FBG传感器在特殊洞段结构稳定性监测中的应用

欧阳宏，夏 天

（1.甘肃省水利水电勘测设计研究院，兰州730030；2.甘肃省引洮工程建设管理局，兰州730000）

0 引言

水利、交通等行业的长距离隧洞属于大型工程结构，大多服务年限达到几十年甚至上百年，长时间运营过程中不可避免会产生损伤累积，严重的会引发突发事故，因此有必要对其特殊洞段进行长期有效的稳定性监测。传统的电类传感器对安装环境要求较高，受结构周边环境影响较大，尤其对于长距离隧洞内部的特殊截面，电源引接困难，传感器工作环境较差，基于电类传感器的监测系统已无法满足长期稳定性监测的需求［1］。近年来，光纤传感技术以其全光传输、无需供电、抗腐蚀和抗电磁干扰等特点，可适应各种复杂的应用环境，特别适合长距离监测，且已在大坝、桥梁、隧道等工程结构稳定性监测中尝试应用［2-4］。

国外对于光纤传感技术应用研究较早，Inaudi 在隧道岩壁上安装光纤位移传感器，监测隧道施工期间的围岩受力情况［5］；Nellen将光纤光栅传感器安装在Lucerne桥的碳纤维斜拉索上，应变的测量范围达到8 000 με［6］。国内，施斌等人提出了光纤光栅传感器在隧道工程监测中的封装保护、温度补偿及系统集成等解决办法和思路［7］；潘恒飞等人将一种埋入式FBG 应变传感器应用于引水隧道中，研究衬砌混凝土的应变情况［3］。针对长隧洞或远距离信号传输的工程，其安全监测采用光纤光栅传感器是一种有效的选择［8-11］。

甘肃引洮供水工程引洮一期工程7号隧洞长度近14 km，由于监测截面位于隧洞深处，供电困难，且隧洞长期处于通水状态，传统电类传感器在使用过程中可靠性较差，因此本文将对光纤光栅传感器在引水隧洞中进行应用尝试与研究，对隧洞结构安全状况（应力、位移、温度、沉降）进行监测，以确保隧道投入使用后的结构安全。后期通过实测数据验证了光纤监测系统在引水隧洞结构监测中应用的可行性与可靠性。

1 关键技术原理

光纤光栅是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器。光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感。

当光纤光栅受到应力作用或所处环境温度发生改变时，导致其栅距发生变化，从而反射波长也会发生漂移。根据这种特性，可以对作用在光纤光栅上的应力、温度等外界因素进行感知，引起的光纤光栅反射波长变化量可以由式（1）给出［12］：

式中：Λ 为光纤光栅的栅距；neff为光纤光栅的折射率；ΔλB为光纤光栅波长的改变量；ΔΛ 为在应力作用下光栅栅距的改变量；Δneff为光纤弹光效应引起的折射率的改变量。

实际使用中，在测应力变化时，由于应变和温度会同时对光纤光栅的反射波长产生影响，因此需要进行温度补偿。通常采用近距离温度感测光栅进行线性补偿。在一定的测量范围内，应变和温度对光纤光栅反射波长的影响是相互独立的，能够进行线性叠加［12］。因此在应变传感器附近放置温度传感器，应变传感器同时感测应变和温度，温度传感器感测温度，这样温度产生的影响可用下式消除：

式中：ε为实际应变；ε0为初始应变；λε1为应变传感器的初始波长；λε0为应变传感器的实测波长；λt1为温度传感器的初始波长；λt0为温度传感器的实测波长；Ktt为温度传感器的温度系数；Kεt为应变传感器的温度系数；Kε为应变传感器的应变系数。

2 光纤传感技术在引水隧洞中的应用

2.1 传感器的设计

本文在引水隧洞中主要应用四种传感器对隧洞结构进行健康监测，分别为：光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移（接缝）传感器、光纤光栅静力水准仪。光纤光栅应力传感器内部采用不锈钢金属结构件进行受力传导，光纤光栅通过黏贴的方式黏贴在金属结构件上，如图1所示；光纤光栅温度传感器采用与应力传感器相近的内部结构，不同的是温度监测光栅不会受到应力影响，如图2所示；光纤光栅位移（接缝）传感器采用弹簧受力传导的方式，将光纤光栅黏贴在传感器末端的“门”型梁上，如图3所示，当待测部位（接缝）发生位移变化时可将位移量转化为“门”型梁的形变而被光纤光栅监测到；光纤光栅静力水准仪采用螺纹桶装结构，将光纤光栅固定在螺纹桶内部，当水准仪内的水位发生变化时，会导致螺纹桶的形变而被光纤光栅感知，如图4所示。

