点式光纤技术在机场跑道沉降监测中的应用

羿生钻

(中铁城建集团有限公司，北京100000)

点式光纤技术在机场跑道沉降监测中的应用

羿生钻

(中铁城建集团有限公司，北京100000)

大跨度隧道下穿机场跑道施工时，跑道沉降控制是决定工程成败的关键因素。由于跑道不允许人员进入，如何对跑道与隧道间的土体进行数据采集成为难题。本文通过对点式光纤光栅传感器的二次开发，将其封装成长标距FBG(Fiber Bragg Grating)应变传感器，成功地解决了此问题，取得了良好的社会和经济效益。

点式光纤;监测;机场跑道;沉降

把点式光纤(Surveillance d'Ouvragespar Fibres Optiques，简称SOFO)应用在机场跑道下进行土体变形监测在国内外尚属首次。大跨度暗挖隧道穿越机场跑道时，控制跑道下土体沉降是确保飞行安全的关键。隧道施工时跑道要正常使用，人员及设备都不允许进入，本文通过在跑道下埋设光纤的形式成功地解决了此难题，取得了良好的社会和经济效益。

1　工程概况

拟建隧道工程位于北京首都国际机场T2航站楼与规划中的T3航站楼之间，包括以运输中转旅客为主的捷运隧道，以及以通行行李拖车、配餐车、摆渡车为主的空侧汽车隧道。2条隧道中线均为东西走向。T2航站楼位于隧道西端，T3航站楼位于隧道东端。2条隧道主体部分相互平行并垂直下穿使用中的机场跑道。现况机场西跑道为南北方向设置，宽度为60 m，长度为3.8 km。跑道以西260 m为跑道服务道路区，服务道路区以西294 m为停机坪;跑道以东297 m为跑道服务道路区，服务道路区以东326 m为T3航站楼的停机坪。暗挖长度234 m。为满足不停航条件，在东西工作坑之间设立一条234 m长光纤，见图1。

图1　光导纤维平面布置

2　监测技术要点

2.1光纤布拉格光栅(FBG)测试原理

当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条件的光波矢将被反射回来，这样入射光栅波矢就会分成2部分:投射光波矢和反射光波矢，这就

式中:λ为波长漂移;KT为温度灵敏度系数;T为温度; Kε为应力灵敏度系数;ε为应变。

因此，通过测试传感器的波长变化，可以获得相应的应变和温度变化值。

2.2光纤光栅长标距封装

光纤传感器因其质量轻、体积小、抗电磁干扰性强、抗化学腐蚀等优点近年来发展迅速［3］。尤其是光是光纤布拉格光栅的基本原理［1］。应变(或应力)和温度是最能直接改变布拉格光栅波长的物理量。当布拉格光栅受到外界应变(或应力)作用时，光栅周期会发生变化［2］，同时光弹效应会导致光栅有效折射率发生变化;当布拉格光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率发生变化。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器，基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长(如图2所示)，达到测试被测物理量的目的。在温度和应变同时作用下，波长漂移与温度和应变的关系可近似表示为纤布拉格光栅，传感机理成熟，高精度，高灵敏度，易构建多点或分布式传感网络，已成为最有前景的光纤传感器之一。但是，纤细的裸光纤光栅部分特别脆弱，抗剪能力差，直接将其作为传感器无法胜任土木工程开放式施工和恶劣的服役环境。而且光纤光栅的传感部分只有几毫米，只能作为点式传感，在实际使用中也很不方便［4-6］。因此，为满足本项目需求，必须对其进行二次开发，即封装或增减敏处理，是将光纤光栅在土木工程等领域推广应用的重要环节。综合以上认识，需开发一种长标距FBG应变传感器，初步封装设想如图3所示。将多个封装好的传感器串连在一起，就可对结构物进行连续或分布式监测。

图2　应变测试原理

图3　长标距FBG传感器示意

2.3测点布置

测点布置在跑道与隧道之间，见图4。

图4　光纤断面布置

将FBG传感器统一封装为标距1 m的传感器并串联粘贴在测移管的管壁内侧，如图5所示。总长234 m的测试范围，包括234个标距为1 m的应变传感器，16个温度补偿传感器，共需248个传感器。每15～16个传感器串联引出一条铠装光缆并接到采集仪的一个通道上，总共16个通道。采集仪测试频率可达250 Hz，由动荷载引起的动位移均可实时监测。测试仪器采用美国MOI公司产SM230-800。

图5　长标距FBG传感器的应用方案

2.4测试精度

假设土体发生局部位移，位移形式如图6所示，各粘贴点之间的间距均为1 m，Xi点处发生较大的沉降(δmm)，同时假定Xi－1和Xi+1点处的变形较小，可以忽略，则该变形导致的应变变化见式2。

图6　假定传感器的位移

式中:l为标距。

3　实施效果

为比对光纤采集的沉降数据是否满足监测要求，在机场停航期间，在钻孔区域采用人工测量的方法对数据进行比对，发现人工测量误差与光纤测量误差在0.5 mm以内，数据采集真实有效，方案取得成功，光纤土体变形曲线见图7。

图7　光纤土体变形曲线

4　结语

通过在飞机正常运营的情况下对跑道下土体变形进行数据采集，成功地解决了跑道不允许监测人员进入的难题，且保证了数据的及时性及准确性，在暗挖施工中起到了至关重要的指导作用，避免了停航造成的巨大经济损失，产生了良好的社会效益。

［1］李有根．分布式光纤监测技术的应用［J］．四川水利水电，2010，29(4):102-104．

［2］闫美佳．基于光纤光栅的结构变形监测方法研究［D］．南京:航空航天大学，2015．

［3］贾娜，王红萍，戴军．光纤传感器原理及其应用［J］．电子技术与软件工程，2014(4):2-4．

［4］蒋金洲，吕国辉，梁晨，等．基于光纤光栅传感技术的高速铁路轨道状态远程监测数传系统［J］．铁道建筑，2015(1):76-79．

［5］王冲．浅谈光纤传感器对土木工程和建设的应用［J］．江西建材，2016(15):6-7．

［6］张强，赵信洋，刘学毅，等．光纤光栅传感器在桥上无缝道岔结构模型试验中的应用［J］．铁道建筑，2010(12):94-96．

(责任审编 赵其文)

App lication of Point Distribution Fiber-optic Sensing Technology to M onitoring Subsidence of Airport Runway

YI Shengzuan
(China Railway Urban Construction Group Co．，Ltd．，Beijing 100000，China)

When the super-large cross-section tunnel passes through the airport runway，the runway subsidence control is the key factor that determine success or failure of the project．Because staves are not permitted to enter the runway，how to effectively collect the soil data between the runway and the tunnel is the challenge．Through the secondary development of the fiber optic sensor，it is packaged as a long distance strain sensor FBG(Fiber Bragg Grating)，which successfully solves the problem and achieves a favorable social and economic benefits．

SOFO(Surveillance d'Ouv ragespar Fibres Optiques);Monitor;Airport runway;Subsidence

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．29

1003-1995(2016)11-0111-03

2016-07-05;

2016-09-06

羿生钻(1971—)，男，高级工程师。