導(dǎo)語(yǔ)：光纖傳感器地下隧洞工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:地下隧洞工程巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率直接關(guān)系到工程的質(zhì)量與進(jìn)度，引洮供水二期工程系統(tǒng)采用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)地下隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)變及滲流情況，通過(guò)分析位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)等傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)便可以直觀監(jiān)測(cè)巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)變及滲流情況。光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在該工程的成功應(yīng)用可為其它隧洞工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:光纖傳感;引水隧洞;隧洞監(jiān)測(cè)

1工程概況

引洮工程最主要的建筑物是引水隧洞，其中16#隧洞最長(zhǎng)，達(dá)到了20km，是該工程最具代表性的水工長(zhǎng)引水隧洞之一。該工程整體地質(zhì)條件復(fù)雜，且部分段落有地下水滲出，對(duì)混凝土和鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性［1］。因此隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，為保證施工安全需要對(duì)隧洞的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)在巖土工程安全監(jiān)測(cè)中，普遍采用傳統(tǒng)的電學(xué)量測(cè)技術(shù)。該技術(shù)受到工程建設(shè)條件和自身技術(shù)的限制，不能滿(mǎn)足某些特定條件下的監(jiān)測(cè)需求。近些年光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離復(fù)雜環(huán)境的信號(hào)傳輸，因此在一些傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)不便實(shí)行的地下工程等各種環(huán)境中，光纖技術(shù)使用較為廣泛。雖然光纖傳輸擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)工程光纖應(yīng)用實(shí)例不多。該工程監(jiān)測(cè)各斷面分支光纖通過(guò)儀器連接組網(wǎng)后形成主支光纖，再由主支光纖將圍巖穩(wěn)定性信息實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)浇邮軆x器，工作人員便可以實(shí)現(xiàn)以光纖傳感技術(shù)進(jìn)行隧洞圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)［2-5］。這種監(jiān)測(cè)方便快捷高效，監(jiān)測(cè)人員不用守在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)便可以監(jiān)測(cè)到隧洞圍巖情況。

2光纖傳感器材料及特點(diǎn)

2.1載體材料

光纖的地下鋪設(shè)以及固定都需要載體材料發(fā)揮巨大的作用，載體材料主要需要滿(mǎn)足2個(gè)要求，首先是足夠的硬度要求，地下埋設(shè)光纖為保護(hù)光纖不受到破壞，硬度是第一要求。其次，光纖靈敏度受到溫度影響巨大，因此材料散熱要求也特別重要［6］。綜合以上要求，不銹鋼材是載體材料的第一選擇。

2.2粘結(jié)材料

光纖鋪設(shè)時(shí)需要將光纖粘結(jié)到載體材料上面，因此材料選擇需要高延展性，以便在塑性較大地區(qū)便于鋪設(shè)，同時(shí)不影響監(jiān)測(cè)精度。此外為使光纖粘結(jié)到載體且不易脫落，延長(zhǎng)光纖的使用壽命，粘結(jié)材料的粘結(jié)性必須要好。環(huán)氧樹(shù)脂膠是粘結(jié)材料的首選。

2.3光纖傳感器特點(diǎn)

光纖光柵傳感器因其材料自身的導(dǎo)光隔熱、絕緣耐高溫、耐腐蝕等物理特性和穩(wěn)定的化學(xué)性能等特點(diǎn)成為長(zhǎng)距離引水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)的不二選擇。光纜傳輸將數(shù)據(jù)傳輸和信息傳感結(jié)合到一起，數(shù)據(jù)傳輸量相比其他傳統(tǒng)設(shè)備大并且數(shù)據(jù)損耗小，距離又遠(yuǎn)。另外光纜材料比較特殊，是非金屬無(wú)機(jī)材料，這就使其可以適用于各種特殊地質(zhì)，尤其地下工程和高溫潮濕環(huán)境［7-11］。光纜傳輸技術(shù)信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)，信號(hào)傳輸效率高，布設(shè)簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。光纖結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

3技術(shù)原理

3.1光纖光柵反射波長(zhǎng)變化量

λ=2nFFΔl+2ΔnFFΛ(1)式中，L—光纖光柵的柵距;nFF—光纖折射率，λ—波長(zhǎng)改變量;Δl—在應(yīng)力作用下光柵柵距改變量;ΔnFF—光纖彈光效應(yīng)導(dǎo)致的光纖折射率改變量。

3.2波長(zhǎng)位移變化

光纖布設(shè)處外界的壓力以及溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵距會(huì)發(fā)生變化，因此根據(jù)外界環(huán)境的變化，可以通過(guò)公示計(jì)算反射光波的位移量:式中，ΔλB—光波位移變化;ST—溫度應(yīng)變系數(shù)，其值隨外界溫度變化;Se—壓力應(yīng)變系數(shù)，其值隨外界壓力變化;αT—熱膨脹系數(shù);ζ—熱光系數(shù);Pe—彈光系數(shù)。

