FBG应变计在引水隧道二次衬砌安全监测中的应用与研究

潘恒飞，杨　庆，周克明，丁 勇，钱亚俊，张明东

（1.南京理工大学，江苏南京，210094；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.南京水利科学研究院，江苏南京，210029）



FBG应变计在引水隧道二次衬砌安全监测中的应用与研究

潘恒飞1，杨庆2，周克明2，丁 勇1，钱亚俊3，张明东1

（1.南京理工大学，江苏南京，210094；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.南京水利科学研究院，江苏南京，210029）

二次衬砌结构裂化是影响隧道健康的主要病害，传统监测仪器受限于引水隧道的长距离等特点，现引入一种埋入式FBG应变传感器，并应用于某引水隧道，提出了具体的布设方案，通过传感器、解调仪等构建了安全监测系统。应变监测成果与类似工程基本一致，表明了FBG传感器在引水隧道二次衬砌结构安全监测过程中的可行性以及优越性。

FBG；应变传感器；引水隧道；二次衬砌；监测

0　引言

随着我国经济的发展以及《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的颁布，目前我国引水隧道的建设正处于一个如火如荼的阶段。二次衬砌［1］结构的裂化是影响引水隧道健康运营的主要病害，主要表现为侵限、掉块、渗透水等，不仅影响隧道的美观，还会威胁隧道使用的稳定性与安全性，甚至诱发其他病害，最终直接缩短隧道的使用寿命。因此加强对其二次衬砌结构的健康监测［2］显得尤为重要。

传统的岩土工程监测仪器是差动电阻式、振弦式等电式传感器。引水隧道有距离长、后期检修受限于交通等特点，一般的电式传感器长距离检测时，传输信号会大幅度衰减乃至无法采集数据，此外电式传感器还受磁场、酸碱等环境的影响。FBG（Fiber Bragg Grating）［3-6］传感器是继电测传感器之后的新型传感器，它以光波为载体，光纤为媒介，具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点，以上优势使其在21世纪传感器研究领域成为热点。

简述了FBG应变计监测原理，针对某引水隧道长距离、设计耐水压高的特点，严格控制FBG应变计的主要技术指标，合理布设FBG应变计及其尾缆，提高了仪器存活率。通过传感器、解调仪等构建的安全监测系统，实现了对该引水隧道二次衬砌结构应变的长期、稳定和实时的监测。经过数据处理与分析，观测成果与类似项目基本一致，验证了FBG传感器在引水隧道二次衬砌结构安全监测过程中的可行性以及优越性。

1　FBG监测原理

FBG是衍射光栅的发展，当一束光进入FBG时，根据光栅理论，在满足Bragg条件的情况下会发生全反射，其反射光谱在Bragg波长处显示波峰值。被反射的波长称为Bragg波长，满足光纤光栅的Bragg方程式。

其中，λB是反射波长；neff是光纤光栅的有效折射率，仅与光纤材质本身有关；Λ为光栅的栅距。而当光栅周期发生变化时，反射波长λB会发生漂移，在光纤的弹性范围内，反射波长的漂移量△λB与应变呈线性相关，只要根据波长的漂移量即可得到应变的变化量。

2　工程应用

2.1工程概况

某引水隧道长达300 km，设计压力0.85 MPa。主要选取本标段29个断面中的两个断面——断面1与断面2作为研究对象。断面1的中心破碎带宽约40 m，断层物质主要为断层泥、构造碎裂岩及构造片岩等，其中断层宽约5 m，两侧分布扁豆体、构造片岩及构造碎裂岩。扁豆体一般为20～50 cm长，厚度不超过5 cm，构造碎裂岩多为碎裂结构，胶结较差。断面2的围岩岩性以安山岩、火山角砾岩、角砾熔岩及岩屑凝灰岩为主，岩体完整性差，断层穿越规模相对较大，宽约40～50 m，主要由构造碎裂岩、构造片岩及断层泥组成，对围岩稳定影响较大。选取断面的围岩均为IV类围岩，一般拱部无支护时，可产生较大的坍塌，而二次衬砌结构在新奥法施工中，作为与围岩等共同承担支护工作的结构，此时二次衬砌的健康情况直接影响隧道的安全性与稳定性，因此对二次衬砌的变形进行监测十分重要。

