分布式光纖在隧洞變形監測中的應用

楊忠民

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隧道及邊坡穩定性問題是鐵路建設中比較突出的問題，邊坡失穩造成的隧道開裂、破壞等問題嚴重影響著列車的行車安全。目前，隧道監測中常用的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器，普遍存在抗干擾性、耐久性、長期穩定性差等缺點，監測主要以點式或斷面方式布設，連續性較差，存在監測盲區［1-3]。目前，隧道工程監測技術正從過去的低精度、點式、人工監測向高精度、分布式、連續式、自動化監測過渡。其中，分布式光纖傳感器具有體積小、重量輕、鋪設安裝方便的特點，可以連續不間斷對結構體進行動態監測，已經成為隧道及邊坡安全監測的重要發展方向［4-6]。

分布式光纖傳感器按傳感器原理分為散射型、波長掃描型和干涉型，其中散射型是最具應用價值的一種，包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射分布式光纖傳感技術。

近年來，多位學者進行了布里淵散射分布式光纖傳感技術的理論研究，趙麗榮、徐靚等［7-8]對分布式光纖傳感器應用于橋梁和隧道檢測、大壩監測等進行了應用研究，并在實驗室中做了大量的有關試驗研究，取得了較好的效果；張桂生等［9]采用氣吹敷設傳感光纖法和真空灌漿固定光纖法相結合的布設方法將分布式光纖布設于公路隧道中，并利用布里淵時域反射技術（BOTDA）技術對隧道變形進行監測，取得較好的效果；侯公羽等［1]提出了基于分布式光纖應變的隧道沉降反演模型，將光纖應變曲線和隧道沉降曲線聯系起來，對隧道沉降進行監測。

本文利用分布式光纖高精度、連續式監測的特點，對橫洞襯砌變形進行自動化監測，分析橫洞變形情況，進而對滑坡穩定性狀況進行分析評價。

1 分布式光纖監測技術

1.1 分布式光纖傳感技術原理

基于布里淵散射的光纖分布式傳感技術主要有布里淵時域反射技術和布里淵光時域分析技術兩種，本文采用的是布里淵光時域分析技術。該技術通過檢測光纖中布里淵散射頻移的變化，并利用其頻移變化量隨時間應變呈線性變化的關系來感知被測對象物理性質的改變，工作原理如圖1 所示。該方法使用兩個相反方向傳輸的光來增強布里淵散射，因而信號強度大，應變和溫度的測量更為精確，測量范圍更大。

圖1 布里淵光時域分析技術工作原理

1.2 儀器設備

分布式光纖傳感監測系統主要包括應變光纖、傳輸光纖和解調儀三大部分。

1）應變光纖。采用φ1.9 mm 緊包單模光纖，通過聚氨酯彈性體、HY 料等高包裹性材料進行封裝保護，可方便刻槽植入，同時整體剛度得到了大幅下降，可同混凝土結構協同變形。

2）傳輸光纖。采用鎧裝單模光纖，由外護套、芳綸紗、不銹鋼管和緊套光纖構成，拉力強度大于75 N，可有效防止折損等損傷。

3）解調儀。分布式光纖解調儀基于受激布里淵散射原理，測量精度為2.0×10-5，最長測量距離為50 km。

2 工程應用

2.1 工程概況

西北地區一座隧道橫穿一老滑坡，為了避免地下水作用引起滑坡復活導致隧道被破壞，在隧道下方布設了滲水隧洞及與其垂直的橫洞，將滲出的地下水引出滑坡體。滲水隧洞與隧道平行，橫洞與隧道垂直且沿著坡體滑動方向，如圖2 所示。通過在橫洞及滲水洞左右襯砌布設分布式光纖，評估橫洞及滲水洞目前所處的狀態，并預測未來的變形發展趨勢，進而為判斷滑坡的穩定性提供參考。

圖2 滲水隧洞、橫洞和隧道平面位置示意

2.2 布設方法

根據現場地質條件和隧道受力特點，分布式光纖采用縱向布設方式，在隧道兩側及底板進行布設。結合橫洞已有線纜的位置及施工條件，兩側光纖距離地面高度分別為1.8 m（左側）和1.2 m（右側），如圖3所示。

