基于光纤传感器地下隧洞工程结构应变监测

马崇玺

(甘肃山丹水利水电工程局有限责任公司，甘肃 张掖 734100)

1 工程概况

引洮工程最主要的建筑物是引水隧洞，其中16#隧洞最长，达到了20km，是该工程最具代表性的水工长引水隧洞之一。该工程整体地质条件复杂，且部分段落有地下水渗出，对混凝土和钢筋具有强腐蚀性[1]。因此隧洞开挖过程中，为保证施工安全需要对隧洞的围岩稳定性进行监测。目前国内在岩土工程安全监测中，普遍采用传统的电学量测技术。该技术受到工程建设条件和自身技术的限制，不能满足某些特定条件下的监测需求。近些年光纤传感技术发展迅速，可以实现长距离复杂环境的信号传输，因此在一些传统监测技术不便实行的地下工程等各种环境中，光纤技术使用较为广泛。虽然光纤传输拥有众多优点，但是国内工程光纤应用实例不多。该工程监测各断面分支光纤通过仪器连接组网后形成主支光纤，再由主支光纤将围岩稳定性信息实现长距离传输到接受仪器，工作人员便可以实现以光纤传感技术进行隧洞围岩稳定性监测[2- 5]。这种监测方便快捷高效，监测人员不用守在监测现场便可以监测到隧洞围岩情况。

2 光纤传感器材料及特点

2.1 载体材料

光纤的地下铺设以及固定都需要载体材料发挥巨大的作用，载体材料主要需要满足2个要求，首先是足够的硬度要求，地下埋设光纤为保护光纤不受到破坏，硬度是第一要求。其次，光纤灵敏度受到温度影响巨大，因此材料散热要求也特别重要[6]。综合以上要求，不锈钢材是载体材料的第一选择。

2.2 粘结材料

光纤铺设时需要将光纤粘结到载体材料上面，因此材料选择需要高延展性，以便在塑性较大地区便于铺设，同时不影响监测精度。此外为使光纤粘结到载体且不易脱落，延长光纤的使用寿命，粘结材料的粘结性必须要好。环氧树脂胶是粘结材料的首选。

2.3 光纤传感器特点

光纤光栅传感器因其材料自身的导光隔热、绝缘耐高温、耐腐蚀等物理特性和稳定的化学性能等特点成为长距离引水隧洞工程安全监测的不二选择。光缆传输将数据传输和信息传感结合到一起，数据传输量相比其他传统设备大并且数据损耗小，距离又远。另外光缆材料比较特殊，是非金属无机材料，这就使其可以适用于各种特殊地质，尤其地下工程和高温潮湿环境[7- 11]。光缆传输技术信号稳定性强，信号传输效率高，布设简单，便于工程应用。光纤结构示意如图1所示。

图1 光纤结构示意图

3 技术原理

3.1 光纤光栅反射波长变化量

λ=2nFFΔl+2ΔnFFΛ

(1)

式中，L—光纤光栅的栅距；nFF—光纤折射率；λ—波长改变量；Δl—在应力作用下光栅栅距改变量；ΔnFF—光纤弹光效应导致的光纤折射率改变量。

3.2 波长位移变化

光纤布设处外界的压力以及温度发生变化时，光纤光栅距会发生变化，因此根据外界环境的变化，可以通过公示计算反射光波的位移量：

ΔλB=λBSTΔT+λBSeΔε

(2)

ST=αT+ξ

(3)

Se=1-pe

(4)

式中，ΔλB—光波位移变化；ST—温度应变系数，其值随外界温度变化；Se—压力应变系数，其值随外界压力变化；αT—热膨胀系数；ζ—热光系数；Pe—弹光系数。

4 隧洞安全监测技术概况

我国装备制造技术的突飞猛进，助推了地下岩土施工技术的快速发展，基础建设领域地下隧道逐渐向着长距离、大埋深等方向拓展。在水利工程规划建设方面，一些大型跨流域长距离的引调水工程建设，如南水北调中线、辽宁大伙房水库供水等，有力支撑了严重缺水地区生态环境恢复和经济社会发展，使我国部分地区水资源短缺问题逐步缓解。长隧洞是远距离引调水工程常用建筑物之一，在工程建成后长期运行过程中，密切关注高地应力、高地温、强腐蚀性环境、大断裂带等这些段落的衬砌结构和周边围岩的稳定性，是保证工程长期安全运行的必要条件。因此，根据建设条件，率定出长隧洞运行期可能存在的围岩稳定和对衬砌结构不利段落，合理选取隧洞的监测断面、监测位置，做好监测设备的安装与保护，为长距离引水隧洞的安全监测系统提供保障，极其重要。

我国开始关注光纤传感技术的研究主要是上世纪七十年代在军事科技方面[12- 13]，起步时间稍晚于国际上。起始阶段，主要是应用于军事和通信技术。近年来随着我国制造技术的提升和完善，能够造出质量更好，价格更便宜的光纤，因此光纤在国民通讯，工程信息传输等方面发挥作用，并整体提高了传输效率，节省成本。

5 光纤传感器安装与监测结果分析

5.1 传感器应变系数确定

为计算恒定温度下传感器的应变系数，在恒温室内对传感器进行试验，通过拉伸实验获得应变片应力值和传感器中心波长值。

通过拟合应变和中心波长关系，得到两者的关系曲线。如图2所示，传感器应变与波长的关系符合一元线性关系y=ax-b，便可以得到恒定温度下的传感器应变系数。

图2 应变与中心波长关系曲线

5.2 传感器监测流程

埋设于岩体或混凝土内部的传感器，要在测试仪器工作正常后，完成多个尾纤接线的组内连接，再测试串联组组内仪器正常后接入分支光缆[14- 15]，光纤传感器监测流程如图3所示。隧洞基本监测信息见表1。

