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1、1广州地铁小北站暗挖隧道 FBG 监测技术 研究摘 要 文章采用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对广州地铁五号线小北站暗挖区间隧道进行了监测研究,内容包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与分析,最后根据监测数据对隧道在开挖期间初期支护体的内力、温度及与围岩间相互作用关系进行了分析。研究表明,FBG 传感技术用于地下工程的监测十分可行,优势明显,应用前景十分广阔。关键词 暗挖隧道 FBG 监测1 前 言小北站是广州市轨道交通五号线的中间站,上承广州火车站,下接淘金站,为明、暗挖结合的三层分离岛式地铁车站。其站台层为控制钻爆法开挖的浅埋暗挖隧道,主体埋深 17.530.1m,
2、穿越地层主要为白垩系上统的风化泥质粉砂岩,局部进入第四系松散层。支护采用钢格栅挂钢筋网后喷混凝土,局部围岩松散段顶部采用小导管超前注浆加固支护,初期支护变形稳定后进行二次衬砌。站址位于环市中路下方,西临环市中路与下塘西路、小北路交叉口,周边环境复杂,需要对开挖引起的围岩变形进行严格控制。光纤传感技术为近十几年兴起的一门新型传感技术,其中以光纤布拉格光栅(FBG)传感器最为突出,自 1989 年 Morey 首次报道将光纤光栅用作传感器以来1,其以高精度、准分布、抗干扰及耐腐蚀等突出特点迅速被广泛地应用到航空航天器、土木工程、复合材料、石油电力等诸多领域的监测和测试中,取得了丰硕成果26。本文采
3、用该技术对小北站的站台层暗挖隧道初期支护体的应力、应变及温2度进行了监测,探讨了支护体与围岩间的相互作用规律,以便为下一步施工及围岩变形控制提供可靠依据。2 FBG 光纤技术简介光纤光栅分布在光纤体内,可由紫外光对光纤侧面进行曝光,使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布。布拉格光栅(FBG)属于短周期光纤光栅,其光纤光栅栅距 一般小于 1m,耦合发生在正向与反向传输的模式之间。当入射光波的波长 满足布拉格衍射条件时,则该波长的光波将沿来路发生反射,该反射光就是布拉格反射光,其关系式为:B=2neff(1)式中 BFBG 中心波长;neff有效纤芯的折射率;FBG 传感器光栅的栅距。当使用一个宽带
4、光源从 FBG 一端入射时,则波长满足(1)式的光波就会发生布拉格反射,而其余波长的光波仍然照常传播。通过式(1)可以看出,FBG 反射光中心波长 B 主要由光栅纤芯的有效折射率 neff 和光栅的栅距 确定。应变和温度能直接引起 FBG 中心波长产生漂移,其关系式可表达为:B=K+KTT(2)式中 K应变传感灵敏度系数;KT光纤光栅温度传感灵敏度系数。对于纤芯为纯石英的光纤情况 K 为 1pm/ 左右,KT 为 10pm/左右。但是,由于光纤材质的差异,写入工艺的差别和后期封装工艺的影响,FBG 的传感灵敏度会存在差异,因此 FBG 传感器实际应用前必须标定。FBG 采用波长编码参量信息,这
5、种特性不仅使系统免受噪声和功率波动的干扰,3也容易实现在同一根光纤的任意位置上写入不同中心波长的光栅, 利用波分复用(WDM)技术构成如图 1 所示的准分布式传感网络。3 仪器及传感器比选FBG 解调仪器的选择主要参考仪器的最大通道数、采集频率及便携性能。本次解调仪选用 MOI 公司生产的 SI425 系列高速光纤光栅传感分析仪,它具有性能稳定、精度高及具有抗震、防潮等优点,能适合地下工程环境下的监测。仪器的主要性能参数如表 1 所示。传感器共选择了三类 FBG 式传感器:温度传感器、混凝土应变传感器和钢筋应力计式传感器,分别用于测试混凝土的温度、应变及拱架上主筋的应力。传感器均为在现有的产品
6、基础上改进而成,主要参数如表 2 所示。产品在出厂之前进行了下面几项检验和测试:(1)检测光栅是否畅通,封装是否密封防水,测试各传感器自由状态下中心波长。(2)测试温度变化引起的波长变换值之间的比例系数。(3)做多次温度循环升降试验,测试封装传感器抗疲劳性。4 监测设计项目的监测对象为隧道开挖时的初期支护,监测内容主要围绕初期支护的内力展开,具体有以下监测项目:(1)初期支护喷混凝土的内部温度监测。(2)初期支护喷混凝土的应变监测。(3)初期支护钢拱架的主筋应力监测。4现场每个监测断面设计铺设 6 个 FBG 钢筋应力计传感器、2 个 FBG 混凝土应变计和 1 个 FBG 温度传感器,其中钢
