基于分布式光纖的地下輸水管廊結構變形監測試驗研究

盧韻竹，程 琳，張安安，毛昊然

(西安理工大學，陜西 西安 710000)

0 前言

城市地下綜合管廊是在城市地下用于集中敷設電力、給排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道。地下管廊的建設為城市發展預留了寶貴的地下空間，已然成為了21世紀城市現代化建設的熱點和衡量城市建設現代化水平的標志之一。由于城市地下管廊是建設在城市中心道路的地下工程，周邊有眾多大型建筑物或構筑物，一旦管廊結構出現破壞，就有可能危及周邊建筑物安全，造成爆炸、地面塌陷等重大事故發生。因此，對管廊結構進行實時監控，對于提高管廊運行管理的快速反應能力和安全防護能力、保證管廊的安全運行顯得尤為重要。

目前對于結構本身的監測多采用鋼筋計、測縫計和應力計等。這些傳統監測手段多為點式監測，無法全面獲得整個管線的狀態信息。隨著監測技術的不斷發展，光纖作為一類新興的傳感技術，目前正受到廣泛的關注[1-10]。分布式光纖既能單獨局部地精確傳感，又能組建監測系統實施全局的監測，具有實現方式簡單、成本低廉、分布式測量、高分辨率和大范圍測量的優點，在土木工程安全監測領域有著廣泛的應用。2003年，張丹通過設計對鋼筋的應變監測試驗，證明分布式光纖監測技術可以比較真實地得到結構物的應變分布[11]；2005年，施斌將分布式光纖應變監測技術應用于隧道的安全監測上，并在南京市鼓樓隧道處做了750m的試驗段，對隧道的整體沉降，裂縫的發生和發展進行遠程分布式監測，最終達到了監測目的[12]；同年張俊義在三峽庫區崩滑災害監測應用了分布式光纖監測技術技術[13]；2008年史彥新將分布式光纖引入滑坡監測，運用布里淵光纖時域反射技術，監測到了巫山殘聯滑坡的應變信息[14-15]；2010年，張帥軍以廣州地鐵五號線小北站工程為例，闡述了光纖傳感技術在城市地鐵工程監測的應用方法和監測成果,表明光纖傳感器能夠細微地反映出各種變化，在地下工程監測中具有廣闊的應用前景[16]。

為了將分布式光纖技術應用于實際地下管廊的結構變形監測，本文進行了地下管廊結構應變的靜力模型試驗研究。首先根據某實際的城市地下輸水管廊，按照幾何相似的原理在試驗室制作了模型，接著在參考工況、堆積荷載工況、沖擊荷載工況以及開挖工況這4種工況下進行了對模型管廊結構縫隙的變形監測試驗。最后通過分析試驗數據評價了監測效果。本文基于以上研究背景，在地下城市管廊這一領域對分布式光纖技術提出了新的應用。

1 OFDR技術的光纖監測原理

試驗采用的分布式光纖監測原理是光頻域反射(OFDR)。光源發出線性掃描的連續光被耦合器分為兩路，其中一束作為參考光，另一束作為探測光發射到待測光纖中。探測光在光纖中向前傳播時會不斷產生瑞利散射信號，這些信號光與反射回來的參考光經過耦合器并發生拍頻干涉，并被光電探測器檢測。OFDR的基本原理見圖1。

圖1 OFDR基本原理

對于探測光：

β(t)=ω(t)/vg=β0+γt

(1)

κ=γvg

(2)

ω(t)=ω0+κt

(3)

式中：β(t)為傳播常數；κ為頻率的掃描速率；ω(t)隨時間進行線性掃描的光波頻率；γ為傳播常數的掃描速率；vg是光在光纖中傳播時的速度，相位變化的角頻率；t為光源掃描時間，β0與ω0分別為光源的初始傳播常數與初始頻率。

則探測光的電場可以表示為：

A(x)exp(iβ(t)x)

(4)

其中：

A(x)=α1/2A0

(5)

對于任意長度光纖dx，設其瑞利散射系數為σ(x)，則反射回來的總瑞利散射強度為：

(6)

式中：L為光纖的總長度；A0為探測光初始振幅；α(x)為光纖入射端到光纖沿線所有衰減系數的累積。

參考光的電場可表示為:

Er(0,t)=Arexp[-2iβ(t)xr]

(7)

因此，光電探測器上檢測到的混頻信號為：

(8)

(9)

式中：

G(x)=[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)]

(10)

