隧道錨桿軸力光纖光柵量測技術研究

崔志方

(河南中原高速公路股份有限公司，河南鄭州 410000)

伴隨著近代光纖及通信技術的發展，光纖傳感技術逐步發展起來［1］。與傳統電傳感技術相比，以光纖體作為傳導信息的載體，使其在傳輸信號過程中，抗電磁干擾能力強，靈敏度增強，耐久性及響應性都好，且體積小，適用環境范圍大。目前，光纖光柵技術在許多的工程領域得到運用［1-4］。

光纖光柵實際上只是一段纖芯經過特殊激光處理后具有折射率周期性變化的纖體結構［5-7］。當光柵周期和傳播常數滿足式(1)：

其中，Λ為光柵周期;β為傳播常數。

光纖光柵在傳輸信息過程中始終存在一個反射峰值波長，用λB表示：

其中，neff為有效折射率;Λ為光柵傳射過程周期。

故反射峰值波長受光柵傳射周期和有效折射率決定影響，兩方面參數的改變直接影響反射波長λB的大小。基于光纖光柵制作的傳感器，將有一定帶寬的光入射到光纖光柵中，符合條件的光被反射回來，再通過調解裝置測量波長的變化。當被測量例如應變或者溫度參數改變時，光柵材料的柵距會相應產生變化，從而最終導致反射波長改變。借助分析反射波長的變化即可得出所測得參數的變化過程。例如測量應變時，當光柵受到外力產生應變，光柵柵距產生變化ΔΛ，由式(2)得：

則應變為：

1 測試傳感器制作過程

目前研制儀器設備的最大測量距離為80 km，應變測量范圍為-15 000 με～+15 000 με，光柵傳感器對應變、溫度檢測精度可達到1 με和0.1℃。距離分解度可達0.1 m，應變的測量精度達±30 με，能滿足工程的測試要求。在實體監測過程中，通過在測體表面鋪設或者內部埋設，對測體相關變形、健康狀況進行實時監控。另外，可以通過串聯多個光纖光柵傳感器制作傳感網絡，對測體開展準分布式檢測，也可以通過遠程控制對傳感信號進行獲取和分析。

錨桿桿體直徑為22 mm，長度為3 500 mm，錨桿間距為1 000 mm×1 000 mm。經過計算，滿足相似定律的錨桿直徑為1.5 mm，長度為70 mm，采用焊錫替代原材料。為了適應模型粗放式制作過程，試驗中自行設計了光纖光柵傳感器的封裝方法。試驗結束后傳感器的存活率達到90%，證實了該封裝方法的可行性。現場錨桿工序一般為鉆孔、插入錨桿、注漿后固定。這一過程在模型試驗中難以實現，所以在模型制作過程中先放入錨桿。具體步驟如下：首先制作圍巖，當圍巖達到錨桿設計位置時，采用2倍錨桿直徑的鐵絲形成錨桿空洞，然后放入錨桿并注漿，注漿經過計算采用水膏比為1∶1的石膏。

2 工程實例

2.1 工程概況

某隧道圍巖以Ⅲ級～Ⅴ級為主，圍巖較差。按照新奧法理論，隧道設計是一種動態設計，施工圖基本是一種預設計，需在掘進過程中根據已開挖段揭露的圍巖地質水文狀況、支護穩定情況不斷對開挖支護參數進行調整。故需要在隧道施工過程中對錨桿軸向受力進行監控量測。

2.2 測試結果

根據某拱腳處錨桿的軸力測試資料，得出它的時程曲線如圖1所示。由圖1可知：布設在隧道拱腳處、邊墻和墻腳的錨桿基本上呈受拉狀態，隨著隧道施工過程推進，掌子面向前延伸的過程中，桿拉力呈現逐漸增加趨勢，但經過一段時間圍巖調整變形逐漸趨于穩定，從而可以肯定系統錨桿在破碎圍巖穩定過程中發揮了錨固作用。由圖1可以看出，位于拱腳位置的錨桿1的壓力值最大，同時墻腳位置的錨桿受拉也比較明顯，說明鎖腳錨桿在整個系統錨桿中的作用很重要，鎖腳位置錨桿的施工質量應是施工過程中的控制節點。由于施工過程不當或者操作不規范，錨桿沒有徑向打設，致使錨桿傾斜過大，部分系統錨桿處于受壓狀態，沒有起到懸吊作用。

圖1 某斷面錨桿軸力受力—時間曲線圖

3 結語

光纖光柵傳感器不僅克服了傳統傳感器服役周期短，難以克服監測環境惡劣等缺點，而且其具有結構簡單、可靠性好、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強、復用能力強、穩定性好、高精度等優點，可以解決工程實體監測難題。將光纖光柵技術運用隧道錨桿軸力的量測，測試結果可靠，具有一定的代表性。

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