图1 光纤光栅应力传感器内部结构

图2 光纤光栅唯独传感器内部结构

图3 光纤光栅位移（接缝）传感器内部结构

图4 光纤光栅静力水准仪内部结构

所有传感器都经过事先标定，波长范围在1 510～1 590 nm，可以准确地监测隧洞结构的相关参数，精度均高于0.5%F.S。

2.2 传感器布置与安装

7 号隧洞结构监测段位于里程57+835～60+951 处，总长3 116 m。应力传感器的温度补偿光栅采用传感器体外单独布置方式，位移传感器与静力水准仪的温补光栅在传感器内部悬空布置，保证温补光栅处于不受力的状态。监测截面集中布置在以下三段区间：

（1）K57+835～K58+065 段（冷冻法施工段）。①该段包含两个竖井，每个竖井部位分别布置两套光纤光栅应力监测传感器监测隧洞结构的应力状况，如图5所示。②每个竖井端头剪切力较大部位布置4个光纤光栅位移（接缝）传感器监测待测接缝的发展趋势情况，如图6所示。③布置一套隧洞相对竖向沉降监测系统，计算15 个光纤光栅静力水准仪，静力水准仪利用连通管原理监测隧洞的竖向沉降变形情况，基准水箱位于非冷冻法施工段，如图7所示。

图5 光纤光栅应力传感器在截面上布置位置

图6 光纤光栅接缝传感器安装示意图

图7 光纤光栅静力水准仪在截面上布置位置

（2）K59+560 处为向斜岩层部位布置一套光纤光栅应力监测传感器与2个光纤光栅位移（接缝）传感器。

（3）K60+911～K60+951 隧道盾构与混凝土浇筑交接段。布置3 套光纤光栅应力传感器与7 个光纤光栅位移（接缝）传感器。每套光纤光栅应力传感器包含9个光纤光栅应力传感器与2个光纤光栅温度传感器，传感器串沿隧洞纵向布置。

3 实际监测数据分析

经过特殊封装的光纤光栅传感器在7 号隧洞完成安装后，通过通信光缆将信号汇总到监控中心，从而对隧洞不同截面进行整体分析。将施工完成后开始积累的6个月传感数据进行采集并绘制成曲线，如图8 和图9所示。其中，应力传感器与接缝传感器数据绘制为时程曲线，表示监测数值随时间变化的关系，提取了传感器中变化值最大与最小的2个截面进行分析；静力水准仪传感器沿被测段结构敷设，数据绘制成沿距离变化的曲线，纵坐标为相对沉降量，横坐标为监测截面位置。

图8 传感器监测数据结果

图9 隧洞相对沉降曲线

从监测数据曲线中可以看出：①应力变化量最大的一个传感器位于58+065 截面2 号竖井部位，200 d 内监测数据最大值与最小值相差1 MPa左右；相应地，应变化量最小的一个传感器位于59+060 截面向斜地层带，200 f 内监测数据最大值与最小值相差0.6 MPa 左右。②位移变化量最大的一个传感器位于58+065 截面，200 d内监测最大值与最小值相差约0.1 mm；位移变化量最小的一个传感器位于59+060 截面，200 天内监测最大值与最小值相差约0.07 mm。从结构应力监测与结构接缝位移监测的数据结果来看，在监测数据正常测试开始的200 d 以来，59+060截面结构更稳定，相比之下，58+065截面结构应力、接缝变化量更大。其监测结果也与实际情况相符：向斜地层带虽然容易集聚地下水会对结构造成影响，但由于天气干旱原因，并无大量降雨，地层中地下水情况更为稳定，而作为冷冻法施工竖井部位的58+065截面隧洞结构受地下水压力影响较大，但整体来说，隧洞结构仍处于稳定阶段，处于健康状态。

作为隧洞冷冻法施工段的57+835～58+065 段完全被沉降监测系统所覆盖。从图9 的监测数据看来，隧洞竖向变形变化区间处于-0.05～0.05 mm 之间。隧洞沉降监测采用的光纤光栅静力水准仪量程为10 cm，按精度为0.1%F.S 计算，传感器本身精度为0.1 mm，目前测到的数据变化范围均处于传感器自身误差范围内，属于洞内通水量变化影响的正常范围，隧洞结构并未发生明显的竖向变形问题发生。

在2016年7月至2018年7月为期两年的监测过程中，传感器数值一直处在稳定的变化区间内，其应力、位移和沉降的变化趋势平缓，变化量在传感器自身误差范围内，表明隧洞结构本身处在一个健康稳定的状态，并且没有自然灾害等特殊情况发生，隧洞在正常工况下运营，结构安全度较高，如图10所示。

图10 58+065截面处传感器为期两年的监测数据

4 结 语

本文介绍了光纤光栅传感技术在引水隧洞的结构监测中的成功应用。传感器经过特殊封装设计和实际测试，在前期2个月内，传感器成活率高达100%；后期两年的监测中，整个监测系统也运行稳定，且未发现有传感器数据跳变较大或数据丢失的情况，说明光纤光栅传感技术能够满足引水隧洞的监测环境需求。此外，通过实际监测数据分析和人工检验，验证了以光纤光栅传感技术为核心的监测系统的有效性和可靠性，为今后水利工程项目中引水隧洞的结构健康监测手段提供借鉴。□