高水头长隧洞中FBG传感器应用的几个问题

叶 红，王 嵩，周克明

（1.福建水利电力职业技术学院,福建永安,366000；2.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁沈阳，110069；3.南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；4.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；）

高水头长隧洞中FBG传感器应用的几个问题

叶 红1，王 嵩2，周克明3，4

（1.福建水利电力职业技术学院,福建永安,366000；2.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁沈阳，110069；3.南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；4.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；）

高水头、长隧洞的安全监测有其特殊性，针对该类项目的安全监测设计、仪器埋设，提出监测项目应包括内外水压力、衬砌温度等，对监测仪器的埋设安装时间、方法、引出尾缆的保护措施、锚杆应力计及测缝计的出缆方式提出了一些改进建议，在工程中成功应用，这些措施和方法可供设计、科研等相关单位参考。

高水头；长隧洞；安全监测；FBG；安装；施工期；保护

0 前言

随着全球气候变暖以及经济社会发展，地区性资源型缺水、水质型缺水愈加明显。规划或建设中的引水工程，隧洞引水方式越来越多，出现了很多长距离、高水头、大埋深的隧洞工程。沈阳大伙房引水工程建成的隧洞长86 km，引汉济渭工程中有长77 km的隧洞，这些项目对工程安全监测的仪器、设计、施工埋设方法都提出了新的课题。

受传感器原理所限，应用于岩土工程的振弦式、差阻式等常规安全监测仪器的信号传输距离一般不能超过2 km，且有一定的绝缘度要求。在有压隧洞的中部不能设置测站，常规仪器无法适应长距离隧洞工程的应用环境。基于光纤光栅的FBG传感器信号传输距离能到几十公里[1]，在隧洞工程永久监测中逐步得到应用，因隧洞水头高、距离长的特点以及施工空间小、衬砌逐段施工等因素的影响，其埋设方法、保护措施需作相应的改进。

1 FBG传感器概述

基于布拉格光栅的FGB仪器（Fiber Bragg Grat⁃ing）是常用的光纤光栅传感器，其内部的敏感部件FBG类似于波长选择反射器，满足布拉格衍射条件的入射光经过布拉格光栅，被光栅反射成为反射光，其余部分光将穿过光栅成为透射光，反射光的波长与栅距Λ成正比，其原理如图1所示。

图1 布拉格光栅工作原理Fig.1 Working principle of the Fiber Bragg Grating

自从1978年Hill等制作出世界上第一个光纤布拉格光栅，1989年Mendez等首先提出把光纤光栅传感器用于混凝土结构检测，2000年左右，我国开展这方面的研究工作[2]。光纤光栅传感器是一种无源器件，无绝缘要求、耐腐蚀、抗电磁干扰，在信号长距离传输、波分复用构建准分布式传感网络等方面具有明显的优势，近年来已形成系列化，如岩土工程中常用的应变计、渗压计、锚杆应力计/钢筋计、温度计、测缝计等。

2 高水头长隧洞安全监测应用分析

隧洞的安全监测设计与施工需结合地质情况、水流形式、施工方式、断面形状、衬砌方式等因素综合考虑。按照断面的水流形态，隧洞分为有压隧洞或无压隧洞。隧洞开挖方式通常有钻爆法、TBM施工等，断面形状有圆形、方圆形（城门洞形）、马蹄形、高壁拱形、方形等五类。有压隧洞一般采用圆形断面，内水压不大时也有马蹄形或方圆形断面形式，一般根据项目所在地的地质、施工和运用条件等决定。隧洞支护主要包括锚喷、衬砌及组合三种支护形式。衬砌施工有全断面一次性完成或仰拱顶拱分步施工。据不完全统计[3]，有压隧洞洞径一般在4～13 m左右，衬砌厚度为0.5～1.0 m左右，局部可能更薄。

2.1 隧洞安全监测设计应考虑的几个方面

隧洞的安全监测项目一般包括内外水压力、锚杆应力、衬砌应力应变计、接缝及温度等项目，有压隧洞典型安全监测断面如图2所示。对有压隧洞应考虑内水压力的监测，重视外水压力、温度的监测。

图2 典型监测断面仪器布置Fig.2 Arrangement of monitoring instruments on typical moni⁃toring section

