光纖技術在地鐵隧道健康監測中的應用研究

姜 海 青

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

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光纖技術在地鐵隧道健康監測中的應用研究

姜 海 青

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

探討了隧道監測中光纖光柵傳感網絡的建立模式，采用光纖技術，監測了深圳地鐵某隧道8個危險斷面中路面裂縫的位移、墻體應力集中處的應變以及溫度等物理量，并結合降雨量調研結果，探究了溫度與降雨對隧道健康的影響，指出光纖光柵傳感器具有測量精度高、傳輸距離長、長期穩定的顯著優點。

光纖光柵，隧道，健康監測系統，裂縫寬度

0 引言

隧道結構在運營過程中易因不斷承受地下水滲流、車輛荷載、環境溫度變化等外界因素的復雜作用而產生不同程度的損傷和劣化[1]，因此，其健康監測是隧道長期運營管理的保障。目前在隧道健康監測中，主要運用全站儀、水準儀等傳統的光電傳感技術，普遍存在壽命短、電絕緣性差、精度低等缺點。相對而言，光纖光柵傳感技術是通過解調傳感器的波長變化，轉化成傳感器所測的參量，與傳統光電傳感相比，可抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、埋設方便、可準分布傳感，耐久性良好[2-5]，適合隧道結構的長期實時監測[6-9]，如：學者開發了長距離光纖傳感監測系統，監測隧道施工階段隧道應變、混凝土應變與伸縮縫位移、初期支護工字鋼及錨桿應變、二襯混凝土應變等，同時還針對隧道運營階段的健康狀態進行監測[9]。

因此，本文研究光纖光柵在隧道結構健康監測中的應用，依托深圳地鐵某隧道監測工程，探究了降雨和溫度變化對隧道健康的影響規律。

1 隧道健康監測光纖光柵傳感網絡

光纖光柵傳感原理如圖1所示。

光纖光柵的監測理論目前研究已較成熟，可將光纖光柵視為一個光譜選擇器，被反射光的波長稱為該光柵的布拉格波長/中心波長，確定公式為[9]：

λB=2neffΛ

(1)

其中，λB為反射光中心波長(一般在1 500nm～1 595nm之間)，反射或透射波長光譜取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任一可使該參量產生變化的過程均會引起其反射光波的波長漂移。

2 基于光纖光柵的隧道健康監測系統

本文綜合研究該地鐵隧道的特性及環境因素，主要監測內容為：

1)隧道主體結構車行道路面裂縫擴展規律；2)隧道主體結構可能的應力集中斷面墻體縱、豎向應變分布。監測斷面見圖2。

3 監測結果分析

3.1 溫度對裂縫的影響規律

監測數據規律。在無臺風暴雨等極端天氣條件影響時，隧道裂縫寬度與溫度變化大致呈負相關關系。中短期(24h內)，由于裂縫兩側混凝土導熱系數較小，熱傳遞時間長，裂縫寬度對溫度變化的響應有延時，圖3中裂縫波峰(或波谷)與溫度的延遲約1h～2h。

兩裂縫的溫度相關系數大小與變化趨勢都一致，若無其他因素干擾，裂縫變化的溫度相關系數基本處于-0.75～-1的范圍內，表明溫度變化對裂縫的變化有密切的影響；若有其他較強環境因素影響，如降雨或臺風(9月1日,10日等)，溫度相關系數大幅減弱，表明其他因素對裂縫的影響程度遠高于溫度。

3.2 剔除溫度后降雨對隧道裂縫的影響規律

深圳2015年9月份～10月初34 d中降雨模式可概括為三種類型：Ⅰ型，強度中小，日降雨量19 mm～25 mm，歷時短；Ⅱ型，強度大，日降雨量35 mm～128 mm，歷時短～中；Ⅲ型，日降雨量16 mm～18 mm，歷時中～長。

