基于分布式光纤传感技术的铁路路基岩溶土洞塌陷监测

何建平，徐　骏

( 1．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连　116024; 2．中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都　610031)



基于分布式光纤传感技术的铁路路基岩溶土洞塌陷监测

何建平1，徐骏2

( 1．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024; 2．中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

摘要:岩溶土洞塌陷是铁路路基最为严重的破坏形式，具有隐伏性强、空间分布广的特点。鉴于常规监测与检测方法难以满足路基岩溶土洞塌陷分布式监测要求，本文提出采用分布式光纤布里渊传感技术对土洞塌陷进行识别和定位。在应用该技术时，采用纤维增强树脂封装保护用于土洞塌陷监测的分布式光纤布里渊传感器，并利用绝对温度补偿方法剔除环境温度对塌陷应变测试的影响。路基岩溶土洞塌陷模型试验结果表明:绝对温度补偿技术可以有效剔除环境温度变化引入的塌陷应变误差，基于分布式塌陷应变信息可以有效识别和定位土洞塌陷，塌陷应变测试结果与岩溶土洞塌陷实际情况吻合。

关键词:铁路路基岩溶土洞塌陷监测分布式光纤传感技术

我国铁路建设特别是高铁建设快速发展，在建或既有铁路会穿越地质条件不稳定的区域。在环境和外部荷载作用下，岩溶土洞会发生塌陷，影响路基的正常使用，甚至造成灾难性事故。如1999—2006年浙赣线路基施工期间和通车运营初期先后多次发生岩溶塌陷。有效监测铁路岩溶土洞塌陷和科学评价其稳定状态是地质工程领域亟待解决的问题。岩溶土洞塌陷监测与检测已经成为世界性的研究热点。路基岩溶土洞具有高隐伏性、广分布性以及塌陷突发性等特点。常规的监测与检测技术如沉降仪、地质雷达监测法( GPR)、合成孔径雷达( InSAR)干涉测量法、基于岩溶管道裂隙水(气)压力监测的触发因素监测法等，主要是对局部区域的监测与检测或对地表变形的观测，不能适应路基长度大、范围大的特征［1-6］。

鉴于铁路路基长度大，土洞分布具有随机性、隐蔽性的特点，部分学者开展了基于分布式技术的岩溶土洞塌陷监测。文献［7-8］采用同轴电缆时域反射技术( TDR)开展岩溶土洞塌陷监测研究，其原理是土洞塌陷导致同轴电缆在塌陷的位置阻抗不匹配。文献［9］对同轴电缆的选型和布设工艺进行了深入研究，将同轴电缆封装在水泥砂浆中，土洞塌陷导致封装的同轴电缆折断，通过监测同轴电缆的特征信号从而监测土洞塌陷。但是同轴电缆易受潮湿环境干扰，且属于断点监测，信号传输距离有限，在做好封装保护措施的前提下，对于短距离测试有效，却难以满足铁路路基长距离测量要求。由于分布式光纤布里渊应变测试技术具有不受电磁场干扰、定位精度高、测试距离长等优点，文献［10-11］基于分布式光纤布里渊光时域反射技术( BOTDR)开展岩溶土洞塌陷监测研究，取得了一定的试验效果，但是其研究并没有考虑环境温度对光纤布里渊应变测试信号的影响，且选用普通裸光纤作为传感器，易损坏。

针对路基岩溶土洞塌陷监测对高性能工程化监测传感器的要求，本文提出采用高耐久性纤维增强树脂封装光纤布里渊传感器和基于绝对温度补偿技术的岩溶土洞塌陷应变环境温度补偿方法，开展路基模型岩溶土洞塌陷识别与定位监测试验，建立用分布式光纤布里渊传感技术进行岩溶土洞塌陷监测的工程化方法。

1分布式光纤布里渊传感及绝对温度补偿技术

1. 1分布式光纤布里渊传感技术

已有研究表明，光纤布里渊频移与施加在普通单模光纤上的温度和应变有良好的线性关系，即

式中:ΔvB( T，ε)为光纤布里渊频移增量; CT，Cε分别为光纤布里渊频移—温度、光纤布里渊频移—应变灵敏度系数，其中CT= 1. 0 MHz/℃，Cε= 0. 05 MHz/10－6; ΔT，Δε分别为温度和应变增量。

