隧道锚杆轴力光纤光栅量测技术研究

崔志方

(河南中原高速公路股份有限公司，河南郑州 410000)

伴随着近代光纤及通信技术的发展，光纤传感技术逐步发展起来［1］。与传统电传感技术相比，以光纤体作为传导信息的载体，使其在传输信号过程中，抗电磁干扰能力强，灵敏度增强，耐久性及响应性都好，且体积小，适用环境范围大。目前，光纤光栅技术在许多的工程领域得到运用［1-4］。

光纤光栅实际上只是一段纤芯经过特殊激光处理后具有折射率周期性变化的纤体结构［5-7］。当光栅周期和传播常数满足式(1)：

其中，Λ为光栅周期;β为传播常数。

光纤光栅在传输信息过程中始终存在一个反射峰值波长，用λB表示：

其中，neff为有效折射率;Λ为光栅传射过程周期。

故反射峰值波长受光栅传射周期和有效折射率决定影响，两方面参数的改变直接影响反射波长λB的大小。基于光纤光栅制作的传感器，将有一定带宽的光入射到光纤光栅中，符合条件的光被反射回来，再通过调解装置测量波长的变化。当被测量例如应变或者温度参数改变时，光栅材料的栅距会相应产生变化，从而最终导致反射波长改变。借助分析反射波长的变化即可得出所测得参数的变化过程。例如测量应变时，当光栅受到外力产生应变，光栅栅距产生变化ΔΛ，由式(2)得：

则应变为：

1 测试传感器制作过程

目前研制仪器设备的最大测量距离为80 km，应变测量范围为-15 000 με～+15 000 με，光栅传感器对应变、温度检测精度可达到1 με和0.1℃。距离分解度可达0.1 m，应变的测量精度达±30 με，能满足工程的测试要求。在实体监测过程中，通过在测体表面铺设或者内部埋设，对测体相关变形、健康状况进行实时监控。另外，可以通过串联多个光纤光栅传感器制作传感网络，对测体开展准分布式检测，也可以通过远程控制对传感信号进行获取和分析。

锚杆杆体直径为22 mm，长度为3 500 mm，锚杆间距为1 000 mm×1 000 mm。经过计算，满足相似定律的锚杆直径为1.5 mm，长度为70 mm，采用焊锡替代原材料。为了适应模型粗放式制作过程，试验中自行设计了光纤光栅传感器的封装方法。试验结束后传感器的存活率达到90%，证实了该封装方法的可行性。现场锚杆工序一般为钻孔、插入锚杆、注浆后固定。这一过程在模型试验中难以实现，所以在模型制作过程中先放入锚杆。具体步骤如下：首先制作围岩，当围岩达到锚杆设计位置时，采用2倍锚杆直径的铁丝形成锚杆空洞，然后放入锚杆并注浆，注浆经过计算采用水膏比为1∶1的石膏。

2 工程实例

2.1 工程概况

某隧道围岩以Ⅲ级～Ⅴ级为主，围岩较差。按照新奥法理论，隧道设计是一种动态设计，施工图基本是一种预设计，需在掘进过程中根据已开挖段揭露的围岩地质水文状况、支护稳定情况不断对开挖支护参数进行调整。故需要在隧道施工过程中对锚杆轴向受力进行监控量测。

2.2 测试结果

根据某拱脚处锚杆的轴力测试资料，得出它的时程曲线如图1所示。由图1可知：布设在隧道拱脚处、边墙和墙脚的锚杆基本上呈受拉状态，随着隧道施工过程推进，掌子面向前延伸的过程中，杆拉力呈现逐渐增加趋势，但经过一段时间围岩调整变形逐渐趋于稳定，从而可以肯定系统锚杆在破碎围岩稳定过程中发挥了锚固作用。由图1可以看出，位于拱脚位置的锚杆1的压力值最大，同时墙脚位置的锚杆受拉也比较明显，说明锁脚锚杆在整个系统锚杆中的作用很重要，锁脚位置锚杆的施工质量应是施工过程中的控制节点。由于施工过程不当或者操作不规范，锚杆没有径向打设，致使锚杆倾斜过大，部分系统锚杆处于受压状态，没有起到悬吊作用。

图1 某断面锚杆轴力受力—时间曲线图

3 结语

光纤光栅传感器不仅克服了传统传感器服役周期短，难以克服监测环境恶劣等缺点，而且其具有结构简单、可靠性好、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、复用能力强、稳定性好、高精度等优点，可以解决工程实体监测难题。将光纤光栅技术运用隧道锚杆轴力的量测，测试结果可靠，具有一定的代表性。

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