光纖Bragg光柵傳感技術在隧道工程施工監測中的應用

劉 穎 龔新亞 朱仕虎

(1.無錫太湖學院土木工程系，214064，無錫 ;2.無錫南洋職業技術學院建筑工程系，214081，無錫∥第一作者，講師，工程師)

地下工程施工對周圍環境包括地面臨近建筑物、道路、管道和既有地下工程的影響是地下空間開發利用所面臨的關鍵問題。為確保施工安全，對地下工程的安全和穩定狀態進行監測、評估和預測以趨利避害，已成為地下工程發展的迫切要求。地下工程監測目前廣泛采用的常規監測技術和傳統電傳感器采集數據的方法，不僅監測范圍小、效率低，且有限的測點難以反映目標系統的整體情況;同時，監測數據容易受到外界環境中各類不利因素的影響，無法保證數據的準確性與長期穩定性。

光纖Bragg 光柵(FBG)是20 世紀90年代發展起來的一種新型全光纖無源器件，利用其可制成多種傳感器，如溫度、應變、應力、壓強等傳感器［1］。近年來，FBG 傳感技術以其獨特優勢逐漸應用于結構、巖土等領域［1-7］，但多為長期健康監測，其在施工過程中的應用罕見。本文通過室內試驗分析FBG 傳感器的優勢，并通過實際隧道工程施工的應用，為FBG 傳感技術在地下工程施工監測中的推廣應用提供一定的技術依據。

1 FBG傳感器室內試驗

在室內澆筑混凝土柱，經過標準養護后，在混凝土柱側面相應位置粘貼FBG 應變傳感器與電阻應變片，對比混凝土柱在軸心受壓作用下，FBG 應變傳感器與電阻應變片采集的變形數據，分析FBG 傳感器的優勢。

1.1 試驗準備

鋼筋混凝土立柱:構件尺寸為 300 mm ×300 mm ×1 000 mm ;混凝土強度為 C25，混凝土軸心抗壓強度fc=16.7 N/mm2，混凝土截面面積Ac=90 000 mm2;縱向鋼筋直徑為10 mm，鋼筋抗拉強度 f'y= 235 N/mm2，鋼筋橫截面積 AS=314 mm2。

光纖光柵傳感器:標準量程為±1 500 με;測量精度為 ±1 με。其中 με 為微應變。

加載設備:萬能伺服加載機。

分別在立柱的前后兩側面(A、B 面)中部粘貼FBG 傳感器與應變片，如圖1所示。

圖1 測試元件布置圖

1.2 試驗方案

根據鋼筋混凝土短柱的正截面承載能力計算式Nus=fcAc+f'yAs，得到立柱的承載能力標準值Nus=1 577 kN。

(1)彈性階段測量。確定加載范圍為0～500 kN，立柱處于彈性階段，對立柱共進行二次加載并采用FBG 傳感器采集數據。加載方式:共分5 級加載，加載速度5 kN/s;每級加載20 s，停頓20 s;加載至500 kN 后，平穩卸載至零。

(2)破壞階段測量。確定加載范圍為0～1 600 kN，整個試驗過程一直加載至立柱破壞。加載方式:共分6 級加載，加載速度10 kN/s，每級加載30 s，停頓20 s;加載至1 500 kN后，一直加載至立柱破壞。

1.3 試驗數據分析

圖2、圖3 分別為A、B 兩個監測斷面的混凝土立柱處于100～500 kN 彈性階段時FBG 傳感器、應變片的應變曲線。可以看出，FBG 傳感器與應變片在加載過程中具有良好的一致性，在100～500 kN之間均保持良好的線性。

圖4 為混凝土立柱A 側面FBG 傳感器3 次加載與應變測值曲線。3 次加載試驗中，前2 次為彈性階段重復加載，第3 次為破壞性加載試驗。3 次加載試驗數據表明，FBG 傳感器具有良好的重復性。

對構件進行破壞性加載試驗時發現，當對傳感器加載到1 300 kN 時，光纖光柵傳感器波長開始偏離線性而加劇變化，同時在混凝土塊的上側出現了微小裂痕，當加載到1 400 kN 時，波長急速下滑，而裂痕已相當明顯。監測數據充分反應了被測結構的受力情況。

圖2 FBG 應變傳感器與應變片的應變對比曲線(A 面)

圖3 FBG 應變傳感器與應變片的應變對比曲線(B 面)

圖4 FBG 應變傳感器3 次加載過程應變曲線

2 FBG在隧道工程施工監測中的應用

為確保某通道工程的施工安全，采用FBG 傳感技術對施工期間結構的內力及變形等進行實時監測。監測的主要對象包括基坑的軸力、已建地下通道施工裂縫、施工過程中結構沉降以及管片鋼筋應變。具體的監測項目如表1所示。

表1 通道工程FBG 監測項目

2.1 通道北段基坑監測數據分析

通道北段基坑監測的主要內容是對基坑內混凝土支撐軸力進行監測。為了檢測FBG 監測的效果，分別采用FBG 應變傳感器和傳統的振弦式鋼筋計進行監測。FBG 傳感器監測編號為G1、G2，振弦式鋼筋計監測編號為C1、C2。監測結果如圖5～圖8所示。