7、筋应力计式传感器留有 2 个冗余。所有传感器只敷设在拱顶和边墙上,其中每个拱架的外侧(和围岩接触)焊接 2 个钢筋应力计,位置约在三分之一处;2 个混凝土应变计对称埋设在拱顶拱架中间;温度传感器直接放在边墙上。每个传感器的信号传输光纤都从熔接并从初期支护两侧引出后进行串联,整体布置情况如图 2 所示。5 传感器封装、设置及保护5.1 传感器连接封装传感器安装前必须将信号传输光纤连接上,并在末端熔接相应尾纤用于连接仪器。现场熔接前将 PU 管套在传感器留出的光纤外并将端部粘合在传感器上;将铠装套管套在信号传输光纤上,将套有套管的一端光纤剥离出与传感器进行熔接;熔接裸露出光纤的部位先用 PU 管进
8、行保护,再将粗套管移到两外套管上用胶密封固定。尾纤同样采用外套护套的方法进行接头处保护(图 3)。5.2 传感器安装和保护FBG 钢筋应力计传感器必须与钢筋联合为一体后才能进行测试,采用截断焊接介入法,该工作在地表完成。FBG 传感器的轴心要与待测钢筋的轴线在同一直线上,焊接时对传感器进行防高温保护。拱架安装固定后,FBG 混凝土应变计和 FBG 温度计直接绑在拱架的格栅上固定,对 FBG 钢筋应力计外裹上减震泡沫布来防止其在喷混凝土时被冲击破坏。安装结束后将所有传感器的信号传输光纤沿主筋从两侧引出,光纤捆绑和引出时不得出现过大弯曲,使其平滑过渡。55.3 外引光纤的保护各传感器信号传输光纤采
9、用了强度高的金属铠装光纤,对部分薄弱部位利用多层套管法进行保护,光纤引出初期支护后再通过法兰将各传感器按照先后顺序进行串联连接。根据不同阶段外引的光纤,进行不同形式的防爆破冲击和开挖机械破坏保护。6 监测成果分析本次现场测试自 2006 年 4 月 12 至 2006 年 7 月 5 日,共进行了 18 次测试,对于应变应力类传感器,根据温度测试值利用表进行温度补偿修正后根据公式(2)换算出应变变化值。钢筋应力计传感器监测到的轴力还需要进行轴力换算,其中钢筋 E值为 2.1105MPa,横截面面积为 0.45cm2。通过以上数据处理后的值作出了各传感器成果图(图 4)。监测结果表明,混凝土温度
10、变化主要发生在混凝土凝固前期,但由于地下水影响,其过程并未长期持续,很快趋稳于岩土环境温度(26.4,与当地年平均气温很为接近),稳定后并未随气温变化而波动;混凝土应变主要发生在混凝土凝固前期,张拉调整后压应变逐渐增大,并随着施工进程而发生波动(随着施工推进混凝土温度也逐渐趋向平稳),相对初期其变化值在-150 左右;拱架主筋的内力随着混凝土收缩和围岩作用而逐渐增加,表现为压力,变化主要发生在支护初期,并很快趋稳,受工程进程影响而发生相应的波动变化,整个过程中出现的最大轴力约为 30kN,趋稳后轴力在 15kN 左右。7 结论与展望(1)本次现场采用了传统传感元件的结构模式进行了封装,对传输光
11、纤采用了铠装或者多层套管法进行保护,并在安装过程中针对不同薄弱环节进行特别保护,将埋6设成活率提高到 90%左右。实践证明,本次研究采用的封装和保护方法实为有效。(2)监测数据表明,光纤传感器测试数据稳定、漂移小,历经三个月的地下水侵蚀,未出现因传感器腐蚀而破坏或数据大幅漂移现象。证明光纤传感器具耐腐蚀性,能够用于腐蚀环境下长期进行监测。(3)光纤传感器对应变和温度交叉感应,对于非恒温环境下的工程监测,其应变应力监测要做好温度的补偿和修正。采用温度独立测试后再对应变类传感器进行补偿的方法可行。(4)将优点各异的各种光纤传感器在地下工程中进行复合应用,是今后的研究重点之一,利用它们各自特点进行优
12、缺点互补,提高监测精度和效率,如分布式的BOTDR 光纤传感和高精度的 FBG 传感联合运用。随着该项技术研究及工程应用的深入,相信光纤传感技术会在地下工程监测中发扬光大。参考文献 1MoreyWW,MeltzG,GlennWH.FibreopticBragggratingsensorsJ.SPIE,1989,(11):98 107 2P.Moyo,J.M.W.Brownjohn,eta.lDevelopmentoffiberBragggratingsensorsformonitori ngcivilInfrastructureJ.Engineer-ingStructures,2005,(27
13、):18281834 3NicoleMetje,DavidN.Chapman,eta.lOpticalfibresensorsforremotemonitoringoftunnel displacements PrototypetestsinthelaboratoryJ.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2006,(2 1):4174周智,欧进萍.FBG 智能传感器及其在土木工程中的应用研究J.功能材料,2004,(增刊):1521565马锁柱.光纤传感技术在地下工程中的应用J.铁道工程学报,2006,92(2):67706张家坤,弓俊青等.光纤光栅传感技术在土木工程结构监测中的应用J.北方交通大学学报,2003,27(5):94977李川,张以谟等.光纤光栅原理技术与传感应用M.北京:科学出版社,2005
