光纤光栅传感器在隧洞裂缝实时监测中的应用

王 嵩 田振华

(1.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.北京中水科工程总公司，北京 100048)

光纤光栅传感器在隧洞裂缝实时监测中的应用

王 嵩1田振华2,3

(1.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.北京中水科工程总公司，北京 100048)

光纤光栅传感器以其信号传输距离长、串联组网便捷、实时动态监测、抗干扰强等特点，在岩土工程尤其是隧洞工程中应用速度较快。本文结合隧洞裂缝实时监测，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，为隧洞等长距离工程安全监测提供参考。

光纤光栅传感器；隧洞裂缝；组网；实时监测

1 概 述

隧洞施工技术进步飞快，隧洞工程对地面影响较小，在各工程领域应用越来越广泛。对于水利工程而言，水资源紧缺，水的价值备受瞩目。各行政区域的调水工程层出不穷，在空间上使得水资源配置越来越合理。大到南水北调工程，小到各省市调水工程，如吉林供水工程、大伙房水库供水工程等，隧洞长达数十公里，甚至百余公里。同时，隧洞工程位于地下，带有衬砌等防护结构，有效地保证了调水过程中的水质和水量。

隧洞混凝土衬砌为薄壁结构，受围岩约束、水化热温升、养护等影响，易产生较大的温度应力[1]，出现表面裂缝、干缩裂缝甚至贯穿性裂缝。对于过水隧洞而言，贯穿性裂缝对结构安全的影响是致命的；表面裂缝和浅层裂缝在长期高水头力学和水化学作用下，极易造成裂缝发展并导致钢筋锈蚀，降低衬砌结构的强度、刚度、稳定性、耐久性，并可能形成渗流通道，造成水资源浪费并危及结构安全。同时，水工隧洞又属于地下隐蔽工程，一旦出现裂缝，修复处理工作难度大，因而危害极大[2]。因此对隧洞衬砌初期和裂缝产生时期进行实时监测很有必要。

差动电阻式、振弦式等传统的岩土工程仪器的电信号在超过2km的电缆传输中精度降低明显，对于长达数公里的隧洞而言无法正常采集数据。光纤光栅传感器可以解决在此类项目中长距离信号传输问题，经过近十多年发展，封装、解调设备，现场应用等技术日趋成熟，结合解调仪进行实时监测的频率可到秒级，在岩土工程上得到逐步应用[3]。本文以大伙房水工隧洞工程为依托，进行了隧洞衬砌混凝土裂缝监测设计，并对混凝土应力应变、温度、结构缝开度等物理量进行了实时监测。通过实际监测数据了解隧洞衬砌混凝土受力特点，并进一步分析衬砌裂缝原因。

2 光纤光栅传感器介绍

2.1 传感器原理

光纤光栅是利用紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯，满足布拉格衍射条件的入射光在光栅处被反射，其他波长的光全部穿过而不受影响，反射光谱在FBG中心波长处出现峰值，光谱图和布拉格光栅如图1所示。纤芯的折射率发生周期性变化，从而在单模光纤的纤芯内形成永久性空间相位光栅，实现被测结构应变和温度的绝对测量，反射的中心波长可表示为

(1)

式中neff——光纤纤芯有效折射率；

Λ——光栅的栅距(每个写入光栅之间的距离，也称光栅周期)。

除光栅区域的应变变化引起波长漂移外，温度的变化对其也有一定影响，二者共同引起的ΔλB为

(2)

式中P11，P12——单模光纤的弹光系数；

υ——光纤材料的泊松比；

α，ζ——光纤光栅的热膨胀系数和热光系数；

ΔT——温度变化量。

图1 光纤光栅传感器原理

2.2 光纤光栅传感器类型和优点

常用的光纤光栅传感器类型与一般差阻式和振弦式传感器类似，主要有位移计、测缝计、渗压计、应变计、钢筋计、温度计等。光纤光栅传感器包含应变和温度两个测值因子，传感器内部封装应变和温度两个光栅。一个光栅处于自由状态，用来测量环境温度，即温度光栅；另一个光栅通过特定的方式与周围结构同步变形，即应变光栅。应变光栅的波长扣除温度光栅的波长变化量即为结构物变形引起的光栅变形影响。如果光纤光栅应变计内部没有温度光栅，则不适合在引水工程中应用。