圖3 光纖布設示意

分布式光纖布設采用全線粘貼方式，施工工序為：①定線；②開槽；③除塵；④光纖預張拉；⑤涂膠固定；⑥測試。現場安裝見圖4。須注意的是，由于開槽后槽內存留大量的混凝土粉末，首先須采用電吹風清理槽內的灰塵，然后再用脫脂棉球蘸丙酮或者酒精進行開槽面清洗。在光纖預張拉時，預先按照10 m 間隔在槽壁和布設光纖上畫出記號。在張拉過程中每10 m 進行預張拉，張拉后立即將張拉區間光纖首尾兩端點用快干膠固定，另一組人員緊跟著用快干膠將每一區間按照1 m 間隔進行固定，避免光纖松弛和便于后續涂膠固定。光纖布設過程中須一直測試光纖損耗情況。

圖4 現場光纖布設

3 數據采集與分析

3.1 數據重復性分析

由于布設溫度、濕度及周邊環境的不同，分布式光纖的監測精度會有所差異。因此，為了確定在當前環境中的監測精度，調試完成后須進行數據重復性試驗。現場連續采集4次數據，結果見圖5，可知，大部分測試數據在-6×10-5～6×10-5內變化，因此重復性精度在6×10-5以內。

圖5 光纖重復性測試數據

3.2 數據分析

現場分布式光纖采集頻率為1 次/（30 min），截至2020年12月29日，橫洞內分布式光纖監測數據如圖6所示。橫洞與滲水洞交叉的位置里程為H0+000，從洞內向洞外里程逐漸增大，橫洞洞口里程為H0+1081。由上文可知，該分布式光纖重復性精度在6×10-5以內，因此選取精度的10 倍即6×10-4為受拉較大段。由圖6可知，橫洞內受拉變形較大段有H0+229，H0+279，H0+298 等12 處位置及附近，說明橫洞所處山體仍有一定的變形。通過對橫洞襯砌觀察發現應變量大的地方襯砌出現明顯裂縫，如圖7所示，這說明分布式光纖觀測數據與現場跡象有較高的吻合度。

圖6 襯砌應變監測數據

圖7 現場襯砌典型裂縫

除襯砌外，在底板布設光纖89.5 m，底板光纖實測變形如圖8 所示。可知，底板在23.5 ～35.0 m 位置光纖發生明顯受拉和受壓變形，特別是在23.5 m 和29.0 m 處，應變值分別達到9.181×10-3和7.936×10-3。通過現場調查，23.5 m 處底板隆起、開裂，隆起5 ～6 cm，橫向開裂長度75 cm，如圖9 所示。29.0 m 處底板出現明顯開裂，開裂最大寬度達到6 mm，如圖10所示。

圖8 底板應變監測數據

圖9 探洞23.5 m位置開裂和隆起

圖10 探洞29 m位置開裂（開裂6 mm）

通過橫洞內布設的分布式光纖監測數據可知，襯砌及底板多處位置均出現受拉較大的情況，底板處應變值甚至達到9×10-3以上。現場調查同樣顯示，襯砌及底板存在多處裂縫，裂縫位置與應變較大位置較吻合。以上情況說明橫洞的受力狀況仍在持續變化，且部分位置所受拉力超過其結構抗拉強度，進而導致結構開裂。這也說明橫洞及隧道所處滑坡仍處于緩慢變形中，須加強滑坡監測以保障隧道安全運營。

4 結論

1）分布式光纖能實現隧洞全長的自動化連續監測，其精度較高，能很好地反映隧洞的變形情況。

2）分布式光纖監測數據與現場變形跡象有較高的吻合度，所監測應變值較大的地方現場結構也出現明顯開裂，說明該監測方法具有較高有效性。

3）分布式光纖監測結果表明，橫洞受力狀況仍在變化，所處滑坡仍未穩定，須繼續對隧道及滑坡進行變形監測以保證隧道運行安全。