有压隧洞安全监测应包括内水压力。对有压隧洞而言，内水压力变化速率是隧洞运行期主要控制指标之一。隧洞静水压力是指静水线以下至衬砌内缘顶部的距离，浪涌压力是指静水线以上至隧洞压力坡线的距离，两者共同构成隧洞的均匀内水压力。《水工设计手册》指出，有压隧洞充水过程中，隧洞的内水压力变化率不应大于10 m/h，排水过程中内水压力变化率为2～4 m/h[3]。隧洞的内水压力变化速度将影响隧洞内外水压力差，其值越大对衬砌的安全影响越大。隧洞设计时，其内水压力根据隧洞进、出口特征水位，结合隧洞各种运行工况，按可能出现的最大内水压力（包括动水压力）确定[3]，应设专门的渗压计监测。对有压隧洞来说，渗压计安装部位应与隧洞表面平整，避免出现冲击破坏或负压空蚀。

隧洞应设外水压力监测项目。外水压力与围岩性质、断层破碎带的情况、节理裂隙的发育程度、地下水的补给、衬砌混凝土的施工质量及其与围岩的结合情况等相关。项目设计阶段，衬砌的外水压力一般参考实测地勘资料，考虑一定的折减系数确定[3]，但隧洞运行后可能引起地下水位变化，隧洞真正的外水压力应埋设渗压计取得。外水压力监测的渗压计一般位于混凝土衬砌与围岩接触面四周，有时为了解围岩内的渗流场，在围岩深处也会钻孔埋设渗压计，如图2所示。

温度变化、混凝土的自身体积变形等对衬砌内部应力有影响，因此，需要测量衬砌及围岩内部的温度。冬季温度降低使衬砌半径缩小，围岩洞壁半径增大，因而衬砌产生拉应力。混凝土固结时的收缩相当于降温，混凝土在水中的膨胀相当于升温，一般假设两者相互抵消，一并忽略不计，但在分析施工阶段的衬砌内力时，仍考虑混凝土收缩的影响。

2.2 高水头长隧洞安装FBG传感器应考虑的几个问题

隧洞施工时，空间小、距离长，隧洞投运后水流状态有无压型或有压型，安全监测仪器的埋设安装要结合隧洞的施工、形状综合考虑。

2.2.1安装时间

锚杆应力计一般在混凝土衬砌浇筑之前安装完成，即在喷锚支护后与邻近部位锚杆同步安装。现场应用经验表明，在隧洞分层钻爆开挖施工时，用废旧汽车轮胎保护锚杆应力计引出尾缆并悬挂在孔壁上是一种简单有效的措施。

衬砌内监测仪器的安装时间应根据衬砌施工的进度。混凝土衬砌的支护常用模板台车，衬砌内部空间有限，模板台车就位后施工人员一般无法进入作业面，因此衬砌内的应变计、钢筋计等应该在模板台车就位前安装完成，监测仪器的引出尾缆穿管保护，待模板台车就位，混凝土浇筑时旁站跟踪。

现场安装经验表明，渗压计在衬砌混凝土浇筑前钻孔安装比较合适，即固结灌浆完成后绑扎钢筋前完成钻孔，模板台车就位前完成安装。一般而言，为避免渗压计端部的透水石堵死，渗压计安装应在衬砌回填灌浆后进行，此时引出尾缆只能在衬砌表面明线敷设，长期水流冲刷，很难保证其长期可靠工作，因此宜在衬砌混凝土浇筑时埋设渗压计。隧洞回填灌浆的压力标准值一般为0.2～0.5 MPa，混凝土衬砌一般只需顶拱回填灌浆，以消除混凝土浇筑期间形成的顶拱与围岩之间的间隙，回填灌浆对在混凝土衬砌浇筑前埋设渗压计的监测影响有限。

2.2.2对一些仪器的改进措施

锚杆应力计、测缝计改为单侧出缆的方式有利于现场安装。光纤光栅锚杆应力计、测缝计等仪器一般分别从两端引出一根尾缆，以方便读数以及串联。锚杆应力计安装时，首先在围岩内按设计位置钻孔，将锚杆应力计与锚杆按设计要求焊接组装，然后将其推入钻孔内，因此内侧尾缆不得不在孔内改变方向引到孔口。孔内有时需要同时放入灌浆管或排气管，有效空间更小，如果控制不好尾缆在孔内调头的半径，将导致较大的光损，甚至折断，造成该侧尾缆无法正常使用。因此，仪器安装时保护好内侧尾缆是非常重要的工序。光纤光栅锚杆应力计将两端出缆改为一端引出尾缆，将尾缆在仪器内部调头，可以较好地控制光缆的拐弯半径，并将其维持不变。现场应用表明，这种方式的改进可以有效降低安装难度并保证安装质量。

