光纖光柵傳感技術在洞室圍巖變形監測中的應用

(1.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430100； 2.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 620500)

光纖光柵傳感技術是20世紀末期光電行業最重要的發明之一，具有抗電磁干擾、防水性強、動態范圍寬、靈敏度高、便于組網、可實現分布式測量等優點[1]，為洞室圍巖變形(應變)監測提供了可行的途徑。近年來光纖光柵傳感技術得到了迅速發展，傳感器種類不斷增多，靈敏度不斷提高，解調技術不斷發展，如2008年李闊研制的一種適用于高溫環境下的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器[2]，2008年Zhang Yang設計出基于梁結構的光纖光柵激光器位移傳感器等[3]，李闖、張俊杰、周克明等在光纖光柵傳感器機理、設計、誤差分析及應用等方面也做了大量研究[4-6]。目前普通的光纖光柵溫度傳感器、應變傳感器和位移傳感器已經市場化，國內的武漢理工光科、上海波匯科技、北京品傲、北京基康科技，國外的美國MOI、SmartFiber、SmartTech、加拿大FISO等企業主要從事光纖光柵傳感器的生產和應用研究，其中理工光科的光纖光柵智能橋梁結構健康監測系統、火災報警系統較為成功。

洞室開挖后將引起一定范圍內的圍巖應力重新分布和局部地層殘余應力的釋放，在應力重新分布的作用下，一定范圍內的圍巖會產生位移而形成松弛區，進而引起塌方、片幫、巖爆等[7]。松弛區的形成過程與開挖方式及支護方式有關，只有掌握洞室圍巖松弛區形成的過程、范圍、規律及其影響因素，才可以更好地指導施工、反饋設計，確保施工安全，為圍巖應力和力學參數的反演分析提供可靠的信息和依據[8-10]。

目前，常用監測洞室圍巖變形(應變)的儀器有單點(多點)變位計、滑動測微計、收斂計等。單點(多點)變位計埋設簡單、受環境影響小，已在洞室工程中得到廣泛應用，但變位計測值為離散的測點，不能反映圍巖空間上連續的變形(應變)情況；后面幾種儀器精度高，但成本高、觀測不便(儀器笨重，觀測時需要的人多)且不能實現自動化，應用較少。由于光纖光柵傳感器普遍采用不銹鋼、硬質鋁等金屬材料封裝，傳感器易受周圍環境影響，將其長期用于惡劣環境下有一定難度，所以光纖光柵傳感器應用于洞室圍巖變形(應變)監測也相對較少[11-13]。本文對白鶴灘水電站主廠房洞室開挖過程中的圍巖變形進行監測研究，在相鄰部位同步埋設多點變位計、光纖光柵位移計和光纖光柵應變計，監測圍巖變形規律，通過監測成果對比分析和一致性分析，對光纖光柵傳感器洞室圍巖變形(應變)監測效果進行了評價；并針對有效測點判斷、測值突變數據處理等提出了新方法。

1 光纖光柵傳感器圍巖變形監測原理

光纖光柵傳感器是以光纖光柵為基礎，利用光纖光柵傳感技術進行量測的傳感器。光纖光柵就是一小段芯區折射率周期性調制的光纖[14]，當光纖光柵所處環境的應變、溫度等物理量發生變化時，光柵的柵格周期和有效折射率發生變化，從而引起反射光的中心波長漂移，通過測量被測物理量變化前后光柵中心波長的變化量，可實現被測物理量的測量[15](見圖1)。

光柵應變計觀測值為應變光柵當前波長值λ1和溫補光柵當前波長值λt1，圍巖由于溫度和荷載變化引起的總應變計算公式如下：

εt=K(λt-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

式中，εt為t時刻的總應變，με；K為應變計應變系數，με/nm；B為應變計溫度修正系數，με/nm；λt為應變光柵t時刻的波長值，nm；λ0為應變光柵初始的波長值，nm；λt1為溫補光柵t時刻的波長值，nm；λt0為溫補光柵初始的波長值，nm。通過不同時刻的觀測值可求得各測點的應變變化值。

光柵位移計觀測值為當前光柵的波長λ1、λ2，當圍巖產生拉伸變形時，λ1增大、λ2減小。位移計算公式如下：

L=A[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]2+

B[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]+C

(2)

式中,A,B,C為二次多項式系數，已知值；L為測點位移，mm；λ1，λ2為當前光柵的波長，mm；λ10,λ20為初始光柵的參考波長值，mm。通過不同時刻的觀測值可求得各測點的位移變化值。

2 工程概況及儀器布置

白鶴灘水電站位于西南山區，采用地下廠房布置，地下廠房、引水系統、尾調室、尾水系統均位于山體內，水平最大埋深約800 m，垂直最大埋深約540 m，形成了大規模地下洞室群。洞室巖層為單斜巖層，地層主要為P2β34～P2β61層隱晶質玄武巖 、斑狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰巖等，另外層間錯動帶C5、C4、C3和陡傾角裂隙RS411發育，爆破開挖中易產生一定程度的塑性變形和剪切變形。為監測洞室圍巖爆破開挖過程中的變形，爆破開挖前在廠頂錨固觀測洞預埋了多點變位計。為研究光纖光柵傳感器在圍巖監測中的應用，選取0+229斷面在原布設的多點位移計附近埋設了光柵位移計、光柵應變計同步觀測，監測儀器布置見圖2。

