基于准分布式光纤光栅传感器的路基沉降监测技术

郭章辉

(中铁八局集团昆明铁路建设有限公司,云南 昆明 650200)

1 概述

随着我国经济的快速稳定增长和“一带一路”推动下，我国铁路建设取得了长足发展。截至2021年4月，我国铁路运营里程达到14.63万km，高速铁路运营里程达到3.79万km。路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节。我国幅员辽阔，地质条件复杂，是地质灾害(岩溶塌陷、泥石流等)发生最为严重的国家之一，穿越冻融、软土以及岩溶发育区域的铁路路基，不可避免发生路基沉降或岩溶塌陷，严重时导致列车脱轨等事故。如浙赣线路基施工期间和运用初期，多次遭受岩溶塌陷灾害，导致铁路运营中断；2020年通车的安六高铁客专穿越岩溶发育区域，对列车运营存在一定的风险。路基线下溶洞具有很强的隐蔽性，岩溶发育与周边环境变化密切相关，灾害发生具有很强的时空不确定性，为确保列车运行安全，采用先进监测手段开展路基变形监测具有重要的工程应用价值。

目前路基沉降监测技术主要为InSAR技术(合成孔径雷达技术，Synthetic Aperture Radar Interferometry)、静力水准沉降仪、监测沉降板等技术[1-3]。其中InSAR技术可实现大范围毫米级别沉降监测，但是存在监测成本贵和只能实现路基表面变形监测等问题；静力水准沉降仪基于连通管原理，测试条件受路基高差限制且连通管液体易挥发而导致测试误差大等问题；沉降板是目前应用较为广泛的检测和监测技术，该技术需要沿着路基垂直钻孔布设，属于单点监测技术，容易造成路基沉降漏检。分布式光纤传感技术可以实现数十公里连续的变形场和振动场监测，目前已经在路基中得到一定的应用[4-6]。路基施工流程比较复杂，属于分时分段分层施工，实际工程应用中很难为分布式光纤传感器提供数百米的连续布设平面，一定程度上也制约了其的推广应用。

为了实现路基施工和服役阶段的长距离沉降监测，本文基于光纤光栅波分复用功能，将多个光纤光栅串联封装在纤维增强树脂中，并埋入到路基纵横向中进行路基多点沉降监测，通过路基现场原位试验验证了该方法的可行性。

2 准分布式光纤光栅传感原理及光纤纤维增强封装技术

光纤光栅作为传感元件具有抗电磁场干扰、耐久性好以及信号传输距离长等特点，已有研究结果表明光纤光栅的布拉格中心波长与环境温度和应变成线性关系：

ΔλB=KεΔε+KTΔT

(1)

其中,Kε,KT分别为光纤光栅应变灵敏度系数和温度灵敏度系数；ΔλB,Δε,ΔT分别为布拉格中心波长偏移量，应变增量和温度增量。已有试验标定结果表明：Kε=1.2 pm/με，KT=10.8 pm/℃[7]。

光纤光栅传感器本质上属于单点传感器，但是基于波分复用功能，多个光纤光栅传感器可以串联在一条传输光纤上，各个光纤光栅的中心波长要间隔一定的距离，避免传感器因受力波长漂移而导致多个传感器波长重叠，建议实际工程应用中，各个光纤光栅中心波长相互间隔5 nm。光纤光栅纤细、抗剪切力差，直接作为传感器非常容易损坏。考虑到路基施工环境恶劣及服役的长期性，采用纤维增强树脂封装工艺将光纤光栅封装保护在纤维增强树脂筋中形成多点测试的准分布式光纤光栅传感器，如图1所示。图1(b)为由大连博瑞鑫科技有限公司提供准分布式光纤光栅传感器，传感器的极限拉伸应变10 000微应变。

3 基于准分布式光纤光栅传感器的路基变形监测试验

图2为某高速铁路路基施工现场，纤维增强树脂封装的准分布式光纤光栅传感器通过开槽的方式埋入到路基中(沿路基纵横向铺设)，横向布设传感器长20 m，内置3个光纤光栅传感器，初始波长分别为1 525.325 nm(FBG1)，1 535.137 nm(FBG2)和1 544.945 nm(FBG3)，各个光纤光栅的间距为6 m，如图2(a)所示。纵向布设准分布式光纤光栅传感器长30 m，内置3个传感器，各传感器间隔10 m，如图2(b)所示，各传感器光纤光栅初始中心波长如图3～图8所示。

图3～图5为路基横向方向填筑期间纤维增强树脂封装的准分布式光纤光栅传感器中各个光纤光栅的波长变化及相应的沉降量。此工期路基填筑高度3 m，即传感器上方填料高度为3 m，测试时间为18 d。从测试数据可以看到，在前7 d内，因路基施工过程填料增高、重载装卸车和压路机反复碾压，导致路基一直在压实下沉，到7 d，路基整体填筑高度1.2 m，从左到右(FBG1，FBG2，FBG3)的沉降量依次为4.95 cm，2.47 cm和2.23 cm。第8天，路基继续填筑，因填筑工期紧张，填筑车辆往返频繁，填筑到3 m的高度后，从左到右的最大沉降量分别为11.52 cm，4.67 cm和4.22 cm，左边路基沉降量大是因为该位置正好位于车辆行驶面上。试验测试结果与实际情况相符合，依据路基施工沉降量监测数据，可为路基施工提供一定的指导意义。

图6～图8为路基纵向准分布式光纤光栅传感器测量得到的填筑期光纤光栅波长变化和相应的沉降量，准分布式光纤光栅传感器中各光栅分别为FBG4，FBG5和FBG6，从FBG4为路基小里程方向，FBG6为路基大里程方向。路基纵向变形趋势和路基横向变形趋势基本一致，填筑到第7天，FBG4，FBG5和FBG6测量的沉降量分别为1.25 cm，1.12 cm和2.46 cm。FBG4在第4天测试的数据有一个上升数据，原因是装卸车辆反复碾压导致该位置路基上拱。第8天，纵向路基沉降量(从小里程到大里程)分别为8.86 cm，6.77 cm和7.17 cm。

从图3到图8可以看到，第8天以后，路基沉降量趋于平稳，主要是路基此阶段没有施工荷载，路基上部荷载基本不变。假设准分布式光纤光栅传感器长度方向路基沉降变形成线性段，分别对FBG1～FBG3以及FBG4～FBG6的数据进行分段线性插值，插值距离为1 m，得到如图9所示的路基纵横向连续沉降变形曲线。可以知道，准分布式光纤光栅传感器中光纤光栅的数量越多，路基纵横向沉降测量精度就越高。

4 结语

基于波分复用功能，将具有三个光纤光栅的传感器封装在纤维增强树脂筋中，并通过开槽方式铺设在某高速铁路路基中开展路基填筑施工沉降监测。试验结果表明：采用准分布式光纤光栅传感器可以有效获取路基中光纤光栅位置处的沉降量，监测数据与路基施工实际工况相符。