根据光功率的变化，采用BOTDR光时域定位技术可以得到任何测点距探测光源的距离z。

式中: c为光波在光纤中的传播速度; n为光纤折射率; t为光波在光纤中的传播时间。

由式( 1)和式( 2)可以得到普通单模光纤布里渊传感器上任意位置的应变和温度。

1. 2光纤布里渊应变测试温度补偿技术

由式( 1)可知光纤布里渊频移同时受温度和应变调制，环境温度变化1℃约造成应变测试结果有20× 10－6的不确定性，故长期应变测试必须考虑温度补偿。本文采用双光纤温度补偿方法进行应变测试温度补偿，即在光纤布里渊应变传感器邻近位置布设光纤布里渊温度传感器，则有

式中:ΔvB1，ΔvB2分别为光纤布里渊应变传感器和光纤布里渊温度传感器的布里渊频移增量; CT1，CT2分别为光纤布里渊应变传感器和光纤布里渊温度传感器的温度灵敏度系数。

结合式( 3)和式( 4)，令ψ= CT1/CT2，可以得到

对于式( 5)，如果光纤布里渊应变传感器和光纤布里渊温度传感器基体材料一致，即温度灵敏度系数一致，则ψ= 1，式( 5)可变为

式( 6)的温度补偿方法便于实际工程应用，只要测得2根光纤布里渊传感器的频移变化值，就可以直接消除温度对应变测量结果的影响。

2　路基塌陷监测模型试验

2. 1试验准备

光纤布里渊系统选择中电41所的BOTDR系统(图1)，其最小空间分辨率为100 cm，应变测量精度为±50×10－6。路基岩溶土洞塌陷模型选用规格为4. 0 m×1. 0 m×2. 0 m的钢槽，在其内部填充某高层建筑基坑开挖土用来构建路基，如图2所示。

图1 BOTDR系统

图2路基土洞塌陷模型

路基岩溶土洞塌陷监测光纤布里渊传感器选择用纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器(图3)，弹性模量为50 GPa(可调)，极限拉伸应变为( 12 000～16 000)×10－6，具有良好的应变和温度感知特性，温度和应变灵敏度系数分别为1. 25 MHz/℃和0. 045 MHz/10－6。其工程化程度高，布设于岩土结构中不易损坏。

图3用纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器

3个光纤布里渊传感器布设在土洞上方，距离土洞顶板或挡土板距离50 cm。传感器长5 m，其中布设到土体中长度为4 m，如图4所示。

图4　传感器布设示意

图5为土洞构造和传感器布设现场情况，挡土板中有三个活动的木板，可以调节30～150 cm尺度的土洞。试验中人为制造直径为100 cm、深度为80 cm的土洞。

路基构建过程中要充分压实，压实过程中要尽量避免传感器上方有大颗粒的石块，防止剪断传感器。三个传感器分别通过长为89 m的传输光纤与BOTDR系统相连接，因此实际探测土体塌陷应变传感段在89 ～93 m。89 m处对应路基模型的起点，93 m处对应于路基模型的终点。

图5路基构建和传感器布设

本试验分为2种工况，工况1为无环境温度干扰的路基塌陷监测试验(传感器布设参见图4)，工况2为有环境温度干扰的试验，传感器布设如图6所示。在传感器的正上方铺设水管，并设置多个泄漏点，通过水的泄漏改变土体温度，注水水温10℃。为加大路基内部与环境的温差，同时在光纤的正上方5 cm处铺设一些碎冰块，试验环境温度约为23℃。

图6环境干扰模型试验传感器布设示意

2. 2路基塌陷模拟与数据测试

待路基土完全填充压实后，用BOTDR系统采集各个光纤传感器的布里渊频移值，作为传感器的初始状态值。从钢槽的底部掀开长×宽为100 cm×80 cm的木板，制造跨度为100 cm的土洞，挡土板下面有足够的空间，便于土洞扩展或塌陷时土体的搬移。

路基塌陷通过如下方法模拟:工况1，通过在路基顶部人为制造振动来造成土洞塌陷，然后实时监测土洞塌陷情况，直至最终形成路基地表坍塌;工况2，通过水管注水引起土层软化且重力增加，加速土洞塌陷。须注意的是，水的渗透会影响土体环境温度，导致应变测试误差。为了测试方便，每次注水10 min，然后实时监测土洞塌陷情况。为加速土洞塌陷，测试过程中同样在路基表面人为制造振动。由于路基塌陷的突发性，试验中难以分阶段控制路基土洞塌陷尺度，所以只取路基初始状态、塌陷某一中间状态和地表坍塌阶段进行测试。图7为工况1时路基塌陷情况，塌陷形状为漏斗形，塌陷后路基上表面的跨度(最大直径)约为147 cm，最大塌陷深度约为20 cm。

