廣州地鐵小北站暗挖隧道FBG監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、廣州地鐵小北站暗挖隧道FBG監(jiān)測(cè)技術(shù)研究             摘要文章采用光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)對(duì)廣州地鐵五號(hào)線小北站暗挖區(qū)間隧道進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究,內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)設(shè)備比選、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器封裝及保護(hù)、數(shù)據(jù)處理與分析,最后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道在開(kāi)挖期間初期支護(hù)體的內(nèi)力、溫度及與圍巖間相互作用關(guān)系進(jìn)行了分析。研究表明,FBG傳感技術(shù)用于地下工程的監(jiān)測(cè)十分可行,優(yōu)勢(shì)明顯,應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞暗挖隧道FBG監(jiān)測(cè)  1 前言  

2、小北站是廣州市軌道交通五號(hào)線的中間站,上承廣州火車(chē)站,下接淘金站,為明、暗挖結(jié)合的三層分離島式地鐵車(chē)站。其站臺(tái)層為控制鉆爆法開(kāi)挖的淺埋暗挖隧道,主體埋深17.530.1m,穿越地層主要為白堊系上統(tǒng)的風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,局部進(jìn)入第四系松散層。支護(hù)采用鋼格柵掛鋼筋網(wǎng)后噴混凝土,局部圍巖松散段頂部采用小導(dǎo)管超前注漿加固支護(hù),初期支護(hù)變形穩(wěn)定后進(jìn)行二次襯砌。站址位于環(huán)市中路下方,西臨環(huán)市中路與下塘西路、小北路交叉口,周邊環(huán)境復(fù)雜,需要對(duì)開(kāi)挖引起的圍巖變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。   光纖傳感技術(shù)為近十幾年興起的一門(mén)新型傳感技術(shù),其中以光纖布拉格光柵(FBG)傳感器最為突出,自1989年Morey

3、首次報(bào)道將光纖光柵用作傳感器以來(lái)1,其以高精度、準(zhǔn)分布、抗干擾及耐腐蝕等突出特點(diǎn)迅速被廣泛地應(yīng)用到航空航天器、土木工程、復(fù)合材料、石油電力等諸多領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)和測(cè)試中,取得了豐碩成果26。本文采用該技術(shù)對(duì)小北站的站臺(tái)層暗挖隧道初期支護(hù)體的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè),探討了支護(hù)體與圍巖間的相互作用規(guī)律,以便為下一步施工及圍巖變形控制提供可靠依據(jù)。2 FBG光纖技術(shù)簡(jiǎn)介   光纖光柵分布在光纖體內(nèi),可由紫外光對(duì)光纖側(cè)面進(jìn)行曝光,使纖芯的折射率沿軸向呈現(xiàn)出周期性分布。布拉格光柵(FBG)屬于短周期光纖光柵,其光纖光柵柵距一般小于1m,耦合發(fā)生在正向與反向傳輸?shù)哪Ｊ街g。當(dāng)入射光波的波

4、長(zhǎng)滿足布拉格衍射條件時(shí),則該波長(zhǎng)的光波將沿來(lái)路發(fā)生反射,該反射光就是布拉格反射光,其關(guān)系式為:B=2neff·(1)  式中BFBG中心波長(zhǎng);       neff有效纖芯的折射率;       FBG傳感器光柵的柵距。   當(dāng)使用一個(gè)寬帶光源從FBG一端入射時(shí),則波長(zhǎng)滿足(1)式的光波就會(huì)發(fā)生布拉格反射,而其余波長(zhǎng)的光波仍然照常傳播。通過(guò)式(1)可以看出,FBG反射光中心波長(zhǎng)B主要由光柵纖芯的有效折射率neff和光柵的柵距確

5、定。應(yīng)變和溫度能直接引起FBG中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移,其關(guān)系式可表達(dá)為:B=K·+KT·T(2)   式中K應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù);       KT光纖光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)。   對(duì)于纖芯為純石英的光纖情況K為1pm/左右,KT為10pm/左右。但是,由于光纖材質(zhì)的差異,寫(xiě)入工藝的差別和后期封裝工藝的影響,FBG的傳感靈敏度會(huì)存在差異,因此FBG傳感器實(shí)際應(yīng)用前必須標(biāo)定。   FBG采用波長(zhǎng)編碼參量信息,這種特性不僅使系統(tǒng)免受噪聲和功率波動(dòng)的干擾,也容易實(shí)現(xiàn)在同

