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1、光纤光栅传感器在长距离引水隧洞工程的应用摘要：目前，国内水利工程中的长距离引水隧洞较多，传统的振弦式和差阻 式等监测仪器已很难满足长距离引水隧洞安全监测的需求。结合珠江三角洲水资 源配置工程，针对利用盾构施工技术的长距离引水隧洞远距离传输工程，其部分 安全监测采用光纤光栅传感新技术，介绍了光纤光栅传感器的特点以及现场实施 要点，工程应用效果良好，成果表明光纤光栅仪器能满足长隧洞监测的需要。关键词：引水隧洞；盾构施工；光纤光栅传感器；监测；应用1、工程概况珠江三角洲水资源配置工程安全某标段由干线高新沙水库至沙溪高位水池段（范围为GS8+215.465（含）沙溪高位水池）组成。主要建筑物包括：输水
2、干 线隧洞段（桩号GS8+215.465GS28+091.945）、1段钢管外包混凝土埋管（桩 号GS28+091.945GS28+339.155）、1座沙溪高位水池、1座沙溪分水口量水间; 检修或渗漏排水井、基坑等。1.盾构区间隧洞内管片仪器布置及埋设2. 1仪器布置输水干线隧洞段设计共布设监测断面13个，其中一般监测断面3个，每个 断面安装2支振弦式渗压计、 2支振弦式土压力计、 7支振弦式测缝计及7支光 纤光栅螺栓应力计；传统的振弦式综合监测断面7个，每个断面安装2支振弦式 渗压计、 3支振弦式钢筋计、 7支振弦式测缝计及7支光纤光栅螺栓应力计；光 纤光栅综合监测断面3个，每个断面安装2
3、支光纤光栅渗压计、 3支光纤光栅钢筋计、7 支光纤光栅测缝计及 7支光纤光栅螺栓应力计，采用仪器均为光纤光栅传感器，详见图2-1.12。.凉TJTBN_IM-Jfr：ln-J啊rr*图 2-1.1 一般监测断面盾构管片衬砌环监测布置图3JTirijiw-iIJI-IWn-?IJ4-JISII-2MJ傅祝克*J射XiH思底曜申护图 2-1.2 综合监测断面盾构管片衬砌环监测布置图2.2 安装埋设1）光纤光栅钢筋计安装在钢筋笼绑扎时,钢筋计应连接在指定的受力钢筋并保持在同-轴线上，受力 钢筋的绑扎接头应距仪器 1.5m 以上。钢筋计的连接可采用坡口焊或螺纹连接,如 采用坡口焊，焊接时及焊接后，应在
4、仪器部位浇水冷却，使仪器温度不超过60C, 但不得在焊缝处浇水。连接后应进行检测,接头应满足钢筋的强度要求。仪器线 缆应沿钢筋用尼龙扎线绑扎好引至管片（安装测缝计）预留凹槽内保护,避免管片 混凝土振捣时损坏仪器尾缆。2）光纤光栅渗压计安装安装在管片外侧的渗压计，在管片预制前根据渗压计尺寸制作好渗压计安装 不锈钢套筒部件，在预制衬砌管片时预埋渗压计不锈钢套筒,用于衬砌管片拼接 完成后安装衬砌管片外侧的渗压计。渗压计在管片壁后注浆完成后即安装渗压计， 渗压计透水端应穿过管片外弧面20cm,避免管片的壁后注浆封堵渗压计透水端头。 渗压计不锈钢套筒和渗压计安装完成后应做好封堵止水措施，以确保不会出现内
5、 外水连通的现象。3）光纤光栅测缝计安装测缝计应垂直于管片接缝面安装。在预制衬砌管片时,根据测缝计安装位置 在两块相邻管片预留凹槽，具体尺寸根据仪器安装要求及安装完成后仪器部分不 外凸的原则确定。在预制衬砌管片时，在管片内安装固定测缝计的锚杆,避免后 期在管片上钻孔安装锚杆对管片产生破坏。在管片拼装完成后,对沟槽内外露钢 筋进行除锈及涂抹防腐层后再安装采用土工布包裹的测缝计，并考虑采用保护盒 对测缝计和尾缆进行密封保护。4）光纤光栅螺栓应力计安装确定拟安装螺栓应力计的螺栓，在螺栓安装前，对螺栓进行刻槽并安装螺栓 应力计。螺栓应力计和尾缆出线安装槽尺寸：宽度3mm深度3mm，螺栓应力计尾 缆穿过
6、螺母出线孔的尺寸：3mm。引线不能超出螺栓的外弧面，防止螺栓拧紧 时直接破坏引线。刻槽的槽内保证光滑，严禁有楞刺等不规整槽型。螺栓应力计 的封装应在监测仪器设备厂家进行，螺栓安装过程中应注意对螺栓应力计和尾缆 做好保护。3、FBG传感器工作原理光纤光栅传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块 长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10100线/毫米。由 光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。比电Jttt当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的 周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量
