光纤Bragg光栅传感技术在隧道工程施工监测中的应用

刘 颖 龚新亚 朱仕虎

(1.无锡太湖学院土木工程系，214064，无锡 ;2.无锡南洋职业技术学院建筑工程系，214081，无锡∥第一作者，讲师，工程师)

地下工程施工对周围环境包括地面临近建筑物、道路、管道和既有地下工程的影响是地下空间开发利用所面临的关键问题。为确保施工安全，对地下工程的安全和稳定状态进行监测、评估和预测以趋利避害，已成为地下工程发展的迫切要求。地下工程监测目前广泛采用的常规监测技术和传统电传感器采集数据的方法，不仅监测范围小、效率低，且有限的测点难以反映目标系统的整体情况;同时，监测数据容易受到外界环境中各类不利因素的影响，无法保证数据的准确性与长期稳定性。

光纤Bragg 光栅(FBG)是20 世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，利用其可制成多种传感器，如温度、应变、应力、压强等传感器［1］。近年来，FBG 传感技术以其独特优势逐渐应用于结构、岩土等领域［1-7］，但多为长期健康监测，其在施工过程中的应用罕见。本文通过室内试验分析FBG 传感器的优势，并通过实际隧道工程施工的应用，为FBG 传感技术在地下工程施工监测中的推广应用提供一定的技术依据。

1 FBG传感器室内试验

在室内浇筑混凝土柱，经过标准养护后，在混凝土柱侧面相应位置粘贴FBG 应变传感器与电阻应变片，对比混凝土柱在轴心受压作用下，FBG 应变传感器与电阻应变片采集的变形数据，分析FBG 传感器的优势。

1.1 试验准备

钢筋混凝土立柱:构件尺寸为 300 mm ×300 mm ×1 000 mm ;混凝土强度为 C25，混凝土轴心抗压强度fc=16.7 N/mm2，混凝土截面面积Ac=90 000 mm2;纵向钢筋直径为10 mm，钢筋抗拉强度 f'y= 235 N/mm2，钢筋横截面积 AS=314 mm2。

光纤光栅传感器:标准量程为±1 500 με;测量精度为 ±1 με。其中 με 为微应变。

加载设备:万能伺服加载机。

分别在立柱的前后两侧面(A、B 面)中部粘贴FBG 传感器与应变片，如图1所示。

图1 测试元件布置图

1.2 试验方案

根据钢筋混凝土短柱的正截面承载能力计算式Nus=fcAc+f'yAs，得到立柱的承载能力标准值Nus=1 577 kN。

(1)弹性阶段测量。确定加载范围为0～500 kN，立柱处于弹性阶段，对立柱共进行二次加载并采用FBG 传感器采集数据。加载方式:共分5 级加载，加载速度5 kN/s;每级加载20 s，停顿20 s;加载至500 kN 后，平稳卸载至零。

(2)破坏阶段测量。确定加载范围为0～1 600 kN，整个试验过程一直加载至立柱破坏。加载方式:共分6 级加载，加载速度10 kN/s，每级加载30 s，停顿20 s;加载至1 500 kN后，一直加载至立柱破坏。

1.3 试验数据分析

图2、图3 分别为A、B 两个监测断面的混凝土立柱处于100～500 kN 弹性阶段时FBG 传感器、应变片的应变曲线。可以看出，FBG 传感器与应变片在加载过程中具有良好的一致性，在100～500 kN之间均保持良好的线性。

图4 为混凝土立柱A 侧面FBG 传感器3 次加载与应变测值曲线。3 次加载试验中，前2 次为弹性阶段重复加载，第3 次为破坏性加载试验。3 次加载试验数据表明，FBG 传感器具有良好的重复性。

对构件进行破坏性加载试验时发现，当对传感器加载到1 300 kN 时，光纤光栅传感器波长开始偏离线性而加剧变化，同时在混凝土块的上侧出现了微小裂痕，当加载到1 400 kN 时，波长急速下滑，而裂痕已相当明显。监测数据充分反应了被测结构的受力情况。

图2 FBG 应变传感器与应变片的应变对比曲线(A 面)

图3 FBG 应变传感器与应变片的应变对比曲线(B 面)

图4 FBG 应变传感器3 次加载过程应变曲线

2 FBG在隧道工程施工监测中的应用

为确保某通道工程的施工安全，采用FBG 传感技术对施工期间结构的内力及变形等进行实时监测。监测的主要对象包括基坑的轴力、已建地下通道施工裂缝、施工过程中结构沉降以及管片钢筋应变。具体的监测项目如表1所示。

表1 通道工程FBG 监测项目

2.1 通道北段基坑监测数据分析

通道北段基坑监测的主要内容是对基坑内混凝土支撑轴力进行监测。为了检测FBG 监测的效果，分别采用FBG 应变传感器和传统的振弦式钢筋计进行监测。FBG 传感器监测编号为G1、G2，振弦式钢筋计监测编号为C1、C2。监测结果如图5～图8所示。

图5 断面1 支撑轴力监测曲线

图6 断面2 支撑轴力监测曲线

由图5、图6 可以看出，基坑开挖后，支撑轴力随着开挖的进行而增大，在基坑底板浇筑后，支撑轴力有所减小，监测的数据与实际施工工况相吻合;FBG 传感器与传统振弦式传感器的监测数值较为接近，二者变化趋势基本一致。

