分布式光纤在隧洞变形监测中的应用

2021-05-09杨忠民

铁道建筑 2021年4期

杨忠民

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

隧道及边坡稳定性问题是铁路建设中比较突出的问题，边坡失稳造成的隧道开裂、破坏等问题严重影响着列车的行车安全。目前，隧道监测中常用的电阻式、钢弦式、电感式传感器，普遍存在抗干扰性、耐久性、长期稳定性差等缺点，监测主要以点式或断面方式布设，连续性较差，存在监测盲区［1-3]。目前，隧道工程监测技术正从过去的低精度、点式、人工监测向高精度、分布式、连续式、自动化监测过渡。其中，分布式光纤传感器具有体积小、重量轻、铺设安装方便的特点，可以连续不间断对结构体进行动态监测，已经成为隧道及边坡安全监测的重要发展方向［4-6]。

分布式光纤传感器按传感器原理分为散射型、波长扫描型和干涉型，其中散射型是最具应用价值的一种，包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射分布式光纤传感技术。

近年来，多位学者进行了布里渊散射分布式光纤传感技术的理论研究，赵丽荣、徐靓等［7-8]对分布式光纤传感器应用于桥梁和隧道检测、大坝监测等进行了应用研究，并在实验室中做了大量的有关试验研究，取得了较好的效果；张桂生等［9]采用气吹敷设传感光纤法和真空灌浆固定光纤法相结合的布设方法将分布式光纤布设于公路隧道中，并利用布里渊时域反射技术（BOTDA）技术对隧道变形进行监测，取得较好的效果；侯公羽等［1]提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型，将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来，对隧道沉降进行监测。

本文利用分布式光纤高精度、连续式监测的特点，对横洞衬砌变形进行自动化监测，分析横洞变形情况，进而对滑坡稳定性状况进行分析评价。

1 分布式光纤监测技术

1.1 分布式光纤传感技术原理

基于布里渊散射的光纤分布式传感技术主要有布里渊时域反射技术和布里渊光时域分析技术两种，本文采用的是布里渊光时域分析技术。该技术通过检测光纤中布里渊散射频移的变化，并利用其频移变化量随时间应变呈线性变化的关系来感知被测对象物理性质的改变，工作原理如图1 所示。该方法使用两个相反方向传输的光来增强布里渊散射，因而信号强度大，应变和温度的测量更为精确，测量范围更大。

图1 布里渊光时域分析技术工作原理

1.2 仪器设备

分布式光纤传感监测系统主要包括应变光纤、传输光纤和解调仪三大部分。

1）应变光纤。采用φ1.9 mm 紧包单模光纤，通过聚氨酯弹性体、HY 料等高包裹性材料进行封装保护，可方便刻槽植入，同时整体刚度得到了大幅下降，可同混凝土结构协同变形。

2）传输光纤。采用铠装单模光纤，由外护套、芳纶纱、不锈钢管和紧套光纤构成，拉力强度大于75 N，可有效防止折损等损伤。

3）解调仪。分布式光纤解调仪基于受激布里渊散射原理，测量精度为2.0×10-5，最长测量距离为50 km。

2 工程应用

2.1 工程概况

西北地区一座隧道横穿一老滑坡，为了避免地下水作用引起滑坡复活导致隧道被破坏，在隧道下方布设了渗水隧洞及与其垂直的横洞，将渗出的地下水引出滑坡体。渗水隧洞与隧道平行，横洞与隧道垂直且沿着坡体滑动方向，如图2 所示。通过在横洞及渗水洞左右衬砌布设分布式光纤，评估横洞及渗水洞目前所处的状态，并预测未来的变形发展趋势，进而为判断滑坡的稳定性提供参考。

图2 渗水隧洞、横洞和隧道平面位置示意

2.2 布设方法

根据现场地质条件和隧道受力特点，分布式光纤采用纵向布设方式，在隧道两侧及底板进行布设。结合横洞已有线缆的位置及施工条件，两侧光纤距离地面高度分别为1.8 m（左侧）和1.2 m（右侧），如图3所示。

图3 光纤布设示意

分布式光纤布设采用全线粘贴方式，施工工序为：①定线；②开槽；③除尘；④光纤预张拉；⑤涂胶固定；⑥测试。现场安装见图4。须注意的是，由于开槽后槽内存留大量的混凝土粉末，首先须采用电吹风清理槽内的灰尘，然后再用脱脂棉球蘸丙酮或者酒精进行开槽面清洗。在光纤预张拉时，预先按照10 m 间隔在槽壁和布设光纤上画出记号。在张拉过程中每10 m 进行预张拉，张拉后立即将张拉区间光纤首尾两端点用快干胶固定，另一组人员紧跟着用快干胶将每一区间按照1 m 间隔进行固定，避免光纤松弛和便于后续涂胶固定。光纤布设过程中须一直测试光纤损耗情况。

图4 现场光纤布设

3 数据采集与分析

3.1 数据重复性分析

由于布设温度、湿度及周边环境的不同，分布式光纤的监测精度会有所差异。因此，为了确定在当前环境中的监测精度，调试完成后须进行数据重复性试验。现场连续采集4次数据，结果见图5，可知，大部分测试数据在-6×10-5～6×10-5内变化，因此重复性精度在6×10-5以内。

图5 光纤重复性测试数据

3.2 数据分析

现场分布式光纤采集频率为1 次/（30 min），截至2020年12月29日，横洞内分布式光纤监测数据如图6所示。横洞与渗水洞交叉的位置里程为H0+000，从洞内向洞外里程逐渐增大，横洞洞口里程为H0+1081。由上文可知，该分布式光纤重复性精度在6×10-5以内，因此选取精度的10 倍即6×10-4为受拉较大段。由图6可知，横洞内受拉变形较大段有H0+229，H0+279，H0+298 等12 处位置及附近，说明横洞所处山体仍有一定的变形。通过对横洞衬砌观察发现应变量大的地方衬砌出现明显裂缝，如图7所示，这说明分布式光纤观测数据与现场迹象有较高的吻合度。

图6 衬砌应变监测数据

图7 现场衬砌典型裂缝

除衬砌外，在底板布设光纤89.5 m，底板光纤实测变形如图8 所示。可知，底板在23.5 ～35.0 m 位置光纤发生明显受拉和受压变形，特别是在23.5 m 和29.0 m 处，应变值分别达到9.181×10-3和7.936×10-3。通过现场调查，23.5 m 处底板隆起、开裂，隆起5 ～6 cm，横向开裂长度75 cm，如图9 所示。29.0 m 处底板出现明显开裂，开裂最大宽度达到6 mm，如图10所示。

图8 底板应变监测数据

图9 探洞23.5 m位置开裂和隆起

图10 探洞29 m位置开裂（开裂6 mm）

通过横洞内布设的分布式光纤监测数据可知，衬砌及底板多处位置均出现受拉较大的情况，底板处应变值甚至达到9×10-3以上。现场调查同样显示，衬砌及底板存在多处裂缝，裂缝位置与应变较大位置较吻合。以上情况说明横洞的受力状况仍在持续变化，且部分位置所受拉力超过其结构抗拉强度，进而导致结构开裂。这也说明横洞及隧道所处滑坡仍处于缓慢变形中，须加强滑坡监测以保障隧道安全运营。