FBG傳感器在特殊洞段結構穩定性監測中的應用

歐陽宏，夏 天

（1.甘肅省水利水電勘測設計研究院，蘭州730030；2.甘肅省引洮工程建設管理局，蘭州730000）

0 引言

水利、交通等行業的長距離隧洞屬于大型工程結構，大多服務年限達到幾十年甚至上百年，長時間運營過程中不可避免會產生損傷累積，嚴重的會引發突發事故，因此有必要對其特殊洞段進行長期有效的穩定性監測。傳統的電類傳感器對安裝環境要求較高，受結構周邊環境影響較大，尤其對于長距離隧洞內部的特殊截面，電源引接困難，傳感器工作環境較差，基于電類傳感器的監測系統已無法滿足長期穩定性監測的需求［1］。近年來，光纖傳感技術以其全光傳輸、無需供電、抗腐蝕和抗電磁干擾等特點，可適應各種復雜的應用環境，特別適合長距離監測，且已在大壩、橋梁、隧道等工程結構穩定性監測中嘗試應用［2-4］。

國外對于光纖傳感技術應用研究較早，Inaudi 在隧道巖壁上安裝光纖位移傳感器，監測隧道施工期間的圍巖受力情況［5］；Nellen將光纖光柵傳感器安裝在Lucerne橋的碳纖維斜拉索上，應變的測量范圍達到8 000 με［6］。國內，施斌等人提出了光纖光柵傳感器在隧道工程監測中的封裝保護、溫度補償及系統集成等解決辦法和思路［7］；潘恒飛等人將一種埋入式FBG 應變傳感器應用于引水隧道中，研究襯砌混凝土的應變情況［3］。針對長隧洞或遠距離信號傳輸的工程，其安全監測采用光纖光柵傳感器是一種有效的選擇［8-11］。

甘肅引洮供水工程引洮一期工程7號隧洞長度近14 km，由于監測截面位于隧洞深處，供電困難，且隧洞長期處于通水狀態，傳統電類傳感器在使用過程中可靠性較差，因此本文將對光纖光柵傳感器在引水隧洞中進行應用嘗試與研究，對隧洞結構安全狀況（應力、位移、溫度、沉降）進行監測，以確保隧道投入使用后的結構安全。后期通過實測數據驗證了光纖監測系統在引水隧洞結構監測中應用的可行性與可靠性。

1 關鍵技術原理

光纖光柵是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器。光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優點，并且其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環境的變化比較敏感。

當光纖光柵受到應力作用或所處環境溫度發生改變時，導致其柵距發生變化，從而反射波長也會發生漂移。根據這種特性，可以對作用在光纖光柵上的應力、溫度等外界因素進行感知，引起的光纖光柵反射波長變化量可以由式（1）給出［12］：

式中：Λ 為光纖光柵的柵距；neff為光纖光柵的折射率；ΔλB為光纖光柵波長的改變量；ΔΛ 為在應力作用下光柵柵距的改變量；Δneff為光纖彈光效應引起的折射率的改變量。

實際使用中，在測應力變化時，由于應變和溫度會同時對光纖光柵的反射波長產生影響，因此需要進行溫度補償。通常采用近距離溫度感測光柵進行線性補償。在一定的測量范圍內，應變和溫度對光纖光柵反射波長的影響是相互獨立的，能夠進行線性疊加［12］。因此在應變傳感器附近放置溫度傳感器，應變傳感器同時感測應變和溫度，溫度傳感器感測溫度，這樣溫度產生的影響可用下式消除：

式中：ε為實際應變；ε0為初始應變；λε1為應變傳感器的初始波長；λε0為應變傳感器的實測波長；λt1為溫度傳感器的初始波長；λt0為溫度傳感器的實測波長；Ktt為溫度傳感器的溫度系數；Kεt為應變傳感器的溫度系數；Kε為應變傳感器的應變系數。

2 光纖傳感技術在引水隧洞中的應用

2.1 傳感器的設計

本文在引水隧洞中主要應用四種傳感器對隧洞結構進行健康監測，分別為：光纖光柵應力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移（接縫）傳感器、光纖光柵靜力水準儀。光纖光柵應力傳感器內部采用不銹鋼金屬結構件進行受力傳導，光纖光柵通過黏貼的方式黏貼在金屬結構件上，如圖1所示；光纖光柵溫度傳感器采用與應力傳感器相近的內部結構，不同的是溫度監測光柵不會受到應力影響，如圖2所示；光纖光柵位移（接縫）傳感器采用彈簧受力傳導的方式，將光纖光柵黏貼在傳感器末端的“門”型梁上，如圖3所示，當待測部位（接縫）發生位移變化時可將位移量轉化為“門”型梁的形變而被光纖光柵監測到；光纖光柵靜力水準儀采用螺紋桶裝結構，將光纖光柵固定在螺紋桶內部，當水準儀內的水位發生變化時，會導致螺紋桶的形變而被光纖光柵感知，如圖4所示。