2.2FBG应变传感器及其布设

针对该引水隧道设计耐水压高的特点，采用的埋入式FBG应变计的尾缆为铠装防水型尾缆，传感器通过超真空溅射工艺实现无胶封装，从而在光纤表面形成致密、附着良好的金属层，该工艺很好地提高了仪器的精度与稳定性。主要技术指标为：量程：±1 500 με；精度：≤0.5%FS；分辨率：0.1%FS；工作温度：-30～+80℃。采用的光纤光栅解调仪技术指标为：通道数为24个；波长范围≥40 nm；FBG带宽≤0.3nm；分辨率为0.1pm；工作温度为-25～ 50℃。监测过程中，直接与FBG传感器响应的参数是应变与温度。监测过程中为采集应变数据，FBG应变计通过恒温水浴实验得到的温补系数来消除温度对应变光栅的影响。

本项目引水隧道设计耐水压高，其断面形式采取有利于水流条件的圆形断面。根据有限元建模分析，选取0°、顶拱、180°、仰拱四个关键点监测二次衬砌混凝土的应变，见图1（左起水平虚线处为0°）。两个断面布设仪器位置大体一致，共布设34 支FBG传感器，其中8支FBG应变计。仪器布设时，将FBG应变计固定在二次衬砌结构的环向钢筋之间，不仅保证FBG应变计与混凝土协调变形，还大大减少了FBG应变计在浇筑过程中因振捣可能造成的仪器挠动，提高了存活率。传感尾缆采用PE管保护并沿钢筋布设，PE管沿敷设方向保持平顺，由断面顶拱部分别沿顺时针与逆时针两个方向引到断面仰拱部，用尼龙扎带与主筋固定，绑扎间隔0.5～1.0 m，对重点部位、易损坏部位抹刷环氧树脂。施工过程中采用PE管保护不仅有效保护了引水隧道的水质，还减小了尾缆受损的可能性。为了方便施工期观测且避免大型车辆碾压仪器尾缆等形式的破坏，浇筑前在仰拱部预埋一个木箱，见图2，仪器尾缆全部固定在木箱内，避免尾缆弯折的风险，待主光缆铺设后，将尾缆取出，通过接续盒将尾缆与主光缆对接。从施工后期监测数据的稳定性与准确性以及监测仪器100%的完好率来看，该施工工艺是切实、可行、有效的。

图1　FBG应变计Fig.1 FBG strain sensor

图2　保护尾缆木箱图Fig.2 The wooden case used to protect the optical fiber ends

2.3安全监测系统

本工作的安全监测系统见图3。感知层主光缆与每个仪器尾缆通过接续盒对接；网络层部分，先将光缆接到监控室的光开关柜机中，接着从光开关柜机中引出光纤跳线接入到信号解调仪中，然后用网线连接信号解调仪与中央处理计算机，最后通过互联网传输数据；应用层部分，可以通过无线路由器等形式实现在区域内数据共享与最大化的应用。这样集感知层、网络层与应用层三位一体的应变系统能够真实、及时、长期、稳定、具体地反映该隧道二次衬砌结构的受力变形情况，有助于更好地掌握隧道二次衬砌结构的变形规律。

图3　安全监测系统图Fig.3 Structure of the monitoring system

2.4数据处理与分析

二次衬砌安全监测过程中，FBG应变计的计算公式如下：

式中，λ1为FBG应变计测试的应变波长值，单位nm；λ0为初始应变波长值，单位nm；λt1为温度栅波长，单位nm；λt0为温度栅初始波长，单位nm；Kt为温度传感系数，单位℃/nm；Kω为热敏系数，单位℃/nm；K为应变灵敏度系数，单位με/nm。

选取断面1、断面2共8个埋入式FBG应变计进行监测，通过数据处理和分析，断面1和断面2的应变-时间图如图4、图5所示。监测结果如表1所示。

断面1的二次衬砌结构于2014年7月17日开始浇筑，7月19日开始第一次测量，选取第四次（7 月20日）测量值为初始值。该断面4支应变计的变化规律明显，从2014年7月20日～2015年3月9日监测过程中，4支应变计受到的压应变逐渐增大，仰拱部位的应变计相对其他3支应变计变幅最大，3 月9日压应变达到最大值167.3 με，属正常范围内，该断面处的二次衬砌结构在3月9日之后因升温受到的压应变逐渐减小，并且仍有减小的趋势。

