基于光纤光栅传感技术的隧道锚杆轴力量测技术研究

高学伸

摘 要：将光纤光栅测试技术应用于隧道锚杆轴力的量测当中，研究并总结出裸光纤光栅封装方法、光纤光栅用于隧道锚杆轴力的方法、温度补偿方法、测管埋设方法等关键技术。

关键词：隧道工程；监控量测；光线光栅； 锚杆轴力；

0 引言

光纤传感技术是随着近代光纤及通信技术发展而逐步发展起来的一门崭新技术[1]。与传统的机电传感技术相比，光纤传感技术采用光作为信息的载体，用光纤作为传输信息的介质，因此具有不受电磁干扰、耐久性好、灵敏度高、响应快、体积小、适用温度环境范围大、可复用实现分布式测量等突出的优点，使其测量的对象十分广泛，可应用于许多工程领域[1]～ [4]。目前最常用的光纤传感技术有分布式光纤传感技术与光纤光栅传感技术[5]～ [6]。按照调制方式的不同，分布式光纤传感技术分为两种系统：分布式传光型光纤监测系统；依据信号的性质，该技术可分为：利用后向瑞利散射的传感技术；利用喇曼效应的传感技术；利用布里渊效应的传感技术；利用前向传输模耦合的传感技术。分布式传感型光纤传感系统或准分布式光纤传感系统和分布式光纤传感系统；光纤总线仅起传光作用，根据寻址方式不同，又可分为时分复用、波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。其中，时分复用、波分复用和空分复用技 术较成熟，复用的点数较多。而用FBG光纤光栅传感器可组成波分复用分布式光纤传感系统[7]。

利用布里渊效应的分布式光纤传感技术是目前应用较为广泛的测试技术之一[8]。测量原理为：脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至BOTDR的距离Z可以通过计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，理论上布里渊背散光谱为洛伦滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移νB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。

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 000με～+15 000 με，距离分解度可达0.1 m，应变的测量精度达± 30 με，能满工程的测试要求。与传统的监测技术相比，其特点主要有长距离分布式测量、高精度、耐久性好， 不需对光纤进行加工，不需要作特别保护，传输与传感于一体，测试费用低等；

FBG传感技术是目前应用较为广泛的光纤光栅传感技术之一。布拉格光栅是利用光纤的紫外敏感特性，在光纤的一段范围内沿光纤轴向写入可使纤芯折射率发生周期性变化的芯内体光栅，其长度一般为10 mm左右。当宽频激光源射入光纤中遇到光栅时，波长为 的光会被反射回来。

光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的健康情况.。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，也可以用计算机对传感信号进行远程控制。

1 光纤光栅传感器的制作

因为光纤光栅布设在岩体的外部，并不影响测斜仪的便用，这样就把两种测试技术有机地结合起来了。对于裸纤，光纤光栅的封装方法也是应用的关键技术，图1是锚杆轴力采用的光纤光栅封装方法，实践证明该方法安全、可靠、特别经济、可行，可推广使用。

仅对裸纤进行封装，只能构成测试元件，把封装后的光纤光栅与测斜率管结合起来才能构成传感系统，这也是一项关键技术，它的质量直接影响到测试成果的水平。以下的制作过程是尤其要注意的：首先将测斜管表面两个的凹槽用砂纸打磨，再用脱脂棉球沾酒精将打磨处擦洗干净，避免灰尘油污对表面的污染，然后将光纤穿入其中。在测斜管接头处有两个凸起与两个凹槽相对应，用来固定相连接的两个测斜管，应将凸起部分用工具去除，并用砂纸打磨光滑并清理，使光纤能从凹槽中顺利穿过。

2 工程实例

2.1 工程概况

某隧道围岩以Ⅲ～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，得出它的时程曲线分别如图所示。由图可知： 拱脚、边墙和墙脚锚杆大部分受拉，并且从时程曲线可以看出，在隧道开挖过程中锚杆拉力逐渐增大，经过一段时间的围岩变形以后，趋于稳定，说明系统锚杆在施工过程发挥了一定的作用。锚杆轴力的最大拉力值出现在拱脚位置（锚杆1），同时墙脚位置的锚杆受拉也比较明显，说明锁脚锚杆的在整个系统錨杆中的作用很重要，在施工时要特别注意锁脚位置锚杆的施工质量。系统锚杆中部分锚杆出现了受压，这可能是由于施工不当，锚杆没有径向打设，致使锚杆倾斜过大，而未能穿过松动圈锚固于高强度围岩中，导致锚杆受压力，没有起到悬吊作用。

3 结语

与传统监测方法相比，光纤光栅测试技术具有不受电磁干扰、耐久性好、灵敏度高、响应快、体积小、适用温度环境范围大、可复用实现分布式测量等突出的优点。但裸光纤光栅的封装技术、温度补偿技术、传感系统的埋设技术对施工工艺要求较高。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。

参考文献

[1] 李宏男，任亮 著.结构健康监测--光纤光栅传感技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]赵勇.光纤传感原理与应用技术[M].北京：.清华大学出版社，2007.