1)降雨對裂縫的溫度相關系數的影響。結合圖3，圖4，雨型Ⅰ會對裂縫的影響較微弱，裂縫溫度相關系數只在降雨當天略有減弱；雨型Ⅱ與Ⅲ均為從降雨第2天溫度相關系數發生驟減，如雨型Ⅱ第2天,第3天降至-0.05,第4天雨停恢復至-0.92，雨型Ⅲ第2天驟減至微弱(-0.32,-0.15)，第3天恢復大半(-0.82,-0.79)，第4天恢復至雨前水平。說明降雨對裂縫帶來明顯影響，降低了裂縫與溫度的相關系數，影響程度大小與降雨強度和持續時間有關。

2)裂縫變化中的降雨影響規律。結合圖5，在同一溫度下，雨型Ⅱ的降雨對裂縫產生1 d之內急劇縮小的影響，時間上比最大降雨強度當天延后了1 d左右，縮小幅度在0.45 mm左右，之后該影響逐漸減弱，經過3 d,4 d基本消失，裂縫寬度恢復至雨前水平附近。9月13日～9月15日裂縫寬度快速增大，主要原因是降雨前溫度驟降，9月16日～9月18日裂縫寬度急劇減小，其中包含了降雨的影響和溫度升高兩方面疊加的影響，9月20日起，降雨影響基本消失，裂縫寬度恢復穩定。同樣，雨型Ⅲ作用時，在同一溫度下，降雨對裂縫產生閉合作用，使裂縫寬度在持續降雨的第2天明顯變小，最大閉合幅度從0.54 mm～0.75 mm不等，之后閉合作用逐漸減弱，在降雨停止后經過7 d,8 d基本消失，裂縫寬度恢復至雨前水平附近。

4 結語

本文以深圳某地鐵隧道為依托工程，研究了光纖光柵在地鐵隧道健康監測中的應用，并結合監測數據分析了降雨和車輛荷載對隧道結構的影響，總結如下：隧道裂縫寬度受溫度、降雨等自然條件影響，無大降雨或強臺風等影響時，裂縫寬度與溫度變化基本呈負相關關系;隨著降雨強度或持續時間增加，裂縫寬度變化受溫度影響程度將明顯降低，降雨對隧道裂縫寬度影響程度遠大于溫度變化作用。

[1] 張 彌.我國鐵路隧道結構安全性和耐久性分析[M].北京：中國建筑工業出版社,2004.

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[4] P. Moyoa, J.M.W.Brownjohn, R.Suresh，et al.Development of Fiber Bragg Grating Sensors for Monitoring Civil Infrastructure[J].Engineering Structures,2005(27):1828-1834.

[5] Mendez A，Morse T F，Mendez F. Applications of Embedded Optical Fiber Sensors in Reinforced Concrete Buildings and Structures[J]. Proc. SPIE，Fiber Optic Smart Structures and SkinsⅡ，1990(1170):60-69.

[6] CHAN T H T, YU L, TAM H Y, et al. Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma Bridge: background and experimental observation[J].Engineering Structures,2006,28(5):648-659.

[7] 梁 磊,姜德生,周雪芳，等.光纖Bragg光柵傳感器在橋梁工程中的應用[J].光學與光電技術，2003(2)：36-39.

[8] 魏廣慶,施 斌,胡 盛.FBG在隧道監測中的應用及關鍵問題探討[J].巖土工程學，2009(4)：571-576.

[9] R.Falciai, A.Vannini. Development of a Fiber Bragg Grating Strain Sensing System for Automotive Applications[J]. SPIE,2000(2718):100-121.

Study on metro-tunnel health monitoring based on grating

Jiang Haiqing

(ShenzhenInvestigation&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518026,China)

The building mode of FBG network in tunnel health monitoring was discussed to monitor the displacement of pavement cracks, strain in stress concentration field of walls and temperature in 8 critical sections. Then, by incorporating investigation result of rainfall, influence of temperature and rainfall to the tunnel health was researched. Point out the overriding advantage of fiber bragg grating in higher measuring accuracy, longer distance of transmission and better long-term stability.

fiber bragg grating, tunnel, health monitoring system, crack width

1009-6825(2017)07-0159-02

2016-12-25

姜海青(1984- )，男，碩士，工程師

U456.3

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