光纤光栅类仪器设备在隧道的检测

2.1 光纤光栅类仪器设备 光纤光栅类仪器采用武汉理工光科股份有限公司研发生产的GSYC—G1钢结 构表面式光纤光栅应变传感器、 GSYC—T2埋入式光纤光栅应变传感器和GSYC—T1 混凝土表面式光纤光栅应变传感器进行钢支撑内力、 二次衬砌内力和混凝土表面 应变等测试。
2.2.1 光纤光栅传感器监测原理 光纤布拉格光栅是最普通的一种光纤光栅， 是一种性能优异的窄带反射滤波 无源器件。 当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光纤光栅条件的光波 矢将被反射回来， 这样入射光栅波矢就会分成两部分： 投射光波矢和反射光波矢， 这就是光纤布拉格光栅的基本原理。应力（应变）和温度是最能直接显著改变光 纤布拉格光栅的物理量。 当布拉格光栅受到外界应力（应变）作用时，光栅周期会发生变化，同时光 弹效应会导致光栅有效折射率的变化；当布拉格光栅受外界温度影响时，热膨胀 会使光栅周期发生变化，同时，热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。基于光 纤布拉格光栅原理的传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅 中心波长，达到测试被测物理量的目的。 应力（应变）及温度的变化引起布拉格波长的变化，轴向应变与波长变化值 之间的关系为：
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－光栅周期。
通过应变、温度传感器基本工作原理可以知道，由于传感器自身的特性，温 度变化相对于应变(应变)变化对于光纤光栅中心波长变化的影响更为明显。 由于 光纤光栅对应变和温度参数同时敏感，在进行桥梁应变监测时，需要进行温度补 偿，通常采用线性补偿方法。这种方法的依据是:在 0℃～100℃和 0～1%应变的 测量范围内，忽略应变一温度交又灵敏度影响，对测量结果影响很小，把应变和
产品编号 产品描述 技术参数 波长范围 分辨率 采样速率 工作方式 1285nm-1325nm 1pm 50HZ 单通道 BGDPC-MA 一体化光线光栅解调器、单通道便携式。用于光 纤光栅波长信号解调与数据读取。
2）16 通道高速速光纤光栅解调器
产品编号 产品描述 技术参数 波长范围 分辨率 采样速率 工作方式 1285nm-1325nm 1pm 20HZ 十六通道同步测量 BGD-16M 光纤光栅解调器、16 通道高速。用于光纤光栅 波长信号解调与数据读取。
t 0 —补偿温度传感器实测波长，单位： pm
K t —应变传感器的温度系数，单位： pm /℃ K tt —补偿温度传感器温度系数，单位： pm /℃ K —应变传感器的应变系数，单位： pm
因此，在测量光栅的波长漂移中，扣除温度变化引起的波长漂移，即得应变 单独作用引起的波长漂移，从而达到了温度补偿的目的。
3 光纤光栅类仪器现场安装施工 本项目中所有光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪由武汉理工光科股份有限 公司供货并实施现场的安装施工， 武汉理工光科股份有限公司根据项目进度安排 仪器的生产并在组织施工之前发货到现场。 武汉理工光科股份有限公司在本项目 中提供的传感器和其他仪器设备包括： 1）64 只 GSYC-G1 钢结构表面式光纤光栅应变传感器和 8 支 GSWC-G1 钢结构
