FBG傳感技術在隧道健康監測中的應用

陳 德 志

(孝昌縣公路管理局，湖北 孝昌 432900)

FBG傳感技術在隧道健康監測中的應用

陳 德 志

(孝昌縣公路管理局，湖北 孝昌 432900)

針對隧道傳統健康監測的現狀及局限性，提出了布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術，并對該技術在隧道健康監測中的應用方法進行了闡述，指出FBG具有靈敏性高、電絕緣性好、抗老化能力強等優點。

光纖光柵，隧道，健康監測，優點

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，大量的隧道工程建設和投入運營。隧道的安全和穩定關系到交通運輸是否安全和通暢，其安全和健康的狀態始終是人們關注的重點。由于技術不成熟，判斷隧道的安全狀態具有很大的隨意性。建立一套完整科學的健康監測技術來判斷隧道的健康狀況是一個非常嚴峻的課題。通過采用布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術在新奧法施工隧道的健康監測中成功應用，為隧道健康監測提供了一個新方向。

1 傳統健康監測的現狀及局限性

隧道的健康監測是土木工程的新興課題，也是工程健康研究的一個新方向。現行的隧道健康監測主要集中在結構位移、應力應變、溫度、震動、沉降等。傳統的健康監測方法存在很多局限性。傳統監測技術速度慢、效率低，需要專門的操作人員，自動化程度不高。同時，隧道工程條件比較復雜，傳感器對溫度、濕度、電磁場和其他環境因素敏感，常因傳感器和儀器設備受潮、生銹而失效。

由于監測系統的集成化程度不高，對于長大隧道，傳統的技術一般無法監測。

由于現代光學、電子、通訊和計算機技術的發展，布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術彌補了傳統健康監測的缺點，成為隧道健康監測的新寵。它實現了自動遠程監測、全天候、自動化的遠程監控。

2 布拉格光纖光柵(FBG)傳感器的優點

光纖傳感技術是最近幾年才發展起來的尖端監測技術。光纖傳感比傳統傳感方式有較多優點，如抗電磁干擾能力高、測量數據的精度和靈敏度高等。另外，傳感器體積小還具有防水、抗腐蝕、耐久性好等特點，這些特點讓它適合于結構的長期監控。布拉格光纖光柵傳感器具有傳統光纖傳感器的一切優點，同時它還具有：1)較高的靈敏性，FBG的波長與溫度呈現良好的線性關系，在1 550 nm處其波長變化的典型值0.01 nm/℃，0.3 nm/100 MPa，0.001 nm/微應變。2)電絕緣性好，抗電磁波的干擾。作為傳感器，對外界信號的過濾非常重要，車輛溫度，激振會產生較多贅余信號。抗干擾能力保證了信號的準確性，同時，光纖信號衰減率低，可用于10 km以上的隧道健康監測。3)具有較強的抗老化能力。FBG在適當的暴露環境和退火條件下工作周期大于25年。4)FBG傳感器的體積小易埋設且具有很強的復用性。正是基于以上特點，布拉格光纖光柵傳感技術被廣泛應用于測量工程結構的應變、溫度、位移、沉降、壓力等重要參數。例如，瑞士聯邦材料測試和研究實驗室將FBG光纖光柵傳感器安裝于薩爾甘斯隧道中，用于監測隧道的健康狀況；美國海軍光纖智能結構中心研制了針對公路橋梁的FBG動態監測傳感器。

3 布拉格光纖光柵(FBG)技術的應用

隧道的新奧法施工在我國非常普遍，新奧法施工的隧道支承結構以錨噴支護和模筑混凝土為主。其結構的監控量測一般僅在開挖后才對圍巖或支護的穩定性進行監測。監測的主要作用還是保證施工的安全。但公路隧道地質結構、環境、設計和施工有眾多缺陷，影響其健康狀況的因素眾多。在運行后，由于缺少有效的監測方法，隧道內部的圍巖應力、結構材料的老化銹蝕等物理量的變化無從判斷，容易造成無征兆的突發事件，如垮塌。

新奧法施工隧道過程中引入了布拉格光纖光柵(FBG)技術后，可以在隧道的整個生命周期監測隧道的健康狀況。主要通過測量隧道圍巖變形、圍巖內部位移、隧道周邊位移、圍巖壓力及兩層支護間壓力、支護和襯砌內應力、表面應力及裂縫測量、錨桿或錨索受力、鋼支撐內力及外力等等。并把這些數據通過云計算比較，分析隧道在每個階段的應力、應變、位移的變化來推測隧道承載能力。同時，通過布設的傳感信號了解隧道二次襯砌的潮濕情況，酸堿度狀況。

隧道光纖光柵健康監測一覽表見表1。

表1 隧道光纖光柵健康監測一覽表

4 結語

布拉格光纖光柵(FBG)技術的運用成功的測量隧道在生命周期中二次襯砌、初期襯砌及襯砌后巖石的變形應力的變化關系，準確的了解各部分結構承載情況，根據承載情況采取進一步措施。這些監測數據是隧道健康評價的強有力證據及隧道進行分級維護的基礎。布拉格光纖光柵(FBG)技術避免了長期以來用外觀監測評價隧道狀況的缺陷，為隧道健康監測提供一個新方向。

[1] JTG 042—94,公路隧道施工技術規范[S].

Application of FBG sensor technology in tunnel health monitoring

Chen Dezhi

(XiaochangBureauofHighwayAdministration,Xiaochang432900,China)

In light of traditional tunnel health monitoring status and limits, the paper puts forward FBG sensor technology, describes its application methods in tunnel health monitoring, and finally points out the merits of FBG sensor technology, such as high sensitivity, good electrical insulating property, and strong anti-aging capacity and so on.

FBG(Fiber Bragg Grating), tunnel, health monitoring, merits

2015-06-07

陳德志(1977- )，男，工程師

1009-6825(2015)23-0152-02

U456

A