光纤光栅传感器一般采用G.652标准单模纤芯，直径为8～10μm，单模光纤传输距离较多模光纤更长，理论传输距离可达50km。一般光纤光栅传感器工作波长为1310nm和1550nm。由于1550nm光纤衰减因数很小，在相同光功率下，1550nm波长的光传输距离大于1310nm波长的光，因此，1550nm光纤光栅传感器在水利工程上应用较广。

与传统差阻式和振弦式传感器相比，光纤光栅传感器具有以下几个优点：ⓐ集传感和传输于一体，可对大型基础工程实现远程自动化监测；ⓑ一根光纤上可写入多个不同波长的光栅，可对工程结构的应力、应变、温度等参数进行全方位、实时准分布式监测；ⓒ测量信号不受光的波动、系统与光源功率和连接损耗等因素的影响，稳定性好；ⓓ光纤光栅传感器是非金属绝缘材料，能够抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等；ⓔ体积小、质量小，便于铺设安装。

2.3 光纤光栅传感器组网方式

光纤光栅传感器一般采用双端(首、尾)出纤方式，双端均可通信测量；其中一端尾纤因折断、污染等不能正常工作时，另一端尾纤可代替测量。光纤光栅与光纤之间存在良好的兼容性，根据工程实际情况，一般采用串联和并联两种方式组网。大多数光纤光栅传感器工作波长在1520～1570nm窗口范围内，因此组网过程中特别要注意避免各传感器量程范围内的波长重叠，一旦发生重叠，解调仪将不能收到重叠传感器的反射光，造成该传感器的数据无法读取，因此串并联光纤光栅传感器的数量一般不超过6个。光纤光栅传感器串联波长分布如图2所示。

图2 光纤光栅传感器串联波长分布1-应变波长区；2-缓冲区；3-温度波长区；4-缓冲区

2.3.1 串联

串联主要指各传感器尾纤首尾相连组成一条通路的组网方式，如图3所示。

图3 多个光纤光栅传感器串联

2.3.2 并联

一端出纤的光纤光栅传感器如渗压计，可以用耦合器将多个渗压计并联后接入解调仪，系统结构如图4所示。

图4 多个光纤光栅渗压计并联

3 隧洞衬砌裂缝监测设计

3.1 工程概况

隧洞全长16km，断面为马蹄形，成洞洞径为6.0m。根据围岩分类，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类围岩衬砌厚度分别为70cm、60cm、50cm。洞室衬砌混凝土采用二级配，等级为C35W12F200。采用钢模台车浇筑衬砌，每仓12m，跳仓浇筑，拆模时间24h。

3.2 监测设计

隧洞衬砌裂缝监测施工布置L1、L2两个监测断面，共计36支监测仪器。仪器全部采用光纤光栅式传感器，其中，钢筋计16支，应变计8支，无应力计2支，表面裂缝计4支，埋入式裂缝计4支，埋入式测缝计2支。钢筋计监测衬砌内钢筋应力，主要布置在边墙、拱顶和拱肩位置，沿环向和洞轴线方向各布置1支；应变计及无应力计用于监测衬砌混凝土应力应变，应变计与钢筋计位置相同，沿环向布置；表面裂缝计用于监测衬砌混凝土表面裂缝开合程度，裂缝出现后垂直裂缝方向安装；埋入式裂缝计用于监测衬砌混凝土与围岩结合的变化程度，位于顶拱和拱肩；埋入式测缝计用于监测衬砌混凝土施工分缝的变化情况，位于两仓之间，距离底板1.5m。隧洞衬砌裂缝监测仪器布置情况如图5所示。

图5 隧洞衬砌裂缝监测仪器布置示意图R—钢筋计；S—应变计；N—无应力计；J—表面裂缝计；JI—测缝计

监测断面内的传感器采用分组串联的方式组网，如图5所示，传感器主要集中在①～④四处位置，每处位置为一组进行串联(要特别注意：传感器订购前必须对要串联的传感器波长进行分段，确保量程范围内无重叠)。四组传感器与一根8芯主光缆相连，连接处必须采用防水光纤接续盒保护，防止进水或其他物质污染光纤，通过主光缆引至洞外观测房内。主光缆连接跳线接入解调仪，从而实现自动化实时监测，采集频次1次/h。

4 隧洞衬砌裂缝监测成果分析

2015年5月27日开始安装埋设仪器，并实现自动化实时监测。经对已衬砌洞段裂缝情况查看，各隧洞段已衬砌混凝土大部分裂缝为环向裂缝，且大部分位于仓位中段，呈规律性分布；裂缝多分布于边顶拱范围，长度12～15m，小部分为半侧裂缝，长度约2～6m；裂缝宽度0.1～1.5mm，大部分环向裂缝为贯穿性裂缝，有渗水或钙质析出；裂缝最早出现时间在混凝土浇筑结束后约15天前后，与监测数据分析结果基本一致。隧洞衬砌各测点监测成果过程线如图6～图14所示。