6、一根光纖的任意位置上寫(xiě)入不同中心波長(zhǎng)的光柵, 利用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)構(gòu)成如圖1所示的準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。3 儀器及傳感器比選   FBG解調(diào)儀器的選擇主要參考儀器的最大通道數(shù)、采集頻率及便攜性能。本次解調(diào)儀選用MOI公司生產(chǎn)的SI425系列高速光纖光柵傳感分析儀,它具有性能穩(wěn)定、精度高及具有抗震、防潮等優(yōu)點(diǎn),能適合地下工程環(huán)境下的監(jiān)測(cè)。儀器的主要性能參數(shù)如表1所示。   傳感器共選擇了三類(lèi)FBG式傳感器:溫度傳感器、混凝土應(yīng)變傳感器和鋼筋應(yīng)力計(jì)式傳感器,分別用于測(cè)試混凝土的溫度、應(yīng)變及拱架上主筋的應(yīng)力。傳感器均為在現(xiàn)有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上改進(jìn)而成,主要參數(shù)如表

7、2所示。   產(chǎn)品在出廠之前進(jìn)行了下面幾項(xiàng)檢驗(yàn)和測(cè)試:   (1)檢測(cè)光柵是否暢通,封裝是否密封防水,測(cè)試各傳感器自由狀態(tài)下中心波長(zhǎng)。   (2)測(cè)試溫度變化引起的波長(zhǎng)變換值之間的比例系數(shù)。   (3)做多次溫度循環(huán)升降試驗(yàn),測(cè)試封裝傳感器抗疲勞性。4 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)   項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)對(duì)象為隧道開(kāi)挖時(shí)的初期支護(hù),監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要圍繞初期支護(hù)的內(nèi)力展開(kāi),具體有以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:   (1)初期支護(hù)噴混凝土的內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)。   (2)初期支護(hù)噴混凝土的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。 &

8、#160; (3)初期支護(hù)鋼拱架的主筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。            現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)鋪設(shè)6個(gè)FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)傳感器、2個(gè)FBG混凝土應(yīng)變計(jì)和1個(gè)FBG溫度傳感器,其中鋼筋應(yīng)力計(jì)式傳感器留有2個(gè)冗余。所有傳感器只敷設(shè)在拱頂和邊墻上,其中每個(gè)拱架的外側(cè)(和圍巖接觸)焊接2個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì),位置約在三分之一處;2個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)對(duì)稱埋設(shè)在拱頂拱架中間;溫度傳感器直接放在邊墻上。每個(gè)傳感器的信號(hào)傳輸光纖都從熔接并從初期支護(hù)兩側(cè)引出后進(jìn)行串聯(lián),整體布置情況如圖2所示。5 傳感器封裝、設(shè)置及保護(hù)5.1 傳

9、感器連接封裝   傳感器安裝前必須將信號(hào)傳輸光纖連接上,并在末端熔接相應(yīng)尾纖用于連接儀器?，F(xiàn)場(chǎng)熔接前將PU管套在傳感器留出的光纖外并將端部粘合在傳感器上;將鎧裝套管套在信號(hào)傳輸光纖上,將套有套管的一端光纖剝離出與傳感器進(jìn)行熔接;熔接裸露出光纖的部位先用PU管進(jìn)行保護(hù),再將粗套管移到兩外套管上用膠密封固定。尾纖同樣采用外套護(hù)套的方法進(jìn)行接頭處保護(hù)(圖3)。5.2 傳感器安裝和保護(hù)   FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)傳感器必須與鋼筋聯(lián)合為一體后才能進(jìn)行測(cè)試,采用截?cái)嗪附咏槿敕?該工作在地表完成。FBG傳感器的軸心要與待測(cè)鋼筋的軸線在同一直線上,焊接時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行防高溫保護(hù)

