光纖Bragg光柵傳感技術(shù)在隧道工程施工監(jiān)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(yè)技術(shù)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(huán)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(fā)利用所面臨的關(guān)鍵問題。為確保施工安全，對地下工程的安全和穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)測、評估和預測以趨利避害，已成為地下工程發(fā)展的迫切要求。地下工程監(jiān)測目前廣泛采用的常規(guī)監(jiān)測技術(shù)和傳統(tǒng)電傳感器采集數(shù)據(jù)的方法，不僅監(jiān)測范圍小、效率低，且有限的測點難以反映目標系統(tǒng)的整體情況;同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)容易受到外界環(huán)境中各類不利因素的影響，無法保證數(shù)據(jù)的準確性與長期穩(wěn)定性。

光纖Bragg 光柵(FBG)是20 世紀90年代發(fā)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，F(xiàn)BG 傳感技術(shù)以其獨特優(yōu)勢逐漸應用于結(jié)構(gòu)、巖土等領(lǐng)域［1-7］，但多為長期健康監(jiān)測，其在施工過程中的應用罕見。本文通過室內(nèi)試驗分析FBG 傳感器的優(yōu)勢，并通過實際隧道工程施工的應用，為FBG 傳感技術(shù)在地下工程施工監(jiān)測中的推廣應用提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 FBG傳感器室內(nèi)試驗

在室內(nèi)澆筑混凝土柱，經(jīng)過標準養(yǎng)護后，在混凝土柱側(cè)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，F(xiàn)BG 應變傳感器與電阻應變片采集的變形數(shù)據(jù)，分析FBG 傳感器的優(yōu)勢。

1.1 試驗準備

鋼筋混凝土立柱:構(gòu)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(cè)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(jù)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(shù)據(jù)。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(wěn)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(shù)據(jù)分析

圖2、圖3 分別為A、B 兩個監(jiān)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，F(xiàn)BG 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(cè)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(shù)據(jù)表明，F(xiàn)BG 傳感器具有良好的重復性。

對構(gòu)件進行破壞性加載試驗時發(fā)現(xiàn)，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(cè)出現(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)充分反應了被測結(jié)構(gòu)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(jiān)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(shù)對施工期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形等進行實時監(jiān)測。監(jiān)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(jié)構(gòu)沉降以及管片鋼筋應變。具體的監(jiān)測項目如表1所示。

表1 通道工程FBG 監(jiān)測項目

2.1 通道北段基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

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

圖5 斷面1 支撐軸力監(jiān)測曲線

圖6 斷面2 支撐軸力監(jiān)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(jiān)測的數(shù)據(jù)與實際施工工況相吻合;FBG 傳感器與傳統(tǒng)振弦式傳感器的監(jiān)測數(shù)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(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，表明監(jiān)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(gòu)推進期間已建地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通道工程中盾構(gòu)開挖的368～373 環(huán)間要下穿已建成的地下通道，為確保盾構(gòu)安全推進，需及時掌握盾構(gòu)推進期間已建地下通道的變化，主要的監(jiān)測內(nèi)容包括已建地下通道結(jié)構(gòu)沉降變化及施工縫張開量的變化。

2.2.1 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

已建地下通道結(jié)構(gòu)的沉降變化采用FBG 傳感器靜力水準系統(tǒng)進行監(jiān)測。測點布置在施工縫兩側(cè)，共計6 個測點，編號為J0～J5。FBG 傳感器靜力水準系統(tǒng)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(jiān)測結(jié)果如圖9、圖 10所示。

圖9 為盾構(gòu)推進過程中，已建地下通道(人行地道)結(jié)構(gòu)沉降斷面變化情況。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，刀盤在地下通道結(jié)構(gòu)下方時，地下通道結(jié)構(gòu)變化平緩;刀頭通過地下結(jié)構(gòu)時，地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上位移;穿過之后，地下結(jié)構(gòu)逐步回落。

圖9 盾構(gòu)推進過程中已建地下通道沉降監(jiān)測變化曲線

圖10 盾構(gòu)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(gòu)推進過程中，已建地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點的垂直位移變化情況。從圖中可以看出，地下通道結(jié)構(gòu)受到施工影響十分明顯:當盾構(gòu)推進施工時，地下結(jié)構(gòu)即發(fā)生向上位移，在本環(huán)停止推進時，通道結(jié)構(gòu)向上位移達到本環(huán)施工期間的最大值，在盾構(gòu)暫時停止推進后，土體中壓力消散，地下通道結(jié)構(gòu)位移逐步回落;隨著盾構(gòu)接近地下通道結(jié)構(gòu)，地下通道結(jié)構(gòu)向上位移逐步增大。這顯示了靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)控的優(yōu)越性，可實時提供施工對周邊環(huán)境的影響數(shù)據(jù)，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(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)測結(jié)果如圖11所示。圖中，數(shù)據(jù)為“+”表示施工縫寬度增大，數(shù)據(jù)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(gòu)推進過程中，變化不大。

2.3 隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為及時掌握盾構(gòu)施工過程中通道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等信息，對盾構(gòu)隧道第374 環(huán)管片的鋼筋內(nèi)力進行監(jiān)測。為了檢驗FBG 應變傳感器的監(jiān)測效果，在實際監(jiān)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(jiān)測。測點的布置見圖12。監(jiān)測結(jié)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(gòu)管片監(jiān)測元件布置圖

圖13～圖16 分別為 374 環(huán) 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(xiàn)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(huán)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(fā)展規(guī)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，F(xiàn)BG 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(wěn)定性較好。

圖13 374 環(huán)L1 塊環(huán)片鋼筋應變歷時曲線

圖14 374 環(huán)L2 塊環(huán)片鋼筋應變歷時曲線

圖15 374 環(huán)B3 塊環(huán)片鋼筋應變歷時曲線

圖16 374 環(huán)B5 塊環(huán)片鋼筋應變歷時曲線

3 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)試驗及FBG 傳感技術(shù)在具體通道工程施工過程中的應用，得到以下結(jié)論:

(1)以FBG 為傳感器的靜力水準系統(tǒng)可實時自動化采集，大大提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性，避免最大變形的漏檢，充分體現(xiàn)了FBG 監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點。

(2)在支撐軸力及管片應力監(jiān)測中，對FBG 傳感器與傳統(tǒng)振弦式鋼筋計的測試數(shù)據(jù)進行比較，兩者的測試結(jié)果有一定的符合性，但FBG 傳感器表現(xiàn)了更好的穩(wěn)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(xiàn)光纖光柵傳感器的長期穩(wěn)定性等優(yōu)點。

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