图4　断面1应变-时间图Fig.4 Strain-time curve of the cross section 1

图5　断面2应变-时间图Fig.5 Strain-time curve of the cross section 2

表1　监测断面应变情况统计表Table 1 Statistics of strain of monitoring sections

断面2的二次衬砌结构于2014年11月28日开始浇筑，11月29日开始第一次测量，选取第六次（11月30日）测量值为初始值。该断面的4支应变计的变化规律明显，从2015年1月21日～2015年3 月3日监测期间，4支应变计受到的压应变逐渐趋于平稳。0°部位的应变计相对其他3支应变计变幅最大，在3月3日压应变达到最大值137.8 με。由于该断面靠近隧道支洞洞口，受升温影响，该断面处的二次衬砌结构在3月22日之后压应变逐渐减小，并且仍有减小的趋势。

巡视过程中检查二次衬砌，没有发现表面裂缝，通过现场检测与监测数据的分析对比，观测成果与类似工程［7］基本吻合，证明了该仪器应用于引水隧道二次衬砌结构安全监测中的可行性。

3　结语

（1）某长距离引水隧道采用埋入式FBG应变计进行二次衬砌的应变监测，埋设仪器完好率为100%，表明采取FBG应变计按照一定的埋设方法、尾缆用PE管保护后，能适应长隧道工况、实现设计的监测目的。

（2）FBG应变计监测成果能真实反映衬砌混凝土应变情况，稳定性好、耐腐蚀、抗干扰能力强，在引水隧道二次衬砌的安全监测中发挥了重要作用。

（3）FBG应变计的成功应用，表明了传感器、解调仪等构建的安全监测系统的长期稳定性良好，验证了其在长距离引水隧道工程运行期监测中的可行性，在大型水利工程、长距离引水隧道工程安全监测中将会有广泛的应用前景。

［1］毛江鸿，何勇，金伟良.基于分布式传感光纤的隧道二次衬砌全寿命应力监测方法［J］.中国公路学报，2011，24（2）：77-82.

［2］丁勇，施斌，隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术［J］.防灾减灾工程学报，2005，25（4）：375-380.

［3］张晨，李川，由静.布拉格光栅传感器应用实例［J］.微计算机信息，2008，（25）：204-205.

［4］姜德生，梁磊，南秋明.光纤Bragg光栅传感特性的实验研究［J］.传感器技术，2003，22（7）：7-9.

［5］温立志，张戌社.光纤FBG光栅传感测试技术研究及其应用［J］.石家庄铁道学院学报，2004，17（4）：71-74.

［6］赵星光，邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（3）：587-593.

［7］魏广庆，施斌.FBG在隧道施工监测中的应用及关键问题探讨［J］.岩土工程学报，2009，31（4）：571-576.

Cracking of secondary lining structure is a major disease affecting the health of tunnel.As the traditional monitoring instrument is constrained to the long distance and other characteristics of diversion tunnel，this paper introduces an embedded FBG strain sensor applied.The layout program is put forward and the safety monitoring system is established by sensors and demodulators.After long-term monitoring，data processing and analysis，the result shows that data curves are consistent with the actual stress.Further，the feasibility and advantage of application of FBG sensor in safety monitoring of the secondary lining of diversion tunnel are proved.

FBG；strain sensor；diversion tunnel；secondary lining；monitoring

TP212

B

1671-1092（2016）02-0011-03

2015-05-29；

2015-06-06

水利科技推广项目（TG1412）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金：Y915010，Y314003

潘恒飞（1990-），男，江苏扬州人，南京理工大学硕士，土木工程专业。

作者邮箱：374403589@qq.com

Title：Application of FBG strain sensor in safety monitoring of the secondary lining of diversion tunnel// by PAN Heng-fei，YANG Qing，ZHOU Ke-ming，DING Yong，QIAN Ya-jun and ZHANG Ming-dong// Nanjing University of Science and Technology