测缝计安装在围岩与衬砌之间，以了解两者是否脱开。安装时，需要将测缝计的一端埋设在围岩内，一端埋设在混凝土衬砌内。一般光纤光栅测缝计与锚杆应力计一样两端分别出缆，则安装时不得不将一侧尾缆在围岩内调头，难度加大。与光纤光栅锚杆应力计一样，测缝计改为两根尾缆都从一侧引出，可以很好地解决这问题。

光纤光栅应变计、钢筋计等仪器应有测温功能。光纤光栅传感器的波长受应变、温度交叉敏感，混凝土浇筑后随着水化热的散发，温度快速升高，随后逐步降低，温度的变化对应变波长影响较大。因此，光纤光栅仪器在岩土工程中应用时，应测量环境温度以扣除其对应变波长的影响。有些厂家的光纤光栅应变计、钢筋计等内部不带测温光栅，可以在外部串接一个单独的温度计，解决这个问题。

2.2.3尾缆保护

优质的光纤光栅仪器是监测系统成功应用的前提，尾缆、主干光缆等通讯线路的完善保护是保证。监测断面的传感器引出尾缆一般引到仰拱部位集中，然后用串联或通过分路器连接主干光缆接入解调仪。因此，光缆线路的保护包括两部分，第一部分是监测断面到解调仪之间的主干光缆，第二部分是光纤光栅仪器引出尾缆到观测断面集中处，需要采用相应的保护方式。

主干光缆宜采用预留光缆沟方式保护。运行期间，高水头有压隧洞整个断面充满有压水流，一般流速在2～5 m/s[3]，为避免高压、带杂物的水流冲击破坏，主干光缆一般不能以明线方式敷设，只能埋设在衬砌混凝土之内。为降低光缆线路光损，提高监测系统的可靠性，从监测断面到测站处的解调仪尽量要采用整根光缆，对长距离隧洞项目，主干光缆长度往往有数公里甚至数十公里之长。混凝土衬砌施工一般按10～15 m长逐仓进行，如果直接在衬砌内逐仓埋设主干光缆，狭小的空间内各种施工材料、设备、粗放式施工将增加风险，也无法保证主干光缆埋设后的质量。如图3隧洞剖面中所示，在仰拱部位预留光缆沟，在衬砌施工完成后套管埋设主干光缆，再进行二期混凝土浇筑是一种合适的施工方法。

监测断面上各监测仪器引出尾缆应穿管保护。监测断面处传感器引出尾缆的保护要结合断面衬砌方式进行。衬砌全断面施工时，可以将各个监测仪器的尾缆穿管保护后引到统一部位，保护管能维持一定的拐弯半径，保证尾缆在管内平稳过渡，从而降低光损，提高系统的可靠性。PE管沿衬砌内的环向钢筋敷设，建议保护管与钢筋之间采用尼龙扎带绑扎而不用细铁丝，以避免浇筑混凝土时模板台车震动破坏保护管及内部的尾缆。

对有压隧洞，监测断面仰拱部位宜预埋木箱临时保护尾缆。每个监测断面一般安装有多个内部监测仪器，一个断面按照5个应变计、8个钢筋计、4个渗压计考虑，则将有30根尾缆引出，这么多尾缆在混凝土衬砌浇筑期间的保护且确保测量端部的FC/APC端子的清洁，有一定的难度。将测量端子引入预埋在仰拱部位的木箱，用土工布或膨胀泡沫封堵密封，在模板台车移走后揭出木箱，就可以有效解决尾缆在该部位的保护问题。后期施工时，主干光缆与断面监测仪器尾缆熔接时的断面接线保护盒，可以安装在前期预留的空间内再回填混凝土。

设临时引出尾缆进行基准值的测量。按照规范要求，内部观测频次为[4]：观测仪器埋入混凝土后，24 h内，1次/4 h；第2～3 d，1次/8 h；第4～7 d，1次/12 h；第7～14 d，1次/24 h；之后按1次/周～1次/月施工期测次要求进行数据采集。有压隧洞一般采用圆形断面，衬砌混凝土施工常用模板台车支护全断面、分仓浇筑。按照规范要求，钢筋计、应变计等埋入混凝土12～24 h后的测值作为初始值[5]。当监测断面的仪器引出尾缆在仰拱部位预埋木箱保护后，混凝土衬砌浇筑期间无法进行数据采集，直至3～4d后模板台车移走才能正常进行，往往错过初始值的测量。此时，如果将各监测仪器的尾缆首尾用法兰相接或用分路器连接，再通过少量的临时尾缆从木箱敷设至仓面外，如图3所示，就可以按照规范进行混凝土浇筑期间的数据采集，正常采集到监测仪器的基准值。