4隧洞安全監(jiān)測(cè)技術(shù)概況

我國(guó)裝備制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，助推了地下巖土施工技術(shù)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域地下隧道逐漸向著長(zhǎng)距離、大埋深等方向拓展。在水利工程規(guī)劃建設(shè)方面，一些大型跨流域長(zhǎng)距離的引調(diào)水工程建設(shè)，如南水北調(diào)中線、遼寧大伙房水庫(kù)供水等，有力支撐了嚴(yán)重缺水地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，使我國(guó)部分地區(qū)水資源短缺問(wèn)題逐步緩解。長(zhǎng)隧洞是遠(yuǎn)距離引調(diào)水工程常用建筑物之一，在工程建成后長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，密切關(guān)注高地應(yīng)力、高地溫、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境、大斷裂帶等這些段落的襯砌結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的穩(wěn)定性，是保證工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要條件。因此，根據(jù)建設(shè)條件，率定出長(zhǎng)隧洞運(yùn)行期可能存在的圍巖穩(wěn)定和對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)不利段落，合理選取隧洞的監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)位置，做好監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝與保護(hù)，為長(zhǎng)距離引水隧洞的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供保障，極其重要。我國(guó)開(kāi)始關(guān)注光纖傳感技術(shù)的研究主要是上世紀(jì)七十年代在軍事科技方面［12-13］，起步時(shí)間稍晚于國(guó)際上。起始階段，主要是應(yīng)用于軍事和通信技術(shù)。近年來(lái)隨著我國(guó)制造技術(shù)的提升和完善，能夠造出質(zhì)量更好，價(jià)格更便宜的光纖，因此光纖在國(guó)民通訊，工程信息傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮作用，并整體提高了傳輸效率，節(jié)省成本。

5光纖傳感器安裝與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1傳感器應(yīng)變系數(shù)確定

為計(jì)算恒定溫度下傳感器的應(yīng)變系數(shù)，在恒溫室內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)變片應(yīng)力值和傳感器中心波長(zhǎng)值。通過(guò)擬合應(yīng)變和中心波長(zhǎng)關(guān)系，得到兩者的關(guān)系曲線。如圖2所示，傳感器應(yīng)變與波長(zhǎng)的關(guān)系符合一元線性關(guān)系y=ax－b，便可以得到恒定溫度下的傳感器應(yīng)變系數(shù)。

5.2傳感器監(jiān)測(cè)流程

埋設(shè)于巖體或混凝土內(nèi)部的傳感器，要在測(cè)試儀器工作正常后，完成多個(gè)尾纖接線的組內(nèi)連接，再測(cè)試串聯(lián)組組內(nèi)儀器正常后接入分支光纜［14-15］，光纖傳感器監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。隧洞基本監(jiān)測(cè)信息見(jiàn)表1。

5.3傳感器安裝及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.3.1多點(diǎn)位移計(jì)與測(cè)縫計(jì)

多點(diǎn)位移計(jì)的安裝需要將儀器全部埋入開(kāi)挖的山體內(nèi)，且需將安設(shè)位移計(jì)設(shè)計(jì)為3點(diǎn)位移計(jì)。位移計(jì)安裝應(yīng)該按照所使用儀器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及儀器尺寸進(jìn)行鉆探造孔。儀器的安裝孔深應(yīng)依據(jù)需監(jiān)測(cè)深度范圍確定，為方便裝入儀器和預(yù)留適量間隙控制，要在孔口段0.5m范圍進(jìn)行擴(kuò)大直徑處理。將測(cè)桿按照規(guī)范要求裝入監(jiān)測(cè)孔，將位移計(jì)固定好后安裝封漿板，封漿板安裝質(zhì)量必須符合規(guī)范要求，一旦封漿板安裝不夠嚴(yán)密，在進(jìn)行灌漿封孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，導(dǎo)致位移計(jì)安裝穩(wěn)定性不符合要求。測(cè)縫計(jì)主要有埋入式測(cè)縫計(jì)和表面測(cè)縫計(jì)。埋入式測(cè)縫計(jì)安裝于結(jié)構(gòu)內(nèi)部一襯與二襯之間。測(cè)縫計(jì)安裝應(yīng)按照所使用儀器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及儀器尺寸進(jìn)行鉆探造孔，孔深一般大于1.0m。測(cè)縫計(jì)在打孔、填漿、封口后一定要保證測(cè)縫計(jì)尾端與頂桿間無(wú)相對(duì)位移，若出現(xiàn)相對(duì)位移則重新安裝。光纖連接位移計(jì)與測(cè)縫計(jì)傳感器組件，傳感器接收到的信號(hào)通過(guò)光纖傳輸給監(jiān)測(cè)顯示屏。位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在隧洞斷面開(kāi)挖后80d左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化一直處于不斷增長(zhǎng)之中，在110d左右位移變化出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)隧洞圍巖已處于向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。

5.3.2無(wú)應(yīng)力計(jì)

