分布式布里渊光纤传感技术在工程安全监测的应用

2019-06-15潘澄雨唐朝苗

中国煤炭地质 2019年5期

徐翰, 潘澄雨, 唐朝苗

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039；2.中核集团核工业北京地质研究院，北京 100029)

工程建设中的围岩塌方事故是工地偶发性出现的灾害事故。由于岩石破坏的突然性，时常造成较大的生产事故与人员伤害，因此对于围岩顶板和稳定性的监测，对预防塌方事故的发生具有重要作用。囿于技术条件与经济成本限制，目前对围岩的检查方式还主要依靠离层仪和围岩压力表等人工读数设备进行，其准确性不高、实时性不强，观测维护所需的人力成本也较高[1]]。

随着技术进步，近年出现了数字压力计等围岩监控手段，但由于电子传感系统需要远程供电，成本高，维护困难，也仅仅解决了准确性和可靠性问题[2]。为了解决上述实际困难，本文提出了基于布里渊光时域反射理论的分布式光纤传感技术及其在地铁隧道监测等方面的应用。

1 布里渊光时域反射

1.1 布里渊散射的原理

介质分子内部随其固有频率保持一定形式的振动，从而引起介质折射率的周期性变化，导致了自激发声波场的产生。当光束以一定角度入射到光纤介质中时，光的波动性受光纤自激发声波场的调制而产生布里渊散射[3]。

由声波场引起的散射布里渊频移量表达式为：

fB=2nvA/λ

(1)

式中，n为光纤束的折射率，vA为声速，λ为入射光线的真空波长。

由于光纤所处环境的温度及其应力条件对其折射率和声速有较大影响，因此散射布里渊频移量fB与上述物理量存在相关关系，温度和光纤应变的变化都可令布里渊散射频谱发生线性变化，即：

(2)

式中，T为环境温度，fB(0)为T=0℃、应变为0时的频移量，ε为光纤材料的密度。

据实验测试，布里渊光散射的功率与温度变化呈线性正相关，与应变呈线性负相关，于是得布里渊功率[4]：

(3)

式中，PB(0)为T=0℃、应变为0时的布里渊功率，其它同式(2)。

1.2 分布式光纤传感技术

布里渊光时域反射技术(BOTDR)是传统的光时域反射技术的进一步发展[5]。光纤传输技术，其机制是将光脉冲注入光纤系统的一端，利用在光纤中传播的散射光携带和传递信息。

2010年，首根地质专用应变传感光缆面世和首台商业化分布式光纤应变分析仪面世，开启了分布式光纤技术在地质观测方面的应用[1-2]。相比传统的光纤测量技术，分布式光纤测量具有以下明显优势：①连续分布式，整条光纤上每个点都是传感器(几百米至几十千米)；②抗电磁干扰能力强，不易受到施工现场各种设备的电磁干扰；③高强度、高韧性，抗各种变形和磨损能力强，适合工程应用；④高测量精度，应变测量精度为με级(10-6变形量)，温度测量精度为1.5℃。

典型的布里渊光时域反射(BOTDR)传感器包括发射激光器、接收激光器、中介光纤和直接检测接收机等四部分组成(图1)，其中检测接收机的使用可根据检测项目的不同，选用位移监测接收机或应力、应变监测接收机。

图1 BOTDR监测系统结构示意图Figure 1 A schematic diagram of BOTDR monitoringsystem configuration

2 分布式布里渊光纤传感技术的用途

2.1 位移监测

布里渊光纤监测的主要原理是监测光纤受到轴向拉力τ时，光纤发生微应变δ，使光纤中光的布里渊频移Δf。于是建立了光纤拉力和布里渊频移之间的函数关系：

Δf=f(τ)

(4)

将光纤布置于待观测物体表面时，物体的形变即反应为光纤的形变，通过测量布里渊频移的变化，即可知作用于光纤的拉力，并进一步根据物体变形的弹性系数得出其形变量的大小[6]。

利用布里渊分布光纤监测位移主要包括横向位移与深部竖向位移两方面。将传感光缆的纤芯进行定点固定，固定部分与外界接触，其余部分松套隔离，即可测量两点间的相对位移大小。若通过钻孔植入到地质体的深部，随同地质体一起变形，测量深部竖向位移(图2)。

图2 位移监测的分布式光纤布置示意Figure 2 A schematic diagram of displacement monitoringdistributed optical fiber layout

2.2 应力、应变监测技术

应力监测原理与位移监测基本相同，通过测量布里渊频移得出物体应变，再利用已知的物体弹性模型，由式(5)的胡克定律计算出物体的应力[7]。

δ×ε=τ

(5)