温度对光栅波长的作用可以当作是独立、线性叠加。根据上述原理，在应变光栅 传感器附近放置温度光栅传感器，使其处在同一温度场下，前者同时感受应变和 温度的变化，波长变化由两部分叠加而成；后者仅能感受温度的变化，波长变化 由温度引起，但两传感器所感受的温度变化相同，因此，考虑温度变化的应变可 用式（8）计算。
表面式光纤光栅温度传感器，应用于钢支撑内力监测。 2）320 只 GSYC-T2 混凝土埋入式光纤光栅应变传感器和 40 支 GSWC-T2 混凝 土埋入式光纤光栅温度传感器，应用于二次衬砌内力监测。 3）10 只 GSYC-T1 混凝土表面式光纤光栅应变传感器和 2 支 GSWC-T1 混凝土 表面式光纤光栅温度传感器，应用于二次衬砌表面应变监测。 4）两台 BGDPC-MA 便携式光纤光栅解调仪，其他安装工具、设备、辅材（连 接光缆、PVC 保护管、集线箱等）若干。 3.1 钢支撑内力监测传感器现场安装施工 钢支撑内力监测安装断面位置为 YK8+428、ZK8+912，每个断面安装 4 组共 32 支 GSYC-G1 钢结构表面式光纤光栅应变传感器，和 4 支 GSWC-G1 钢结构表面 式光纤光栅温度传感器， 根据隧道开挖与初期支护钢支撑的施工步骤进行分次安 装。 隧道开挖到设计安装断面之前， 在相应施工单位钢支撑加工场地找出传感器 设计位置相对应编号的工字钢， 预先将应变传感器和温度传感器安装到工字钢两 侧内外翼内表面上， 将连接光缆做好标记之后盘入工字钢中并做好相应保护，这 样做可以减少现场的施工难度， 提高现场施工速度，具体的安装步骤与工艺详见 图 XACJ-14。 图 XACJ-14
产品编号 产品描述 技术参数 标准量程 测量精度 分辨率 波长范围 安装方式 ±3000μ ξ ±0. 1%F S 1μ ξ 1284nm～1327nm 焊接 GSYC—G1 贴片式，用于钢结构表面的应变监测。
2）光纤光栅温度传感器（钢结构表面式） 产品编号 产品描述 技术参数 标准量程 测量精度 分辨率 波长范围 -20℃～+80℃ ±0. 2%F S 0.05℃ 1284nm～1327nm GSWC—G1 表面式，适用于钢结构表面的温度监测。
2.2.2 埋入式光纤光栅应变传感器 本项目采用 GSYC—T2 埋入式光纤光栅应变传感器来监测二次衬砌混凝土结 构内部的应变，从而分析隧道二次衬砌在运营期间的受力状况。GSYC—T2 埋入 式光纤光栅应变传感器对混凝土结构内部应变进行监测时，需要相应的 GSWC-T2 埋入式光纤光栅温度传感器来对温度进行测试，从而进行相应的温度补偿计算。 两种传感器的技术参数如下面的表格所示： 1）光纤光栅应变传感器（混凝土埋入式）
2.2.4 钢结构表面式光纤光栅应变传感器 本项目采用 GSYC—G1 钢结构表面式光纤光栅应变传感器来监测初期支护中 钢支撑上的应变，从而分析钢支撑在运营期间的受力状况。GSYC—G1 钢结构表 面式光纤光栅应变传感器对钢支撑进行监测时，需要相应的 GSWC—G1 钢结构表 面式光纤光栅温度传感器来对温度进行测试，从而进行温度补偿计算。 两种传感器的技术参数如下面的表格所示： 1）光纤光栅应变传感器（钢结构表面式）
2.2.3 混凝土表面式光纤光栅应变传感器 本项目采用 GSYC—T1 混凝土表面式光纤光栅应变传感器来监测二次衬砌混 凝土结构表面的应变， 从而分析隧道二次衬砌在运营期间的受力状况。GSYC—T1 混凝土表面式光纤光栅应变传感器对混凝土结构表面应变进行监测时， 需要相应 的 GSWC-T1 混凝土表面式光纤光栅温度传感器来对温度进行测试， 从而进行相应 的温度补偿计算。 两种传感器的技术参数如下面的表格所示： 1）光纤光栅应变传感器（混凝土表面式）
光纤光栅类仪器设备在厦门翔安隧道的 监测介绍及施工