图6 隧洞衬砌L1断面混凝土温度过程线

图7 隧洞衬砌L2断面混凝土温度过程线

图8 隧洞L1断面衬砌混凝土应变-时间过程线

图9 隧洞L2断面衬砌混凝土应变-时间过程线

图10 隧洞L1断面衬砌钢筋应力-时间过程线

图11 隧洞L2断面衬砌钢筋应力-时间过程线

图12 隧洞衬砌混凝土与围岩缝开合度-时间过程线

图13 隧洞混凝土表面裂缝开合度-时间过程线

图14 隧洞衬砌混凝土施工缝开合度-时间过程线

监测成果表明：

a.实时监测完美地捕捉到最高温升，为衬砌混凝土温控分析提供了准确的依据。如表1和表2所列，隧洞衬砌浇筑时环境温度在14℃左右，混凝土入仓温度在25℃左右，混凝土浇筑后24h以内达到最高温度，L1断面最高温度35℃，L2断面最高温度40℃。混凝土降温主要发生在最高温升后7天内，降温幅度达20℃，衬砌混凝土散热时长约1个月，之后混凝土温度基本稳定，主要受环境温度影响。目前混凝土温度在11℃左右，与环境温度基本一致。

表1 隧洞衬砌L1断面混凝土温度观测成果

表2 隧洞衬砌L2断面混凝土温度观测成果

b.从应变计和无应力计监测结果来看，衬砌混凝土呈收缩状态，主要收缩量发生在混凝土浇筑后2个月以内，混凝土自生体积变形受温度影响最大。混凝土收缩过程中受周边约束影响，混凝土以受拉为主，总体应变较小，主要受温度影响。

c.混凝土钢筋应力以受拉为主，总体钢筋应力较小，与混凝土应变变化规律基本一致，最大值与混凝土应变最大值在同一位置，且方向一致。

d.围岩与衬砌混凝土结合缝以及施工缝呈张开状态，主要发生在混凝土浇筑后1个月内，与混凝土无应力应变监测成果一致。目前最大开合度为1.07mm，发生L1断面(桩号：D191+424.000)顶拱的位置，目前总体趋势相对稳定。

e.混凝土表面裂缝开合度总体趋势变小，裂缝出现后无明显扩展，目前处于稳定状态；裂缝出现时间与混凝土应变计最大拉应变出现时间基本一致。

5 结 语

与传统差阻式和振弦式传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰，频带宽，重复性好，多个光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等优点，有效地解决了长隧洞安全监测信号传输问题；数据采样频率较高，可进行实时动态监测，能对上百摄氏度高温的沥青混凝土进行温度监测。

该工程传感器成活率100%，测值精度和准确性满足监测设计要求，环境适应能力较强，工程应用效果良好。但光纤光栅传感器与传统传感器相比仍存在测值稳定性稍差的缺点，仪器偏脆弱，对仪器安装技术人员要求较高。

[1] 张素磊.隧洞衬砌结构健康诊断及技术状况评定研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2] 李财辉.水工隧洞衬砌混凝土裂缝的防治及处理[J].福建建材，2013(11)：67-68.

[3] 范光亚，何勇军，李宏恩,等.超长输水隧洞多种类传感器信息通讯方式探讨[C].杭州:2013年全国大坝安全监测技术与应用学术交流会，2013:1-5.

Application of FBG Sensor in the Real-time Monitoring of Tunnel Crack

WANG Song1, TIAN Zhenhua2,3

(1.LiaoningNorthwestWaterSupplyLimitedLiabilityCompany,Shenyang110003,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100048,China; 3.BeijingIWHRCorporation,Beijing100048,China)

The FBG sensor has the rapid application speed in geotechnical engineering, especially in tunnel engineering with the characteristic of long transmission distance of signal, speedy cascade networking, real-time dynamic monitoring, and strong anti-interference. The article introduces characteristic of FBG sensor and the field conducting main points by combining tunnel crack real-time monitoring. The engineering has a good application effect and provide reference for long distance engineering safety monitoring like tunnel and so on.

FBG sensor; tunnel crack; networking; real-time monitoring

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.009

TV698.1

B

1673- 8241(2017)03- 0029- 05