岩体应力监测设备是将缠绕光纤的弹性管件打入地质体中，测量管件受力后弹性应变反演岩体压力(图3)。

图3 岩体内压力监测的分布式光纤布置示意Figure 3 A schematic diagram of rock mass internal pressuremonitoring distributed optical fiber layout

3 实例分析

3.1 隧道位移监测

对隧道围岩的监测包括位移监测和应力监测两个方面，可以利用同一光纤交替布置实现。由于布里渊光纤传感技术是利用光纤的轴向应变模拟矿井巷道应变，获取光纤的布里渊频移而实现的。对于单一巷道截面而言，利用若干光纤组合描述巷道应变量，各光纤段的总拉伸长度就等于巷道的应变周长(图4)。因此可将巷道截面周长等距离划分，以每个分段为节点，布置测量光纤[8]。

图4 地铁隧道抽象模型(点号为传感器编号)Figure 4 Subway tunnel abstract model(dot mark is sensor number)

3.1.1 现场布置

以广州地铁某隧道工地隧道800 m处作为地铁隧道安全状态监测点，为了控制变量方便对比，选取了隧道770 m处安装传统光栅光纤压力监测系统，将其作为对照组与布里渊光纤监测结果进行对比。

监测接收设备采用南京大学与南京法艾博光电科技有限公司联合研制的分布式布里渊光纤传感信号分析仪。铺设的长距离光缆一端与信号分析仪连接，另一端铺设于巷道测点位置，传感器布置见图4。圆形节点处即为打入岩层中的弹性管位置[9]。

3.1.2 监测数据分析

监测数据中横、纵坐标分别为传感器编号和位移变化量(图5)。安装后，由于各传感器的预应力不同，因此其采集到的初值也不相同(图5a)；30d后由于巷道发生形变，部分传感器的应力值发生改变(图5b)。根据监测数据，除1、2号和13号传感器感应值保持稳定外，5号和9号传感器的预应力变小，即侧邦发生了移近。因此，变化后的巷道大致如图6所示。

隧道770m处设置了光栅光纤监测传感器，作为验证分布式布里渊光纤监测技术在隧道监测中的可靠性的对照组。结果显示，布里渊系统所反应的巷道形变情况与光栅光纤压力传感器所监测到的压力情况基本一致。可见，与传统测量方法和监测手段相比，分布式布里渊光纤技术在保留应有的准确性和实时性基础上，还具有抗电磁干扰能力强、高强度、高韧性、高测量精度的优势，非常适合在地铁隧道安全监测中使用。

3.2 基坑边坡应变监测

为了研究分布式布里渊光纤传感技术应用于基坑工程监测的有效性，在南京市某高层建筑深基坑行了土体变形分布式测斜现场试验。

3.2.1 现场布置

针对32 m的测斜深度，布里渊传感光纤根据2.2节的介绍进行布置：沿基坑斜面，安放8根4 m测斜管。测斜管埋设前，需在测斜管的外壁刻画用于粘贴两条并行光纤的凹槽，且一条朝向基坑壁，以便土体位移时产生压应变；同时另一条背向基坑壁，从而产生拉应变。当基坑土体产生位移变形，插入基坑土体的测斜管随之产生变形，进而使测斜管粘贴的传感光纤产生同步变形。

图5 预应力监测值Figure 5 Prestressing force monitoring value

图6 地铁隧道应变形状示意(变形比例放大效果)Figure 6 Subway tunnel strain form diagrammatic sketch(deformation proportion enlarged effect)

3.2.2 监测数据分析

本研究设定测斜管管底为不动点，对测得的应变分步积分可得测斜管挠度，即近似为不同深度的基坑土体位移[10]。土体深部水平位移与测斜仪测量值的对比曲线见图7，测斜管的不动点位于地表-24 m；土体水平位移最大值为地表下-10 m处，最大位移42 mm；支撑处位于地表下-5 m处，该处以上水平位移可忽略。分析图7中分布式光纤测斜成果与测斜仪测量值，发现两者吻合度很高，证实了分布式布里渊光纤系统测试精度良好，具有应用于基坑边坡水平位移监测的可行性。

4 结论

根据布里渊频移原理，结合分布式光纤技术，设计了用于工程安全监测的分布式布里渊光纤监测系统，包括隧道位移监测系统和基坑边坡应变监测系统。通过在广州地铁某施工隧道现场和在南京某高层建筑深基坑进行的现场测试，并利用传统的光栅光纤和测斜管等传统方法进行对比，认为该分布式布里渊监测系统除准确性较高外，还有安装简便、操作方便和易维护等特点，能够满足工程安全监测的需求。