10、。拱架安裝固定后,FBG混凝土應(yīng)變計(jì)和FBG溫度計(jì)直接綁在拱架的格柵上固定,對(duì)FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)外裹上減震泡沫布來(lái)防止其在噴混凝土?xí)r被沖擊破壞。安裝結(jié)束后將所有傳感器的信號(hào)傳輸光纖沿主筋從兩側(cè)引出,光纖捆綁和引出時(shí)不得出現(xiàn)過(guò)大彎曲,使其平滑過(guò)渡。5.3 外引光纖的保護(hù)   各傳感器信號(hào)傳輸光纖采用了強(qiáng)度高的金屬鎧裝光纖,對(duì)部分薄弱部位利用多層套管法進(jìn)行保護(hù),光纖引出初期支護(hù)后再通過(guò)法蘭將各傳感器按照先后順序進(jìn)行串聯(lián)連接。根據(jù)不同階段外引的光纖,進(jìn)行不同形式的防爆破沖擊和開(kāi)挖機(jī)械破壞保護(hù)。6 監(jiān)測(cè)成果分析   本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試自2006年4月12至2006年7月

11、5日,共進(jìn)行了18次測(cè)試,對(duì)于應(yīng)變應(yīng)力類(lèi)傳感器,根據(jù)溫度測(cè)試值利用表進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正后根據(jù)公式(2)換算出應(yīng)變變化值。鋼筋應(yīng)力計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)到的軸力還需要進(jìn)行軸力換算,其中鋼筋E值為2.1×105MPa,橫截面面積為0.45cm2。通過(guò)以上數(shù)據(jù)處理后的值作出了各傳感器成果圖(圖4)。   監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,混凝土溫度變化主要發(fā)生在混凝土凝固前期,但由于地下水影響,其過(guò)程并未長(zhǎng)期持續(xù),很快趨穩(wěn)于巖土環(huán)境溫度(26.4,與當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁睾転榻咏?,穩(wěn)定后并未隨氣溫變化而波動(dòng);混凝土應(yīng)變主要發(fā)生在混凝土凝固前期,張拉調(diào)整后壓應(yīng)變逐漸增大,并隨著施工進(jìn)程而發(fā)生波動(dòng)(隨著施工推進(jìn)

12、混凝土溫度也逐漸趨向平穩(wěn)),相對(duì)初期其變化值在-150左右;拱架主筋的內(nèi)力隨著混凝土收縮和圍巖作用而逐漸增加,表現(xiàn)為壓力,變化主要發(fā)生在支護(hù)初期,并很快趨穩(wěn),受工程進(jìn)程影響而發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)變化,整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的最大軸力約為30kN,趨穩(wěn)后軸力在15kN左右。7 結(jié)論與展望   (1)本次現(xiàn)場(chǎng)采用了傳統(tǒng)傳感元件的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行了封裝,對(duì)傳輸光纖采用了鎧裝或者多層套管法進(jìn)行保護(hù),并在安裝過(guò)程中針對(duì)不同薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行特別保護(hù),將埋設(shè)成活率提高到90%左右。實(shí)踐證明,本次研究采用的封裝和保護(hù)方法實(shí)為有效。   (2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,光纖傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、漂移小,歷經(jīng)

13、三個(gè)月的地下水侵蝕,未出現(xiàn)因傳感器腐蝕而破壞或數(shù)據(jù)大幅漂移現(xiàn)象。證明光纖傳感器具耐腐蝕性,能夠用于腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。   (3)光纖傳感器對(duì)應(yīng)變和溫度交叉感應(yīng),對(duì)于非恒溫環(huán)境下的工程監(jiān)測(cè),其應(yīng)變應(yīng)力監(jiān)測(cè)要做好溫度的補(bǔ)償和修正。采用溫度獨(dú)立測(cè)試后再對(duì)應(yīng)變類(lèi)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒尚小?#160;  (4)將優(yōu)點(diǎn)各異的各種光纖傳感器在地下工程中進(jìn)行復(fù)合應(yīng)用,是今后的研究重點(diǎn)之一,利用它們各自特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ),提高監(jiān)測(cè)精度和效率,如分布式的BOTDR光纖傳感和高精度的FBG傳感聯(lián)合運(yùn)用。隨著該項(xiàng)技術(shù)研究及工程應(yīng)用的深入,相信光纖傳感技術(shù)會(huì)在地下工程監(jiān)測(cè)中發(fā)揚(yáng)光大。  參考文獻(xiàn)1MoreyWW,MeltzG,GlennWH.FibreopticBragggratingsensorsJ.SPIE,1989,(11):981073NicoleMetje,DavidN.Chapman,eta.lOpticalfibresensorsforremotemonitoringoftunneldisplacementsPrototypetestsinthelaboratoryJ.TunnellingandUndergrou