FBG传感器在隧道离心模型试验中的应用

(长安大学 陕西 西安 710064)

一、引言

土工离心模型试验通过施加在模型上的离心力，使模型的容积变大，能够还原工程实体中的应力及应变状态，因而在岩土工程、隧道工程等领域中得到了广泛的应用。数据采集系统是离心模型试验测试系统中的关键设备，它是试验研究人员获得试验数据的主要手段，也是反映离心模型试验系统水平、试验能力的一个标志[1]。由于试验过程中离心机高速旋转，对试验数据采集有较大扰动。同时,温度变化、转臂振动等因素，也对试验数据的精度有不利影响。因此在传感器选择时，应尽量选择抗干扰强的传感器。近年来，以光栅布拉格光栅传感器(FBG)为代表的光栅传感技术兴起，目前已在土木工程领域中等到了广泛的应用。黄广龙等[2]将FBG传感器运用于深基坑钢筋混凝土支撑的应变监测中，得到了基坑开挖过程支撑结构应变变化曲线，与振弦式钢筋计的监测曲线趋势相同，并通过温度补偿，其测值更符合实际。任亮等[3]在大坝模型试验中用FBG传感器测结构物受地震作用产生的残余应变及峰值应变，从而准确地监测到大坝内部的变形情况，对大坝的防震性能进行评价。

二、光栅光纤传感器原理

对于布拉格光栅，在光源入射光纤时，其会反射包含特定波长的光线，并且反射的中心波长满足以下条件:

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB代表的是反射光中心波长，其一般情况下为1510～1590nm；neff为光纤纤芯的有效折射率；Λ为光纤光栅传感器的光栅周长(栅距)。

从式(1)得到，反射光峰值波长由光纤纤芯的有效折射率和光纤光栅传感器的光栅周长共同决定。应变和温度是可以直接引起Λ变化的两个物理量，从而造成反射光中心波长产生漂移。光栅受到拉伸时，或者其受热膨胀时，λB将增大；光栅受到压缩时，或者其受冷收缩时，λB将减小。FBG传感器的中心波长漂移量ΔλB可表示为：

(2)

式中：KT-温度场变化的敏感度系数，Kε-应变变化的敏感度系数，ΔT-环境温度的变化值，Δε-应变的变化值[4]。

则应变为：

(3)

三、隧道离心模型试验

根据模型试验相似理论，本次离心模型试验相似比n=90，对应的离心加速度为90g。选用模型箱尺寸为0.7m×0.4m×0.5m(长×宽×高)，可以模拟63m×36m×45m的原型面积。由于按相似比缩尺后隧道模型厚度在毫米级，不能用原材料制作，因此盾构隧道模型采用有机玻璃制成，由于其弹模参数与原型管片不同，因此按照变形等效原则计算，最终地铁隧道模型外径为80mm、厚度为5mm，隧道模型纵向布置，预留传感器布线位置，取长度为330mm。

基于工程实际情况，地下水位上升引起的基底湿陷，地铁隧道中管道出水、地铁隧道汇水效应引起的上覆湿陷，均会对地铁结构产生变形影响。在隧道中间位置布置监测断面A，横向半幅非均匀湿陷时，通过隧道拱顶及仰拱沿隧身方向均匀布置的各6个普通电阻应变传感器的测量值差异，进行隧身纵向弯矩计算。在每个应变监测点，均会布置相应的FBG传感器，将其测量值与普通电阻应变传感器做对比。

光纤光栅传感器中的光栅部分是在去除了保护层及涂敷层的裸纤上刻制而成的，极其脆弱，弯折时易损坏[5]。在隧道离心模型试验过程中，需多次埋入、挖出贴有FBG传感器的隧道模型，因此需采用粘贴封装方法，对FBG传感器进行封装保护。由于隧道模型较小，为了便于固定位置，首先需刻槽，然后将裸FBG贴于槽内，再涂抹环氧树脂胶保护。

四、试验结果分析

通过光纤光栅解调技术获取反射光中心波长，将不同时间的测量值与初始值相减，然后进行温度补偿计算，可以得到FBG传感器应变引起中心波长的变化规律。图1所示为基底横向半幅湿陷时，拱顶、拱底测线各FBG测点的中心波长变化规律。可以看出中心波长变化规律稳定，趋势明显，未出现较大离散的数据，说明FBG传感器的系统误差较小，测试数据稳定，测试效果理想。

图1 传感器中心波长漂移规律图

如图2所示，将基底横向半幅浸水工况下拱底各测点的FBG监测值与普通电阻式应变片监测值进行对比。可以看出,FBG传感器与应变片的监测结果呈现相同的变化趋势，随着基底横向半幅浸水高度的加大，隧道所受的应变值也不断变大，浸水侧各测点应变值出现大幅度变化，并且在浸水高度达到150mm(原型13.5m)时应变变化最为显著。说明隧道基底发生横向不均匀浸水湿陷时，会引起基底不均匀沉降，导致隧道底部呈现受压状态。

从图2可以看出，应变片的监测数据虽然呈现出相同的变化规律，但是数据不稳定，出现较大波动，而FBG传感器的监测数据则较稳定，不存在数据波动现象。因为FBG传感器是通过光信号实现数据传输的，不受电磁场干扰，具有良好的稳定性及抗干扰性。

图2 基底横向半幅浸水拱底应变值

五、结论

通过地铁隧道离心模型试验表明，FBG传感器能够在离心模型试验中进行隧道结构的应变监测。与传统电阻式应变传感器比较，FBG传感器抗干扰能力强、精度高，系统误差较小，测试数据稳定，测试效果理想，具有良好的应用价值。

【参考文献】

[1]南京水利科学研究院.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]黄广龙,张枫,徐洪钟,陈贵.FBG传感器在深基坑支撑应变监测中的应用[J].岩土工程学报,2008,(S1):436-440.

[3]任亮.光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用[D].大连理工大学,2008.

[4]魏广庆,施斌,胡盛,李科,殷建华.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,(04):571-576.

[5]马豪豪,刘保健,翁效林,姚贝贝.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,(S2):185-190.