摘要：翔安隧道多处穿越风化槽地段，风化槽围岩的特点为自承载能力差，压
缩性高， 具有十分显著的流变特性。本文主要介绍了光纤光栅类仪器设备对厦门 翔安隧道工程二次衬砌混凝土结构内部的应力检测介绍及施工， 对分析翔安隧道 的长期稳定性具光栅类仪器设备 检测介绍
B
其中： －光纤轴向应变下的波长变化关系的灵敏度系数。
(1)
B (1 P)
P n 2 eff P12 ( P11 P12 ) 2
(2)
(3)
P11 、 P12 －弹光系数，即轴向应变分别导致的纵向和横向的折射率的变化。
－纤芯材料的泊松比。
槽内穿过。服务隧道有 7 处以上位于风化槽地段，其中有 4 处在风化槽内穿过， 风化槽地段围岩条件较差，一般为Ⅳ、Ⅴ级围岩。
2 测量仪器
风化槽围岩的特点为自承载能力差，压缩性高，具有十分显著的流变特性。 在设计基准周期100 a的漫长时间里，强风化围岩的流变作用会引起围岩应力调 整， 大幅增加支护上的荷载， 引起衬砌结构的变形及开裂， 从而影响工程稳定性。 此外与山岭隧道相比海底隧道还要长期承受高水压的作用， 一旦发生事故后果不 堪设想， 因此研究风化槽围岩的二次衬砌混凝土结构内部的应变、进一步分析翔 安隧道的长期稳定性具有十分重要的意义。
1 0 t1 t 0 Ktt K t K 0
式中， —测量应变，
(8)
0 —初始应变，单位：
1 —应变传感器初始波长，单位： pm
0 —应变传感器实测波长，单位： pm
t 1 —补偿温度传感器初始波长，单位： pm
产品编号 产品描述 技术参数 标准量程 测量精度 分辨率 波长范围 安装方式 ±3000μ ξ ±0. 1%F S 1μ ξ 1284nm～1327nm 膨胀螺栓固定 GSYC—T1 表面式，用于混凝土结构表面的应变监测。
2）光纤光栅温度传感器（混凝土表面式）
产品编号 产品描述 技术参数 标准量程 测量精度 分辨率 波长范围 安装方式 -20℃～+80℃ ±0. 2%F S 0.05℃ 1284nm～1327nm 膨胀螺栓固定 GSWC—T1 表面式，适用于混凝土结构表面的温度监测。
施工
1 工程概况
厦门东通道（翔安隧道）工程是厦门市本岛第三条进出岛公路通道，连接厦 门市本岛和大陆翔安区。工程全长 8.695km，其中海底隧道长 6.05km，跨越海域 宽约 4200m，是我国大陆地区第一座大断面海底隧道。设计采用三孔隧道方案， 两侧为行车主洞， 各设置 3 车道， 中孔为服务隧道。 主洞隧道建筑限界净宽 13.5m， 净高 5.0m。服务隧道建筑限界净宽 6.5m，净高 6m。主洞隧道侧线间距为 52m， 服务隧道与主洞隧道净间距为 22m。计算行车速度 80km/h。隧道最深处位于海平 面下面约 70m，最大纵坡 3%。左、右线隧道各设通风竖井 1 座，隧道全线共设 12 处行人横通道和 5 处行车横通道，横通道间距 300m。隧道主要采用钻爆法施 工，支护结构设计为复合衬砌结构。 翔安隧道工程场区以燕山早期花岗岩及中粗粒黑云母花岗岩为主， 穿插辉绿 岩、二长岩、闪长玢岩等喜山期岩脉。主要不良地质现象包括隧道两端陆域及浅 滩全强风化地层。海域段 F1、F2、F3 三处全强风化深槽和 F4 全强风化深囊。 海底风化深槽， 是海底岩层因风化作用形成的深坑，就像一只嵌在岩石中的 V型水缸，下半部装满了淤泥沙石，它竖直地嵌入岩层，与海水相通，一旦施工 不慎， 就像在几十米的海水压力下把隧道撕开了一个口子，整条隧道都有报废的 危险。简单一点说，海底风化深槽就是连通海水的烂泥。 翔安隧道多处穿越风化槽地段。在海域内，左线有 10 处以上风化槽地段， 其中 3 处在风化槽内穿过。 右线有 9 处以上位于风化槽地段，其中有 4 处在风化