，測試效果理想。

圖1 傳感器中心波長漂移規律圖

如圖2所示，將基底橫向半幅浸水工況下拱底各測點的FBG監測值與普通電阻式應變片監測值進行對比。可以看出,FBG傳感器與應變片的監測結果呈現相同的變化趨勢，隨著基底橫向半幅浸水高度的加大，隧道所受的應變值也不斷變大，浸水側各測點應變值出現大幅度變化，并且在浸水高度達到150mm(原型13.5m)時應變變化最為顯著。說明隧道基底發生橫向不均勻浸水濕陷時，會引起基底不均勻沉降，導致隧道底部呈現受壓狀態。

從圖2可以看出，應變片的監測數據雖然呈現出相同的變化規律，但是數據不穩定，出現較大波動，而FBG傳感器的監測數據則較穩定，不存在數據波動現象。因為FBG傳感器是通過光信號實現數據傳輸的，不受電磁場干擾，具有良好的穩定性及抗干擾性。

圖2 基底橫向半幅浸水拱底應變值

五、結論

通過地鐵隧道離心模型試驗表明，FBG傳感器能夠在離心模型試驗中進行隧道結構的應變監測。與傳統電阻式應變傳感器比較，FBG傳感器抗干擾能力強、精度高，系統誤差較小，測試數據穩定，測試效果理想，具有良好的應用價值。

【參考文獻】

[1]南京水利科學研究院.土工試驗技術手冊[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]黃廣龍,張楓,徐洪鐘,陳貴.FBG傳感器在深基坑支撐應變監測中的應用[J].巖土工程學報,2008,(S1):436-440.

[3]任亮.光纖光柵傳感技術在結構健康監測中的應用[D].大連理工大學,2008.

[4]魏廣慶,施斌,胡盛,李科,殷建華.FBG在隧道施工監測中的應用及關鍵問題探討[J].巖土工程學報,2009,(04):571-576.

[5]馬豪豪,劉保健,翁效林,姚貝貝.光纖Bragg光柵傳感技術在隧道模型試驗中應用[J].巖土力學,2012,(S2):185-190.