基于BOTDA的隧道变形监测技术研究

公路2010年2月第2期H IGH W AY Feb12010N o12文章编号:0451-0712(2010)02-0204-05中图分类号:U456131文献标识码:A 基于BOT DA的隧道变形监测技术研究张桂生1,毛江鸿2,何勇2,金伟良2(11浙江黄衢南高速公路有限公司衢州市324000;21浙江大学结构工程研究所杭州市310058)摘要:由于隧道工程所处环境的特殊性与复杂性,为保证安全运营,须对其进行长期变形监测,提出了一种将气吹敷设传感光纤法和真空灌浆固定传感光纤法相结合的光纤传感器铺设方法。

该方法能在较短施工期内将分布式光纤传感器准确埋入混凝土内部,同时采用经典剪滞理论分析了该方法铺设的传感光纤感应结构应变的有效性,并结合工程应用介绍了基于分布式光纤传感系统的隧道变形监测技术的基本方法。

关键词:隧道工程;变形监测;分布式光纤传感器;光纤埋设隧道修建在岩土介质中,属于半隐蔽工程,受运营年限、地质条件、设计施工等因素的影响,运营隧道中出现病害的隧道数量越来越多。

衬砌结构劣化是影响隧道健康运营的最主要病害,具体表现在变形侵限、裂缝、错台、掉块、坍塌、渗漏水、边墙下沉等方面。

这些病害不仅降低了隧道结构的安全性、耐久性以及使用性能,还会诱发其他类型的病害,直接缩短隧道的使用寿命[1]。

据对我国5000座铁路隧道的统计,约1/3的隧道存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。

而公路隧道由于其跨度大,衬砌结构形式种类多,所穿越的地质条件复杂多变,出现病害的情况更多、更严重[2]。

因此,开发一种全面、稳定、长期的健康监测方法,以实现对运营隧道的长期监测非常必要。

隧道结构具有距离长、围岩类型复杂、病害出现位置不确定等特点,采用传统的点式或准分布式监测方法,如电阻应变片、钢弦应变计、光纤光栅技术[3]及地质雷达法[4],无法满足隧道全面、稳定、长期监测的要求。

基于布里渊频移的分布式光纤传感技术(BOT DA)具有分布式、长距离、高精度、耐久性和实时性等特点,适用于隧道结构的长期变形监测。

光纤作为应变、温度信号获取和传递的介质,具有精巧、纤细等特点,如何将光纤传感器铺设到长达数百米,甚至数公里的大型基础工程内部一直是工程应用中面临的关键问题。

施斌等[5]用黏合剂将光纤粘贴,附在隧道二衬表面上,对隧道整体变形进行了长期监测并取得理想的监测成果。

但是黏合剂存在老化问题,难以保证在结构服役年限内得到可靠的监测数据,且光纤容易受到后期施工的破坏。

本文提出一种将气吹敷设传感光纤法和真空灌浆固定传感光纤法相结合的预埋式光纤传感器的铺设方法。

该方法能在较短施工期内将光纤传感器埋入混凝土内部,保证后期监测数据的稳定,通过合理设计监测网络并结合BOT DA技术可实现对隧道全面、长期、稳定的变形监测。

1BOTDA技术布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生互相作用而产生的光散射现象。

当光纤沿线的温度发生变化或存在轴向应变时,光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移。

频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系,因此通过测量光纤中的背向布里渊散射的频率漂移量(v B)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。

BOT DA技术从光纤的两端分别注入脉冲光信号和连续光信号,当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时,该区域就会发生受激布里渊放大效应,两束光之间发生能量转移[6]。

根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系,对两激光的频率进行连续的调节,监测从光纤一端耦合出来的连续光功率,可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率。