由图7、图8 可以看出，两个传感器所测数据变化规律基本一致，表明监测的两根支撑的应变基本相同。

图7 断面1 左右钢筋FBG 传感器应变历时曲线

图8 断面2 左右钢筋FBG 传感器应变历时曲线

2.2 盾构推进期间已建地下通道结构监测数据分析

通道工程中盾构开挖的368～373 环间要下穿已建成的地下通道，为确保盾构安全推进，需及时掌握盾构推进期间已建地下通道的变化，主要的监测内容包括已建地下通道结构沉降变化及施工缝张开量的变化。

2.2.1 沉降监测数据分析

已建地下通道结构的沉降变化采用FBG 传感器静力水准系统进行监测。测点布置在施工缝两侧，共计6 个测点，编号为J0～J5。FBG 传感器静力水准系统以最东端的静力水准为基准点，基准点高程采用光学水准进行修正。具体的监测结果如图9、图 10所示。

图9 为盾构推进过程中，已建地下通道(人行地道)结构沉降断面变化情况。从监测数据分析，刀盘在地下通道结构下方时，地下通道结构变化平缓;刀头通过地下结构时，地下结构产生向上位移;穿过之后，地下结构逐步回落。

图9 盾构推进过程中已建地下通道沉降监测变化曲线

图10 盾构推进过程中已建地下通道沉降历时曲线

图 10 为 6月17日 00∶00—12∶00 盾构推进过程中，已建地下通道结构监测点的垂直位移变化情况。从图中可以看出，地下通道结构受到施工影响十分明显:当盾构推进施工时，地下结构即发生向上位移，在本环停止推进时，通道结构向上位移达到本环施工期间的最大值，在盾构暂时停止推进后，土体中压力消散，地下通道结构位移逐步回落;随着盾构接近地下通道结构，地下通道结构向上位移逐步增大。这显示了静力水准监测系统的实时监控的优越性，可实时提供施工对周边环境的影响数据，以指导施工，避免了普通水准观测最大变形的漏检。

2.2.2 施工缝宽度监测数据分析

已建地下通道施工缝张开量的变化采用FBG位移传感器进行监测。在地下通道的3 个施工缝分别布置 1 个测点，编号为 NH1～NH3。NH1、NH3 测点的监测结果如图11所示。图中，数据为“+”表示施工缝宽度增大，数据为“-”表示施工缝减小。从图11 可以看出，地下通道施工缝在整个盾构推进过程中，变化不大。

2.3 隧道管片结构内力监测数据分析

为及时掌握盾构施工过程中通道结构内力、位移等信息，对盾构隧道第374 环管片的钢筋内力进行监测。为了检验FBG 应变传感器的监测效果，在实际监测过程中分别采用预埋FBG 应变传感器及振弦式钢筋应力计进行监测。测点的布置见图12。监测结果如图13～图16。

图11 已建地下通道施工缝宽度变化历时曲线

图12 盾构管片监测元件布置图

图13～图16 分别为 374 环 L1、L2、B3 及 B5 管片中由钢筋测力计与FBG 应变传感器测出的钢筋应变曲线图。由于施工现场条件限制，传感器测读时的初值时间在管片拼装后有一定的滞后。从图13～图16 可以看出，374 环各管片的钢筋应变变化不大;钢筋测力计及FBG 传感器测得的应变发展规律基本相同。分析两种不同的传感器测值变化曲线可以看出，FBG 传感器曲线较为平缓且收敛，与工程实际情况相吻合，说明光纤传感器稳定性较好。

图13 374 环L1 块环片钢筋应变历时曲线

图14 374 环L2 块环片钢筋应变历时曲线

图15 374 环B3 块环片钢筋应变历时曲线

图16 374 环B5 块环片钢筋应变历时曲线

3 结 语

本文通过室内试验及FBG 传感技术在具体通道工程施工过程中的应用，得到以下结论:

(1)以FBG 为传感器的静力水准系统可实时自动化采集，大大提高监测数据的时效性，避免最大变形的漏检，充分体现了FBG 监测系统的优点。

(2)在支撑轴力及管片应力监测中，对FBG 传感器与传统振弦式钢筋计的测试数据进行比较，两者的测试结果有一定的符合性，但FBG 传感器表现了更好的稳定性和更高的灵敏度。由于在通道工程中传感器主要运用在施工期间，无法体现光纤光栅传感器的长期稳定性等优点。

［1］隋海波，施斌，张丹，等.边坡工程分布式光纤监测技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(2):3725.

［2］李焕强，孙红月，刘永莉，等.光纤传感技术在边坡模型试验中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(8):1703.

［3］胡宁.FBG 应变传感器在隧道长期健康监测中的应用［J］.交通科技，2009，234(3):91.

［4］葛捷.分布式布里渊光纤传感技术在海堤沉降监测中的应用［J］.岩土力学，2009，30(6):1856.

［5］马豪豪，刘保健，翁效林，等.光纤Bragg 光栅传感技术在隧道模型试验中应用［J］.岩土力 学，2012，33(增2):185.

［6］刘优平，吴文清，黎剑华，等.高等级公路软基沉降光纤光栅监测技术研究［J］.建筑科学，2013，29(9):21.

［7］苏胜昔，杨昌民，范喜安.光纤光栅传感技术在高速公路隧道围岩变形实时监测中的应用［J］.工程力学，2014，31(增):134.

［8］郭余根.基于长标距分布式布拉格光纤光栅(FBG)传感的地铁基坑施工监测［J］.城市轨道交通研究，2013(7):26.