图3 光纤传感器监测流程图

表1 隧洞监测信息

5.3 传感器安装及监测结果分析

5.3.1多点位移计与测缝计

多点位移计的安装需要将仪器全部埋入开挖的山体内，且需将安设位移计设计为3点位移计。位移计安装应该按照所使用仪器的结构构造以及仪器尺寸进行钻探造孔。仪器的安装孔深应依据需监测深度范围确定，为方便装入仪器和预留适量间隙控制，要在孔口段0.5m范围进行扩大直径处理。将测杆按照规范要求装入监测孔，将位移计固定好后安装封浆板，封浆板安装质量必须符合规范要求，一旦封浆板安装不够严密，在进行灌浆封孔时会出现漏浆现象，导致位移计安装稳定性不符合要求。

测缝计主要有埋入式测缝计和表面测缝计。埋入式测缝计安装于结构内部一衬与二衬之间。测缝计安装应按照所使用仪器的结构构造以及仪器尺寸进行钻探造孔，孔深一般大于1.0m。测缝计在打孔、填浆、封口后一定要保证测缝计尾端与顶杆间无相对位移，若出现相对位移则重新安装。

光纤连接位移计与测缝计传感器组件，传感器接收到的信号通过光纤传输给监测显示屏。位移计监测结果如图4所示。

图4 多点位移计监测结果随时间变化图

由监测结果可知，在隧洞断面开挖后80d左右监测点位移变化一直处于不断增长之中，在110d左右位移变化出现下降趋势，说明此时隧洞围岩已处于向稳定状态发展。

5.3.2无应力计

无应力计安装于衬砌结构内部，无应力计由2大部件应变计和无应力桶构造而成，是一个组合体。无应力桶是一个锥形体，桶顶无盖。安装时先用钢筋骨架将无应力桶固定于结构侍测点内部，并将应变计用钢丝悬置于无应力桶中央，使用与隧洞衬砌同等标号的混凝土填满无应力计桶，再浇筑于衬砌结构内部。应力计监测结果如图5所示。

图5 应力计监测结果随时间变化图

结合隧洞断面位移监测结果，隧洞在60d前一直处于大幅变动状态，随着时间的增加，隧洞应力逐渐处于稳定状态，说明这段时间隧洞岩土压力变小，断面岩土逐渐稳定下来。

5.3.3渗压计

渗压计安装于岩体内部，主要组件由渗压计及土工织物包裹袋等组成，安装时先在待测点岩体内造孔，孔径大小较包裹袋大，孔深0.5m左右。渗压计在安装前要做准备工作，首先将渗压计放入纯净水中浸泡至饱和状态，一般放置2h。待渗压计饱和后取出，使用浸泡饱和的特定中细沙土包好渗压计测头。最好将包好的渗压计放入提前打好的孔中，再进行填孔、分孔操作。光纤连接渗压计，传感器接收到的信号通过光纤传输给监测显示屏。渗压计监测结果如图6所示。

图6 渗压计监测结果随时间变化图

隧洞断面渗压变化如图6所示，隧洞渗压在前几天一直处于压力增加阶段，说明该段时间隧洞水流正在积聚，随着时间增加，隧洞渗压又不断出现减小、增加的循环，这是因为渗压随着隧洞位移和土压力的变化导致的，断面监测点位移和土压力的变化几乎是同步的。渗压随时间增加也逐渐减小，这是隧洞内部正在往稳定状态发挥，渗压也趋于稳定。

5.3.4传感器温度随时间变化曲线

如图7所示，渗压计与应力计温度变化步幅几乎一致，前期温度变化一直是增加趋势，都在25d左右温度出现最高值，这与混凝土凝结特性相符合，因为在混凝土凝固初期会释放热量导致温度一直会上升；时间达到混凝土凝结硬化后期时水泥的水化热释放已经很小，所以温度逐渐下降到周围环境温度。所以各种传感器不仅可以监测岩土结构应变和渗压变化，同时还可以检测混凝土凝结效果的好坏。

图7 应力计与渗压计温度随时间的变化关系

综上所述，我们将光纤技术应用到围岩稳定及渗水问题中的位移计、应力计、渗压计等监测仪器，通过将光纤连接到监测仪器的传感器，形成特定的光纤传感器进行各种监测项目数据的收集与传输。这些光纤传感器组网形成的监测系统高度发挥了其监测作用，在隧洞施工运行中，其监测结果完美展现了监测点位移、应力数据的变化，为隧洞的安全防护提供了精确的依据，确保了隧洞施工的正常进行。该工程总干渠16#隧洞地质条件复杂、围岩稳定问题突出，因此断面围岩稳定性及渗水等监测项目采用光纤传感技术进行取代传统仪器监测，不仅提高了监测效率，同时也加快了施工进度，节约了施工成本。

6 结语

相对于光纤传感技术灵活高效的监测作用，使用传统技术监测长距离大断面引水隧洞开挖施工中的隧洞断面围岩结构稳定性已较落后。本工程光纤技术监测结果显示，布置在各隧洞断面的各种光纤传感设备工作正常且能准确反映出隧洞断面的围岩结构应变及渗水状况，极大地提高了岩土稳定及渗水监测效率。这表明光纤传感技术可以成功应用于长距离地下隧洞工程监测，该工程光纤传感技术的应用为长隧洞的安全监测工作积累了成功经验。