光纤传感技术在城市地铁工程监测中的应用

闫文政（郑州市轨道交通有限公司运营分公司，河南　　郑州　　450000）

光纤传感技术在城市地铁工程监测中的应用

闫文政
（郑州市轨道交通有限公司运营分公司，河南郑州450000）

摘要：随着经济社会的不断发展，社会各项技术的探索也在不断深入，人们对光纤传感技术的聚焦程度也越来越高。本文以光纤传感技术在城市地铁工程监测中的应用为探讨对象，通过介绍光纤传感技术的基本原理和光纤传感监测系统的构成，论述了光纤传感技术在城市地铁工程监测的应用方式和监测结果等。

关键词：光纤传感技术；地铁；工程监测；应用

1　光纤及其类别

光纤是光导纤维的简写，通常是由纤芯、包层、涂敷层和护套组成，是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维。光纤的基本结构由纤芯、包层、涂覆层和护套构成，其中，纤芯和包层是光纤的主要部分，在传送光波中扮演着重要的角色；涂敷层和护套的主要作用是隔离杂光，增强光纤强度。当前，光纤类别主要有裸光纤、紧套光纤、松套光纤和裸光纤或紧套光纤的智能产品等。在此之中，松套光纤常用作温度补偿光纤；裸光纤易断易损毁，适用于自然和人为破坏因素较少的环境中，一般适合在室内试验或钢、混凝土等易保护的结构体监测中使用；紧套光纤易损性较裸光纤稍低，可在自然和人为破坏力低的边坡监测中使用，但其外层保护层易腐化，在长期监测时易给光纤的熔接造成不便；智能光纤适应野外长期监测，但制作费用昂贵，铺设工艺较为复杂、工程量较大。

2　光纤传感系统的结构

2.1系统结构。就像通常的监测系统，光纤传感系统主要包含：传感器子系统、数据分析评价系统和数据采集与传输系统。作为监测系统的关键成分，传感器子系统除了需要确保可以安全精确的数据资料以外，还需要确保其提供的数据具备一定的实用性和可靠性，使之能在工程使用性能的测评发挥作用；数据采集子系统一定程度上是扮演着解调仪的角色，它最明显的特征是分布式或准分布式，可以根据需求在二维空间横向延伸；数据收集完毕之后能够利用互联网，把收集到的信息输入数据库，相应地去分类运用，同时也能够利用互联网远程测试等。数据收集具备远程化、网络化和自动化的优点，且还有能够与数据库技术相融合，达到数据的存储、查找和提取等目的。数据开发的主要内容是要达到特殊数据内容的获取，能够使用小波分析、遗传算法、神经网络、高阶谱分析、时—频分析、粗糙集方法等方法，对传感光纤的数据处理，得到表征结构变形与损伤等数据，由此，达到对结构的有效诊断和合理评估。文章是以FBG传感系统为探讨对象，它是光纤传感系统中举足轻重的方法之一。它集合了全部光纤传感的长处，较高的灵敏度、宽广的可测参量、能在恶劣或是特殊环境应用、受干扰程度小、体积小等，而且还随着光纤和其他新型FBG的成长有了更加广泛的使用范围。

2.2光纤传感器。FBG传感器重点是刻上光栅的裸纤，它是传感的部分，约1cm～2cm长。每一种传感器件是把光栅以不一样的方式组装而成，比如应变传感器，它是把依附在弹性杆件上装；温度传感器是把它自由装在传热套管中。当前，由于FBG的传感器样式众多、用途广，每一类别的传感器有构造简易、体积小、测量范围宽广、可靠程度高、受影响程度小、生命力强等优点。当前，地下工程中一般使用的光纤传感器有温度传感器、混凝土应变传感器及钢筋应力传感器。

3　地铁工程中的应用

在实施过程中，因为施工环境的复杂性，直接铺设光缆易在施工过程中损耗。依据光纤传感系统的实际经验，可采取先铺设铝塑管而后在铝塑管内铺设光纤，且注浆协同变形的方案。在实际应用中还可以将光缆布设于隧道结构表而，因而有需要对设置在结构表面的光纤监测性能进行标注。以国内某暗挖地铁车站隧道为例，探究试点项目的监测对象是隧道挖掘初始阶段的在建支护混凝土衬体，监测主体是衬体的内力，利用对衬体的内力监测探究支护衬体和周边围岩压力的演变规则，主要有：（1）监测钢筋支撑拱架在混凝土喷射之后它内力强弱和演变规则；（2）监测周围干扰围岩对支撑衬体的影响规则；（3）监测混凝土喷射之后温度、应变的演变规则；（4）监测加快速度对初期支护体支撑压力的影响规则。

3.1传感器布设方案。对于监测断面的选择，最好采用较为经典、对比性强和工期较短的。各个断面设有6个FBG钢筋应力计传感器、2个FBG混凝土应变计和1个FBG温度传感器，在此之中，钢筋应力计式传感器最好留有2个冗余。各个断面全部传感器只需要装设在两旁和顶部共3个拱架上，其中各个拱架的外围衔接2个钢筋应力计，大约处在1/3处；2个混凝土应变计对称装设在顶部拱架中间；温度传感器装设在侧旁上。各个传感器的信号传送光纤都从衬体两侧牵出后串连。

3.2监测结果分析。断面铺设完成之后，通过两个月的时间，收集了大量的测试数据，在地铁工程中，光纤监测技术取得了较为理想的成效。从收集的数据可得到以下的信息：（1）每个传感器应变监测数据在支架的初始阶段的变化较大。（2）光纤传感器监测的数据具有较高的稳定性和可靠性，精确程度较高，且也表明光纤传感器具有较高的抗腐蚀的功能，可以在较恶劣的环境中使用。（3）开始挖掘的阶段，挖掘的工程会对围岩和衬砌变形起到比较大的影响，顶部弧形开始挖掘支护之后，拱架内力变化大，只是较快会稳定，帮侧开始挖掘的时候扩大了土地的震动范围，也增大了顶部拱架上的压力；与拱顶相比，帮侧支护拱架稳定的时间比较慢；支护体关闭成形和围岩自身渐渐成拱稳定，它的内力在减弱之后会较稳定。

4结论与讨论

光纤监测技术凭借它特有的优点在监测界处于重要的地位，受到许多使用者的青睐被带进我国，短期内就受到众多追捧，并被推广到众多领域。此次在城市地铁工程中的有效运用，更加凸显出光纤传感器测试数据有效可靠等长处，经历了3个月的地下水侵蚀，都没有造成传感器腐蚀的不良效果。证明了光纤传感器具有不易腐蚀，可以在恶劣环境下长期监测等特点。在我国地铁发展不断加速的时代，光纤监测技术一定会起到重要的作用。

参考文献

[1]孟金焕．世界第一口多光纤传感器智能井[J]．国外油田工程，2004，20（02）：26-28．

中图分类号：U456

文献标识码：A