图3 监测断面传感器尾缆保护Fig.3 Protection of opticalcable on the monitoring section

2.3.FBG应用时应考虑的其他问题

传感器在设计或订货时应考虑将来的组网问题。FBG传感器可以串联或并联构建准分布式传感网络，进一步减少数据采集系统中光纤光栅解调仪的使用数量，从而降低系统造价。串联或用分路器并联的FBG传感器阵列包含多个传感光栅，光纤光栅解调仪通过反射光波长“寻址”每一个光栅，因此传感器阵列中波长应该具有唯一性，即解调仪的一个通道中的FBG传感器波长不能重复[6]。因此，在安全监测设计或传感器订货时，需要明确每个FBG传感器的中心波长值以及将来的组网方式。

目前，关于光纤光栅传感器在岩土工程中应用的相关标准尚未颁发，在项目实施的过程中，可以参考振弦式传感器的同类仪器标准。按照规程，安全监测仪器在水利工程中使用都需要通过水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的检验，生产许可证的颁发需有相关仪器的标准，监测仪器运抵工程现场后需要进行相关检测，也要根据相应标准比较，以判断其是否符合相关标准要求。现场应用表明，光纤光栅仪器的力学性能测试基本能达到同类振弦式仪器的标准要求。

3 结语

高水头、长距离隧洞的引水工程安全监测中，相对于传统电式传感器，光纤光栅传感器的信号长距离传输、波分复用技术优势更为明显。对有压隧洞，内水压力的变化速率是高水头隧洞主要荷载之一，衬砌及围岩温度影响着两者是否有脱开的风险，因此安全监测设计应重视这类监测项目的设置。锚杆应力计、测缝计单侧出缆的改进可简化安装，还可提高监测仪器的埋设完好率。高水头、长距离隧洞仰拱部位预留沟以方便主干光缆敷设，隧洞全断面衬砌施工时，在仰拱部位预埋木箱集中保护监测仪器的尾缆并引出临时尾缆进行施工期数据采集，可以避免基准值的缺失，这些改进措施可以有效地适应高水头、长距离隧洞安全监测的特点。

[1]钟江.光纤光栅监测仪器在长隧洞远距离传输工程中的应用[J].甘肃水利水电，2009，45(12):30-33.

[2]李宏男，任亮.结构健康监测光纤光栅传感器技术[M].北京：中国建筑出版社.2008.

[3]王仁坤，张春生.水工设计手册（第8卷)·水电站建筑物[M].北京：中国水利水电出版社.2013.

[4]中华人民共和国水利部.SL601-2013,混凝土坝安全监测技术规范[S].北京:中国水利水电出版社.2013.

[5]中华人民共和国水利部.SL531-2012,大坝安全监测仪器安装标准[S].北京:中国水利水电出版社.2012.

[6]周克明，杨建喜，钱亚俊.光纤光栅仪器在引水工程中的应用[J].水利信息化，2015(127):44-47.

作者邮箱：382842629@qq.com

Some issues in application of FBG sensors in long tunnel with high water pressure

by YE Hong, WANG Song and ZHOU Ke-ming Fujian College ofWater Conservancy and Electric Power

The safety monitoring oflong tunnelwith high water head has some specialcharacteristics.In its safety monitoring design and instrumentinstallation,monitoring items such as lining temperature,in⁃ternal and external water pressure should be included.In this paper,some improvement suggestions, namely time and method ofinstallation ofmonitoring instruments,the protection measures ofopticalca⁃ble as wellas the way for mooring cable ofanchor stress meter and the jointmeter,are putforward and are successfully applied in projects,which is worthy ofreference.

high water pressure;long tunnel;safety monitoring;FBG;installation;construction period; protection

TV698.1

A

1671-1092（2017）01-0025-04

2016-08-16

国家重点研发计划“水资源高效开发利用”——长距离复杂调水工程长效安全运行保障技术与示范（2016YFC0401809）

叶 红（1974－），女，福建永安人，高级实验师，研究方向为测绘及水工监测。