BOT DR的测量原理如图1所示。

收稿日期:2009-04-24图1 BOTDA 的应变测量原理图光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移量之间的关系如式(1)所示[7]:v B (E ,T )-d v B (T )d T (T -T 0)=v B (0)+d v B (E )d EE (1)式中:v B (0)为初始应变、初始温度时布里渊频率漂移量;v B (E ,T)为在应变E 、温度T 时布里渊频率漂移量;d v B (T )/d T 为温度比例系数;d v B (E )/d E 为应变比例系数;T -T 0为光纤温度差;E 为光纤应变变化量。

发生散射的位置至脉冲光的入射端的距离Z如式(2)所示:Z =c #t2n(2)式中:c 为真空中的光速;n 为光纤的折射率;t 为发出的脉冲光与接收到的散射光之间的时间间隔。

目前,BOT DA 技术的应变测量范围为-3%~3%,应变测量精度达01002%;温度测量范围为-273e ~700e ,温度测量精度达011e ;最小空间分辨率为015m 。

仪器测量精度能满足隧道变形监测的要求。

2 隧道整体变形监测网优化设计为对运营隧道进行全面的变形监测和健康诊断,需从围岩类型、应力水平、施工可操作性及经济性等多方面出发,合理设计光纤监测网络。

隧道本质上是围岩和支护结构的综合体[8]。

对于Ó级、Ô级等地质状况较好的围岩,结构体主要是靠初期支护来平衡围岩应力,二衬结构的基本作用在于保持断面的使用净空,防止围岩质量的进一步恶化,承受可能出现的各种荷载,使隧道支护体系有足够安全度[9]。

而对Õ级围岩而言,则通过二次衬砌与初期支护一起共同受力,以抵抗围岩压力,且初期支护对二衬的接触压力也较大。

二衬拱圈的受力较为复杂,衬砌拱顶、拱腰和拱脚往往承受较大的拉、压应力作用[10]。

为实现对隧道整体变形的全面监测,沿隧道长度方向在拱顶、拱腰、拱脚位置布设连续光纤传感器(图2),沿拱圈环向光纤传感器的间距根据围岩类型、经济性及施工可操作性等各方面经优化设计后确定。

Õ级围岩二衬混凝土作为隧道变形监测的重点,须在/一模二衬0混凝土(10m)内埋设两道或多道环向光纤传感器,Ó级、Ô级围岩的光纤传感器布设间距根据实际情况调整,环向光纤传感器总体布置如图3所示。

图2 纵向监测光纤布置图3 环向监测光纤布置3 分布式光纤传感器铺设研究目前,隧道分布式光纤变形监测主要是在二衬混凝土表面粘贴传感光纤。

该方法应用于长隧道变形全面监测时铺设工作量大,后期各工种施工也可能破坏光纤传感器,且黏结剂的老化将影响测量精度。

浙江大学结构工程研究所[11]采用气吹敷设传感光纤和真空灌浆固定传感光纤相结合的分布式光纤铺设方法完成了某海底管道的健康监测。

本文将该方法应用于隧道整体变形的长期监测中,具有如)205) 2010年 第2期 张桂生等:基于BO T DA 的隧道变形监测技术研究下优点:可在短期内将光纤传感器埋入混凝土内部;光纤传感器能监测到混凝土内部应变,利于分析二衬支护结构的整体性能;光纤传感器工作环境稳定可靠,能保证后期监测数据的连续有效性。