無(wú)應(yīng)力計(jì)安裝于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無(wú)應(yīng)力計(jì)由2大部件應(yīng)變計(jì)和無(wú)應(yīng)力桶構(gòu)造而成，是一個(gè)組合體。無(wú)應(yīng)力桶是一個(gè)錐形體，桶頂無(wú)蓋。安裝時(shí)先用鋼筋骨架將無(wú)應(yīng)力桶固定于結(jié)構(gòu)侍測(cè)點(diǎn)內(nèi)部，并將應(yīng)變計(jì)用鋼絲懸置于無(wú)應(yīng)力桶中央，使用與隧洞襯砌同等標(biāo)號(hào)的混凝土填滿(mǎn)無(wú)應(yīng)力計(jì)桶，再澆筑于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部。應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。結(jié)合隧洞斷面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧洞在60d前一直處于大幅變動(dòng)狀態(tài)，隨著時(shí)間的增加，隧洞應(yīng)力逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明這段時(shí)間隧洞巖土壓力變小，斷面巖土逐漸穩(wěn)定下來(lái)。

5.3.3滲壓計(jì)

滲壓計(jì)安裝于巖體內(nèi)部，主要組件由滲壓計(jì)及土工織物包裹袋等組成，安裝時(shí)先在待測(cè)點(diǎn)巖體內(nèi)造孔，孔徑大小較包裹袋大，孔深0.5m左右。滲壓計(jì)在安裝前要做準(zhǔn)備工作，首先將滲壓計(jì)放入純凈水中浸泡至飽和狀態(tài)，一般放置2h。待滲壓計(jì)飽和后取出，使用浸泡飽和的特定中細(xì)沙土包好滲壓計(jì)測(cè)頭。最好將包好的滲壓計(jì)放入提前打好的孔中，再進(jìn)行填孔、分孔操作。光纖連接滲壓計(jì)，傳感器接收到的信號(hào)通過(guò)光纖傳輸給監(jiān)測(cè)顯示屏。滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。隧洞斷面滲壓變化如圖6所示，隧洞滲壓在前幾天一直處于壓力增加階段，說(shuō)明該段時(shí)間隧洞水流正在積聚，隨著時(shí)間增加，隧洞滲壓又不斷出現(xiàn)減小、增加的循環(huán)，這是因?yàn)闈B壓隨著隧洞位移和土壓力的變化導(dǎo)致的，斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移和土壓力的變化幾乎是同步的。滲壓隨時(shí)間增加也逐漸減小，這是隧洞內(nèi)部正在往穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)揮，滲壓也趨于穩(wěn)定。

5.3.4傳感器溫度隨時(shí)間變化曲線

如圖7所示，滲壓計(jì)與應(yīng)力計(jì)溫度變化步幅幾乎一致，前期溫度變化一直是增加趨勢(shì)，都在25d左右溫度出現(xiàn)最高值，這與混凝土凝結(jié)特性相符合，因?yàn)樵诨炷聊坛跗跁?huì)釋放熱量導(dǎo)致溫度一直會(huì)上升;時(shí)間達(dá)到混凝土凝結(jié)硬化后期時(shí)水泥的水化熱釋放已經(jīng)很小，所以溫度逐漸下降到周?chē)h(huán)境溫度。所以各種傳感器不僅可以監(jiān)測(cè)巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)變和滲壓變化，同時(shí)還可以檢測(cè)混凝土凝結(jié)效果的好壞。綜上所述，我們將光纖技術(shù)應(yīng)用到圍巖穩(wěn)定及滲水問(wèn)題中的位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)將光纖連接到監(jiān)測(cè)儀器的傳感器，形成特定的光纖傳感器進(jìn)行各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的收集與傳輸。這些光纖傳感器組網(wǎng)形成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高度發(fā)揮了其監(jiān)測(cè)作用，在隧洞施工運(yùn)行中，其監(jiān)測(cè)結(jié)果完美展現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)的變化，為隧洞的安全防護(hù)提供了精確的依據(jù)，確保了隧洞施工的正常進(jìn)行。該工程總干渠16#隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出，因此斷面圍巖穩(wěn)定性及滲水等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行取代傳統(tǒng)儀器監(jiān)測(cè)，不僅提高了監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)也加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本。

6結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于光纖傳感技術(shù)靈活高效的監(jiān)測(cè)作用，使用傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離大斷面引水隧洞開(kāi)挖施工中的隧洞斷面圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已較落后。本工程光纖技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，布置在各隧洞斷面的各種光纖傳感設(shè)備工作正常且能準(zhǔn)確反映出隧洞斷面的圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)變及滲水狀況，極大地提高了巖土穩(wěn)定及滲水監(jiān)測(cè)效率。這表明光纖傳感技術(shù)可以成功應(yīng)用于長(zhǎng)距離地下隧洞工程監(jiān)測(cè)，該工程光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用為長(zhǎng)隧洞的安全監(jiān)測(cè)工作積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

作者：馬崇璽 單位：甘肅山丹水利水電工程局有限責(zé)任公司