表示光纖中x處散射信號在總信號中所占的比重。該比重大小以2γ|x-xr|的頻率隨時間波動。設xr=0，則此波動頻率能反映光纖中x的位置，即光纖中x處對應的頻率為：

f(x)=2γx=2xκ/vg

(11)

利用光學差分測量技術解調出瑞利散射信號，信號頻率用于光纖各點定位。分別將參考狀態及測量狀態得到的瑞利散射信號按空間分辨率大小劃分為多個信號窗口，通過互相關運算計算每個信號窗口的頻譜移動，對應于該處的溫度或者應變變化[17]。

2 試驗模型

某城市地下輸水管廊工程由混凝土澆筑而成，其方形斷面邊長為5 m。本試驗按照幾何相似原則，以1∶20的比例制作管廊模型。兩段長25 cm左右的方形PVC管通過頂部和兩側的有機玻璃片進行活動連接，有機玻璃連接片與管廊通過四顆螺絲連接，形成廊道模型；將PVC圓管通過兩段有機玻璃固定于廊道底部中央，模擬過水管道。管廊模型上方砂土厚度為25 cm，下方砂土的厚度為15 cm。管廊試驗模型見圖2。

(a)管廊試驗模型示意圖(尺寸單位：cm)

文中試驗所用的OFDR分布式光纖傳感儀精度選擇1 mm，經過多次試驗發現，采用將應變光纖緊貼于管廊頂部中央軸線以及底部兩側軸線處的鋪設方式，監測效果最佳，光纖的鋪設模型見圖3。

圖3 光纖的鋪設示意圖

有效測量段光纖長度范圍見表1。

表1 有效測量段光纖長度范圍

3 試驗方案

本文涉及的試驗分別設置了參考工況、堆積荷載、沖擊荷載、開挖4種不同工況，使用OSI-C高精度應變、溫度分析儀測量并記錄下管廊模型的應變數據。工況及說明見表2。

表2 工況設置及說明

試驗設備及其規格見表3，部分試驗實施過程見圖4。

表3 試驗設備及其規格

圖4 試驗實施過程圖

4 試驗數據分析

圖5表示參考工況下，管廊模型發生的應變在不同光纖長度處的變化。在試驗中起到參照的作用。

圖5 參考工況下初始應變

圖6是在不同堆積荷載下，管廊模型發生的應變在不同光纖長度處的變化。由圖6可知，用砼塊數量不同來模擬不同堆積荷載情況下管廊模型的應變分布情況得到在一定條件下砼塊堆積荷載越大，管廊模型發生的應變越大。

圖6 不同荷載下模型結構應變

圖7表示為沖擊荷載從不同高度落下時，管廊模型發生的應變在不同光纖長度處的變化。從0.5 m高度落下，再從1 m與1.5 m高度重復試驗，由圖可知管廊模型發生的應變隨著沖擊荷載的增大而增大。圖8表示沖擊試驗過程中跨中應變隨著時間的變化圖像，從圖中可以清晰地看到重錘落下瞬間，管廊跨中應變迅速增長。

圖7 不同沖擊荷載作用下模型結構應變

圖8 沖擊工況下應變隨時間的變化圖像

圖9是在不同開挖狀態下，管廊模型發生的應變在不同光纖長度處的變化。開挖深度由5 cm到10 cm再到15 cm分別進行試驗，由試驗數據圖可知，開挖深度越大，管廊模型發生的應變越大。圖10表示的是在開挖過程中，應變隨著時間的變化圖像，通過圖像可以直觀地看出從開挖起始點開始，頂部跨中的應變逐漸增大，且變化明顯。

圖9 不同開挖程度下模型結構應變

圖10 開挖工況下應變隨時間變化圖像

通過4個工況下的試驗可以發現，在有連接的情況下，頂部的應變明顯減小，并且連接越多應變會越小。同時，試驗表明光纖可以準確地判斷應變突變的位置，通過鋪設光纖可以精確判斷出現問題的位置，將位置信息傳輸出來提供給施工人員即可精準、有效地施工。另外，試驗發現頂部的光纖監測到的變形的變化較為明顯，因此在管廊頂部進行光纖的鋪設即可有效地監測變形。

5 結語

本文的研究試驗結果表明，光纖監測管廊結構變形的精度較高、對應變較為敏感，并且實時性較好，可以快速傳遞異常變形的信息和準確位置，實際應用中可以節省寶貴的時間，提高搶修效率，為保障管廊安全運行提供了支持。作為一種新型的結構變形監測方法，分布式光纖具有許多傳統的傳感器無法比擬的優勢，但是在實際應用中還存在著鋪設方法的優化問題以及整體監測系統維護的問題等，還需要進一步的試驗探索。