该方法只需在隧道主体施工过程中,将微管按照预定位置铺设,待主体完成后将预埋环向和纵向微管连成整体后敷设传感光纤。

311 气吹敷设传感光纤1982年英国电信首次发明了气吹光缆技术,该技术于1997年正式引入我国。

气吹法是利用机械推进器把带保护层的光纤推进微管,同时空气压缩机把强大的气流通过气吹机的密封仓将高压空气流送入管内。

光纤表面采用了特殊的涂层,当压缩空气进入微管以后,光纤能借助空气动力悬浮在管内,并随空气涡流作用向前飘行,因此光纤在微管中是被气流推动前进而不是被拉进微管的。

气吹过程中纤芯没有方向性,光纤在微管中的前进方向只是取决于压缩空气的吹动方向,并且光纤端头没有应力,光纤不易被破坏。

气吹法在通信领域应用非常广泛,但用气吹法布设传感光纤在国内外尚无先例。

在隧道变形监测中,绕拱微管的设置使气吹线路弯曲、复杂,大量的90b 转角也增大了气吹铺设的难度。

为解决气吹过程中回压明显、摩擦阻力大等问题,通过设置转角微管、控制气吹速度以及添加润滑剂等措施,实现隧道分布式传感光纤的长距离气吹。

312 真空灌浆固定传感光纤真空灌浆在预应力混凝土施工中应用广泛,但用来在微管中固定传感光纤鲜有报道。

真空灌浆固定传感光纤是利用高压灌浆机和真空泵将特殊配合比的水泥浆灌入微管,水泥浆硬化后固定传感光纤。

其特点是:管内浆体在负压下流动,可实现长距离灌浆;真空状态下,管内空气、水分及灌浆料中气泡被消除,减少了孔隙;管两端的正负压力差及整个灌浆系统的良好密封性,提高了管内浆体的饱满度和密实度;灌浆过程连续且迅速,缩短了施工时间[12]。

隧道变形监测中选用的微管为满足气吹要求及避免对隧道二衬混凝土完整性造成破坏,选用小直径微管( 16mm )且一次性灌浆长度达数百米。

灌浆料的流动性决定了灌浆距离,硬化后水泥浆的密实性影响应变传递性能,本文采用优化设计的灌浆料[13],对内部敷设了传感光纤的微管进行真空灌浆试验,密实性效果如图4所示。

图4 灌浆料密实性示意313 应变传递有效性分析传统分布式光纤传感器主要由纤芯、包层、涂覆层组成。

涂覆层的弹性模量与纤芯弹性模量相差很大(约10倍),同时涂覆层和混凝土基体的弹性模量也相差较大,致使纤芯感应到的应变与结构实际应变存在差异。

Ansari 等[14]根据剪滞理论首先得到了光纤传感器的应变传递理论公式,通过有限元分析验证了上述理论的正确性[15],并提出短光纤才出现基体与传感光纤应变不协调问题。

本文提出的分布式光纤传感器采用在微管内灌入水泥净浆作为黏结层固定传感光纤,其结构模型及力学模型如图5、图6所示。

图5 光纤传感器结构有文献[16]根据剪滞理论并假设各层之间同步变形,即相邻层之间应变变化梯度接近:d E g d x U d E cd x (3)光纤与各中间层不直接受力,光纤传感器端部为自由端面,得到边界条件为:E g (L )=E g (-L)=0(4)并认为各中间层弹性模量相比纤芯、基体的弹性模量可以忽略,推导得到多层界面应变传递的理论公式:)206) 公 路 2010年 第2期图6 剪力传递E g x =E m1-cosh (kx )cosh (kL )(5)k 2=2r 2g E gEni=21G i ln r i r i-1+1G c ln r 1r g(6)预埋分布式光纤传感器为多层界面传递模型,该模型中水泥净浆填充层的弹性模量和纤芯及基体材料的弹性模量相近,因此结构应变传递到纤芯时需考虑各中间层的弹性模量。

本文依据上述过程,考虑了各中间层弹性模量对应变传递的影响,推导得到光纤传感器应变传递的理论公式。

纤芯应变和基体应变之间的关系和式(5)相同,参数k 由式(7)计算:k 2=2r 2g E g Eni=11G i1+Eni=2r 2i-1-r 2i-2r 2gE i-1E g -E i E g #lnr i r i-1+r 2i -r 2i-12r 2gE iE g (7)式中:E g (x )为光纤纤芯应变;E m 为基体应变;E i 为各中间层弹性模量;G i 为各中间层剪切模量;r i为各中间层半径。