圖5 斷面1 支撐軸力監測曲線

圖6 斷面2 支撐軸力監測曲線

由圖5、圖6 可以看出，基坑開挖后，支撐軸力隨著開挖的進行而增大，在基坑底板澆筑后，支撐軸力有所減小，監測的數據與實際施工工況相吻合;FBG 傳感器與傳統振弦式傳感器的監測數值較為接近，二者變化趨勢基本一致。

由圖7、圖8 可以看出，兩個傳感器所測數據變化規律基本一致，表明監測的兩根支撐的應變基本相同。

圖7 斷面1 左右鋼筋FBG 傳感器應變歷時曲線

圖8 斷面2 左右鋼筋FBG 傳感器應變歷時曲線

2.2 盾構推進期間已建地下通道結構監測數據分析

通道工程中盾構開挖的368～373 環間要下穿已建成的地下通道，為確保盾構安全推進，需及時掌握盾構推進期間已建地下通道的變化，主要的監測內容包括已建地下通道結構沉降變化及施工縫張開量的變化。

2.2.1 沉降監測數據分析

已建地下通道結構的沉降變化采用FBG 傳感器靜力水準系統進行監測。測點布置在施工縫兩側，共計6 個測點，編號為J0～J5。FBG 傳感器靜力水準系統以最東端的靜力水準為基準點，基準點高程采用光學水準進行修正。具體的監測結果如圖9、圖 10所示。

圖9 為盾構推進過程中，已建地下通道(人行地道)結構沉降斷面變化情況。從監測數據分析，刀盤在地下通道結構下方時，地下通道結構變化平緩;刀頭通過地下結構時，地下結構產生向上位移;穿過之后，地下結構逐步回落。

圖9 盾構推進過程中已建地下通道沉降監測變化曲線

圖10 盾構推進過程中已建地下通道沉降歷時曲線

圖 10 為 6月17日 00∶00—12∶00 盾構推進過程中，已建地下通道結構監測點的垂直位移變化情況。從圖中可以看出，地下通道結構受到施工影響十分明顯:當盾構推進施工時，地下結構即發生向上位移，在本環停止推進時，通道結構向上位移達到本環施工期間的最大值，在盾構暫時停止推進后，土體中壓力消散，地下通道結構位移逐步回落;隨著盾構接近地下通道結構，地下通道結構向上位移逐步增大。這顯示了靜力水準監測系統的實時監控的優越性，可實時提供施工對周邊環境的影響數據，以指導施工，避免了普通水準觀測最大變形的漏檢。

2.2.2 施工縫寬度監測數據分析

已建地下通道施工縫張開量的變化采用FBG位移傳感器進行監測。在地下通道的3 個施工縫分別布置 1 個測點，編號為 NH1～NH3。NH1、NH3 測點的監測結果如圖11所示。圖中，數據為“+”表示施工縫寬度增大，數據為“-”表示施工縫減小。從圖11 可以看出，地下通道施工縫在整個盾構推進過程中，變化不大。

2.3 隧道管片結構內力監測數據分析

為及時掌握盾構施工過程中通道結構內力、位移等信息，對盾構隧道第374 環管片的鋼筋內力進行監測。為了檢驗FBG 應變傳感器的監測效果，在實際監測過程中分別采用預埋FBG 應變傳感器及振弦式鋼筋應力計進行監測。測點的布置見圖12。監測結果如圖13～圖16。

圖11 已建地下通道施工縫寬度變化歷時曲線

圖12 盾構管片監測元件布置圖

圖13～圖16 分別為 374 環 L1、L2、B3 及 B5 管片中由鋼筋測力計與FBG 應變傳感器測出的鋼筋應變曲線圖。由于施工現場條件限制，傳感器測讀時的初值時間在管片拼裝后有一定的滯后。從圖13～圖16 可以看出，374 環各管片的鋼筋應變變化不大;鋼筋測力計及FBG 傳感器測得的應變發展規律基本相同。分析兩種不同的傳感器測值變化曲線可以看出，FBG 傳感器曲線較為平緩且收斂，與工程實際情況相吻合，說明光纖傳感器穩定性較好。

圖13 374 環L1 塊環片鋼筋應變歷時曲線

圖14 374 環L2 塊環片鋼筋應變歷時曲線

圖15 374 環B3 塊環片鋼筋應變歷時曲線

圖16 374 環B5 塊環片鋼筋應變歷時曲線

3 結 語

本文通過室內試驗及FBG 傳感技術在具體通道工程施工過程中的應用，得到以下結論:

(1)以FBG 為傳感器的靜力水準系統可實時自動化采集，大大提高監測數據的時效性，避免最大變形的漏檢，充分體現了FBG 監測系統的優點。

(2)在支撐軸力及管片應力監測中，對FBG 傳感器與傳統振弦式鋼筋計的測試數據進行比較，兩者的測試結果有一定的符合性，但FBG 傳感器表現了更好的穩定性和更高的靈敏度。由于在通道工程中傳感器主要運用在施工期間，無法體現光纖光柵傳感器的長期穩定性等優點。

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