7、物理量 变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱 导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。4、FBG传感器关联性FBG多个传感器之间可以实现串联或并联，要根据采集模块的波长范围解调 能力，制定好每支FBG传感器的波长范围,避免在一个回路中波长重叠。传感器定 制时应考虑尾缆预留的长度，尾缆之间应直接串联或并联,避免熔接头过多光损 过大。利用分路器对FBG仪器进行并联，分路器保护盒为抗压防潮型。FBG仪器 光纤并接均在分路器保护盒内进行，串联或并联仪器数量一般为3支，不宜多于 4支，仪器波长均需做好标记。光缆的最小允许弯曲半径应不小于其外径的25倍
8、且应符合厂家规定。在光纤连接过程中，需随时对线路质量进行测试,发现下列 情况，应及时检查并排除故障：采用OTDR检测，在1550nm测试波长条件下，线路 出现断线、较大光损耗点（1dB）或者平均损耗（熔接点除外）0.3dB/km；采用便 携式光纤光栅解调仪检测，传感器光谱能量15dB或者串联的相邻传感器（连接距 离小于1km）之间光谱能量差值1dB。5、光纤光栅解调仪目前采用南智的光纤光栅解调仪NZS-FBG-A03,是一款便携式双通道光纤光 栅解调仪器，尤其适合于工程现场移动采集光纤光栅波长信息。该系统集成光纤 光栅波长和光谱数据采集、存储与显示功能于一体,具有操作简便、界面简洁、 响应快速
9、、轻便易携、防水防尘等特点。FBG 传感器主要是靠改变光栅的折射率,再通过解调仪把对应的反射光解调 出来。当 FBG 传感器测量外界的温度、压力或应力时,光栅自身的栅距发生变化 从而引起反射波长的变化,解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度、压 力或应力。其实光纤光栅传感器的重点在光纤光栅解调仪的性能。6、光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种,基于光纤光栅的传感过程是通过外 界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调 制型光纤传感器。相比传统的电容差阻式、振弦式等传感器,光纤光栅传感器具 有独特的优势。（1）抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比
10、光波低许多，所以在光纤中传输 的光信号不受电磁干扰的影响。（2）耐腐蚀,化学性能稳定:由于制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定 性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。（3）电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电 源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。（4）体积小、重量轻,几何形状可塑。（5）传输损耗小：可实现远距离遥控监测。（6）传输容量大：可实现多点分布式测量。（7）测量范围广：可测量温度、压强、应力应变、液位、位移、加速度等。7、结束语随着盾构隧洞施工技术的进步，全断面盾构机在隧洞施工中的广泛应用，水 利工程跨流域、跨行政区域的引水隧洞长度越来越
11、长，如珠江三角洲水资源配置 工程输水线路总长113.1千米，是迄今为止广东省历史上投资额最大、输水线路 最长、受水区域最广的水资源调配工程。传统的电容差阻式、振弦式等类型传感 器等传感器很难满足长距离引水隧洞安全监测的需求，光纤光栅仪器在珠江三角 洲水资源配置工程长距离引水隧洞监测中的普遍应用，结果表明光纤光栅仪器完 全能满足长隧洞监测的需要，引水隧洞经过的区域往往远离居民区，电源的供给 信号的传输、抗电磁干扰等因素增加相应的投入，应用光纤光栅仪器可以解决很 多困难，可减少工程的投资，减少运行维护的成本，采用光纤光栅传感器进行监 测是一种有效的方法。在工程应用的可行性,经济性,为长隧洞远距离传输工程 的安全监测提供一种解决方案,为工程安全监测提供一种新技术、新思路。参考文献：1 GB 50446-2017 盾构法隧道施工及验收规范.2 SL764-2018 水工隧洞安全监测技术规范.3 李川，张以谟，赵永贵等光纤光栅：原理、技术与传感应用M.北京：科学出版社，2005.161-174.4 钟江 光纤光栅监测仪器在长隧洞远距离传输工程中的应用J,甘肃水 利水电技术2009，45（12）：30-335 张法耐高温光纤光栅传感器的研究D.大连：大连理工大学，2007:19-