图7　路基土洞塌陷

图8 3个光纤布里渊应变传感器各塌陷阶段应变分布曲线

3　试验结果与分析

3. 1无环境干扰路基岩溶土洞塌陷监测

图8为各个光纤布里渊应变传感器监测到的路基塌陷三个阶段的应变。可知:塌陷应变中部要大于两边;塌陷中间阶段，左边、中间、右边的最大应变分别为547×10－6，810×10－6，653×10－6;塌陷稳定后，最大应变分别为1 350×10－6，1 920×10－6，1 430×10－6。塌陷应变变化趋势与土洞塌陷趋势基本一致。虽然土洞顶板直径为100 cm，但是由于路基模型塌陷成漏斗形，故在土洞上方的塌陷尺度要＞100 cm。从测试曲线可以看出，塌陷宽度约为2 m。

3. 2注水渗透干扰路基塌陷监测

图9为水管注水后，各个塌陷阶段光纤布里渊温度传感器测试的土体温度场。由于水管布设在中间光纤布里渊应变传感器和光纤布里渊温度传感器的正上方，所以中间区域土体的温度低，两边温度高。由于中间铺设了碎冰块，冰块融化，导致该处的温度达到0℃左右。由中间光纤布里渊温度传感器测试的温度值可知塌陷稳定后该处温度与环境温度的温差约为23℃，基本上与实际工况吻合。对于应变传感器而言，23℃的环境温度变化约导致500×10－6的测试误差。

图9 3根光纤布里渊温度传感器塌陷阶段温度曲线

图10为塌陷各阶段，3根光纤布里渊应变传感器温度补偿前后的塌陷应变分布曲线。从图10( a)和10( b)可知，不经过温度补偿，塌陷稳定后的应变小于塌陷中间阶段的应变。图10( b)和10( c)中，塌陷稳定后，在路基1. 5 m处(对应于光路系统90. 5 m处)应变为负值，传感器压缩变形，表示路基隆起，与实际情况不符。

而图10( c)中90. 5～92. 0 m处两阶段的塌陷应变基本上保持不变。从测试曲线可以看出不经过温度补偿，塌陷应变反应的土洞塌陷情况比较混乱。经过温度补偿后，此处的塌陷应变基本上与路基塌陷变形一致。

图10温度补偿前后塌陷应变分布曲线

3. 3两种工况试验结果对比分析

对比工况1和工况2的试验结果可知，两次试验基本上能反映土洞的塌陷情况。虽然人为制造的土洞尺寸一样，但是由于路基构建的差异性以及土体成分的离散性，两次试验测试到的塌陷应变有较大的差异。此外，由于使用的传感器形状为光面圆棒形，虽然布设前为增加与土体的摩擦力，在光面圆棒表面进行了粗糙化处理，但其依然不能完全与土体协同变形。故土洞塌陷实测应变与土洞的真实塌陷应变有一定的差距，但是监测到的塌陷应变变化趋势基本上与土洞塌陷一致。

4　结论

本文采用用纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器开展路基土洞塌陷监测研究，并基于双光纤温度补偿技术对路基塌陷监测应变进行温度补偿。模型试验研究结果表明，在有、无环境干扰的情况，用纤维增强树脂封装的光纤布里渊应变传感器可以有效监测到路基土洞塌陷，采用绝对温度补偿技术可以有效剔除因路基土体温度变化导致的塌陷应变测试的不确定性。

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(责任审编李付军)

Monitoring of collapse of karst cavern under railway subgrade based on distributed optical fiber sensing technology

HE Jianping1，XU Jun2

( 1．School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China; 2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:Karst cavern collapse is the most serious failure mode of railway subgrade with strong insidious and wide spatial distribution．Common monitoring and inspection methods cannot meet the requirement of distributed monitoring，so distributed Brillouin Optical Fiber sensing technology was put forward for the collapse location and identification．Collapse monitoring sensor was packaged by the fiber reinforced polymer，and absolute temperature compensation was developed to eliminate the effect of environmental temperature on collapse strain measurement．Experimental results show that absolute temperature can effectively eliminate the strain error induced by the temperature influence，the collapse strain was agreed with the real condition of cavern collapse based on the distributed collapse strain from cavern collapse identification and location．

Key words:Railway subgrade; Collapse of karat cavern; M onitoring; Distributed optical fiber sensing technology

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0111-05

作者简介:何建平( 1976—)，男，讲师，博士。

基金项目:国家自然科学基金项目( 51108065) ;四川省科技支撑计划项目( 2013GZ0147)

收稿日期:2015-06-12;修回日期: 2015-08-13

中图分类号:U213．1+4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．27