隧道錨桿軸力光纖光柵量測技術(shù)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(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)逐步發(fā)展起來［1］。與傳統(tǒng)電傳感技術(shù)相比，以光纖體作為傳導(dǎo)信息的載體，使其在傳輸信號過程中，抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度增強(qiáng)，耐久性及響應(yīng)性都好，且體積小，適用環(huán)境范圍大。目前，光纖光柵技術(shù)在許多的工程領(lǐng)域得到運用［1-4］。

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

其中，Λ為光柵周期;β為傳播常數(shù)。

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(shù)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(diào)解裝置測量波長的變化。當(dāng)被測量例如應(yīng)變或者溫度參數(shù)改變時，光柵材料的柵距會相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而最終導(dǎo)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(shù)的變化過程。例如測量應(yīng)變時，當(dāng)光柵受到外力產(chǎn)生應(yīng)變，光柵柵距產(chǎn)生變化ΔΛ，由式(2)得：

則應(yīng)變?yōu)椋?/p>

1 測試傳感器制作過程

目前研制儀器設(shè)備的最大測量距離為80 km，應(yīng)變測量范圍為-15 000 με～+15 000 με，光柵傳感器對應(yīng)變、溫度檢測精度可達(dá)到1 με和0.1℃。距離分解度可達(dá)0.1 m，應(yīng)變的測量精度達(dá)±30 με，能滿足工程的測試要求。在實體監(jiān)測過程中，通過在測體表面鋪設(shè)或者內(nèi)部埋設(shè)，對測體相關(guān)變形、健康狀況進(jìn)行實時監(jiān)控。另外，可以通過串聯(lián)多個光纖光柵傳感器制作傳感網(wǎng)絡(luò)，對測體開展準(zhǔn)分布式檢測，也可以通過遠(yuǎn)程控制對傳感信號進(jìn)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(jīng)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(yīng)模型粗放式制作過程，試驗中自行設(shè)計了光纖光柵傳感器的封裝方法。試驗結(jié)束后傳感器的存活率達(dá)到90%，證實了該封裝方法的可行性。現(xiàn)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(xiàn)，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(dāng)圍巖達(dá)到錨桿設(shè)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(jīng)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(shè)計是一種動態(tài)設(shè)計，施工圖基本是一種預(yù)設(shè)計，需在掘進(jìn)過程中根據(jù)已開挖段揭露的圍巖地質(zhì)水文狀況、支護(hù)穩(wěn)定情況不斷對開挖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。故需要在隧道施工過程中對錨桿軸向受力進(jìn)行監(jiān)控量測。

2.2 測試結(jié)果

根據(jù)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(shè)在隧道拱腳處、邊墻和墻腳的錨桿基本上呈受拉狀態(tài)，隨著隧道施工過程推進(jìn)，掌子面向前延伸的過程中，桿拉力呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，但經(jīng)過一段時間圍巖調(diào)整變形逐漸趨于穩(wěn)定，從而可以肯定系統(tǒng)錨桿在破碎圍巖穩(wěn)定過程中發(fā)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(tǒng)錨桿中的作用很重要，鎖腳位置錨桿的施工質(zhì)量應(yīng)是施工過程中的控制節(jié)點。由于施工過程不當(dāng)或者操作不規(guī)范，錨桿沒有徑向打設(shè)，致使錨桿傾斜過大，部分系統(tǒng)錨桿處于受壓狀態(tài)，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(jié)語

光纖光柵傳感器不僅克服了傳統(tǒng)傳感器服役周期短，難以克服監(jiān)測環(huán)境惡劣等缺點，而且其具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、復(fù)用能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、高精度等優(yōu)點，可以解決工程實體監(jiān)測難題。將光纖光柵技術(shù)運用隧道錨桿軸力的量測，測試結(jié)果可靠，具有一定的代表性。

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