圖1 光纖光柵應力傳感器內部結構

圖2 光纖光柵唯獨傳感器內部結構

圖3 光纖光柵位移（接縫）傳感器內部結構

圖4 光纖光柵靜力水準儀內部結構

所有傳感器都經過事先標定，波長范圍在1 510～1 590 nm，可以準確地監測隧洞結構的相關參數，精度均高于0.5%F.S。

2.2 傳感器布置與安裝

7 號隧洞結構監測段位于里程57+835～60+951 處，總長3 116 m。應力傳感器的溫度補償光柵采用傳感器體外單獨布置方式，位移傳感器與靜力水準儀的溫補光柵在傳感器內部懸空布置，保證溫補光柵處于不受力的狀態。監測截面集中布置在以下三段區間：

（1）K57+835～K58+065 段（冷凍法施工段）。①該段包含兩個豎井，每個豎井部位分別布置兩套光纖光柵應力監測傳感器監測隧洞結構的應力狀況，如圖5所示。②每個豎井端頭剪切力較大部位布置4個光纖光柵位移（接縫）傳感器監測待測接縫的發展趨勢情況，如圖6所示。③布置一套隧洞相對豎向沉降監測系統，計算15 個光纖光柵靜力水準儀，靜力水準儀利用連通管原理監測隧洞的豎向沉降變形情況，基準水箱位于非冷凍法施工段，如圖7所示。

圖5 光纖光柵應力傳感器在截面上布置位置

圖6 光纖光柵接縫傳感器安裝示意圖

圖7 光纖光柵靜力水準儀在截面上布置位置

（2）K59+560 處為向斜巖層部位布置一套光纖光柵應力監測傳感器與2個光纖光柵位移（接縫）傳感器。

（3）K60+911～K60+951 隧道盾構與混凝土澆筑交接段。布置3 套光纖光柵應力傳感器與7 個光纖光柵位移（接縫）傳感器。每套光纖光柵應力傳感器包含9個光纖光柵應力傳感器與2個光纖光柵溫度傳感器，傳感器串沿隧洞縱向布置。

3 實際監測數據分析

經過特殊封裝的光纖光柵傳感器在7 號隧洞完成安裝后，通過通信光纜將信號匯總到監控中心，從而對隧洞不同截面進行整體分析。將施工完成后開始積累的6個月傳感數據進行采集并繪制成曲線，如圖8 和圖9所示。其中，應力傳感器與接縫傳感器數據繪制為時程曲線，表示監測數值隨時間變化的關系，提取了傳感器中變化值最大與最小的2個截面進行分析；靜力水準儀傳感器沿被測段結構敷設，數據繪制成沿距離變化的曲線，縱坐標為相對沉降量，橫坐標為監測截面位置。

圖8 傳感器監測數據結果

圖9 隧洞相對沉降曲線

從監測數據曲線中可以看出：①應力變化量最大的一個傳感器位于58+065 截面2 號豎井部位，200 d 內監測數據最大值與最小值相差1 MPa左右；相應地，應變化量最小的一個傳感器位于59+060 截面向斜地層帶，200 f 內監測數據最大值與最小值相差0.6 MPa 左右。②位移變化量最大的一個傳感器位于58+065 截面，200 d內監測最大值與最小值相差約0.1 mm；位移變化量最小的一個傳感器位于59+060 截面，200 天內監測最大值與最小值相差約0.07 mm。從結構應力監測與結構接縫位移監測的數據結果來看，在監測數據正常測試開始的200 d 以來，59+060截面結構更穩定，相比之下，58+065截面結構應力、接縫變化量更大。其監測結果也與實際情況相符：向斜地層帶雖然容易集聚地下水會對結構造成影響，但由于天氣干旱原因，并無大量降雨，地層中地下水情況更為穩定，而作為冷凍法施工豎井部位的58+065截面隧洞結構受地下水壓力影響較大，但整體來說，隧洞結構仍處于穩定階段，處于健康狀態。

作為隧洞冷凍法施工段的57+835～58+065 段完全被沉降監測系統所覆蓋。從圖9 的監測數據看來，隧洞豎向變形變化區間處于-0.05～0.05 mm 之間。隧洞沉降監測采用的光纖光柵靜力水準儀量程為10 cm，按精度為0.1%F.S 計算，傳感器本身精度為0.1 mm，目前測到的數據變化范圍均處于傳感器自身誤差范圍內，屬于洞內通水量變化影響的正常范圍，隧洞結構并未發生明顯的豎向變形問題發生。

在2016年7月至2018年7月為期兩年的監測過程中，傳感器數值一直處在穩定的變化區間內，其應力、位移和沉降的變化趨勢平緩，變化量在傳感器自身誤差范圍內，表明隧洞結構本身處在一個健康穩定的狀態，并且沒有自然災害等特殊情況發生，隧洞在正常工況下運營，結構安全度較高，如圖10所示。

圖10 58+065截面處傳感器為期兩年的監測數據

4 結 語

本文介紹了光纖光柵傳感技術在引水隧洞的結構監測中的成功應用。傳感器經過特殊封裝設計和實際測試，在前期2個月內，傳感器成活率高達100%；后期兩年的監測中，整個監測系統也運行穩定，且未發現有傳感器數據跳變較大或數據丟失的情況，說明光纖光柵傳感技術能夠滿足引水隧洞的監測環境需求。此外，通過實際監測數據分析和人工檢驗，驗證了以光纖光柵傳感技術為核心的監測系統的有效性和可靠性，為今后水利工程項目中引水隧洞的結構健康監測手段提供借鑒。□