圖2 0+229斷面光纖光柵監測儀器布置Fig.2 Layout of FBG sensors at 0+229 section

光柵應變計和光柵位移計采用串接形式安裝，孔內每6支傳感器串接成一組，剩余不足6支傳感器也串接為一組。將串接好后的傳感器按安裝部位綁扎在護管上送入孔內，將每組傳感器2個鏈路端頭從孔口引出，安裝埋設方法見圖3。

圖3 光纖光柵應變計、位移計安裝示意Fig.3 Installation of FBG strain and displacement measurement

3 數據處理與監測成果

通過對多點變位計、光纖光柵位移計、光纖光柵應變計連續觀測18個月(2014年11月3日至2016年4月20日)，可得到如下變形規律。

3.1 多點變位計

上游拱腳和拱頂多點變位計Myc0+228-1、Myc0+228-2測得圍巖變形均呈緩慢增長趨勢，最大增長8.19 mm，期間主廠房進行了從第Ⅰ層至第Ⅲ層(高程611.4～595.9 m)的爆破開挖，圍巖的淺表層出現卸荷變形，位移大小與巖面距(測點距開挖面距離)有關，測點距離開挖面越近，圍巖變形越大，反之越小，位移分布見圖4。

圖4 巖面距-位移變化曲線Fig.4 Variation of displacement with the distance from measuring point to excavtion surface at different displacement points

3.2 光纖光柵位移計

3.2.1測點運行情況統計

上游拱腳和拱頂光纖光柵位移計DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40部分測點在運行一段時間后出現異常，主要表現為測值突變，導致測值與圍巖變形不一致，如DSyc0+229-2測點于2015年5月8日測得位移為4.31 mm，而2015年5月11日復測時測得位移為-3.88 mm，且異常點數隨著運行時間延長會增多。分析現場施工環境和光纖光柵位移計結構原理可知，測值異常主要受現場施工爆破振動影響，粘接在光纖上的光柵發生脫落，導致測值異常。根據光纖光柵位移計精度(±0.125 mm)和圍巖變形先驗信息，對DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40測點位移分類統計見表1。

3.2.2有效測點判斷和統計

為便于后續成果整理和分析，首先得剔除異常測點，根據光纖光柵位移計結構原理和儀器精度，本文提出了兩種方法進行有效測點判斷：① 原始測值λ1、λ2趨勢判別法，當圍巖產生拉伸變形時，對應的光柵波長λ1會增大、λ2減小，且λ1和λ2呈線性變化，如圖5所示。受爆破施工振動影響，成果異常的測點λ1和λ2測值出現波動，進而變化趨勢與正常測點不一致，當測點的λ1和λ2變化趨勢異常時，可以判定該測點為無效測點。② 平均位移統計法，按照“測點前后5次平均測值差異小于-0.2 mm作為無效測點，其他測點作為有效測點”的原則進行統計，統計結果見圖6。統計結果顯示，隨著時間推移，有效測點數逐漸減少。

表1 光纖光柵位移計測點運行情況統計Tab.1 The operation situation of FBG displacement meters

圖5 光纖光柵位移計測值λ1,λ2變化規律Fig.5 Variation of λ1,λ2 in FBG displacement meters

圖6 光纖光柵位移計有效測點統計Fig.6 Effective points of FBG displacement meters

3.2.3數據處理與成果對比分析

光纖光柵位移計按孔埋設，每個孔能實測20個測點的圍巖位移，根據上述有效測點判別方法將異常值剔除，并按照距離加權內插的方式進行內插，確保監測成果的連續性；相鄰部位埋設的多點變位計能實測距離開挖面1.5，3.5，6.5，11.0，17.0 m的圍巖變形，為將光纖光柵位移計的監測成果與多點變位計實測變形進行對比分析，驗證其應用效果，同樣按照距離加權內插[16]的方式進行內插，得到各個測點的位移。

經計算，得到1.5～3.5，3.5～6.5，6.5～11.0，11.0～15.5 m區間段和1.5 m處測點位移，結果見表2。

從表2可以看出，光纖光柵測得圍巖變形變化趨勢和分布規律與多點變位計一致，計算上游拱腳和拱頂的光纖光柵位移計和多點變位計各測點位移線性相關系數ρ[17]分別為0.92和0.94，一致性較好。

表2 光纖光柵位移計與多點變位計測得圍巖變形成果Tab.2 Surrounding rock deformation by FBG and multi-points displacement meters mm

圖7 FBG應變計微應變-深度曲線Fig.7 Curves of micrco strain at different depths by FBG stain meters

圖8 不同傳感器微應變-深度曲線對比Fig.8 Curves of micrcostrain at different depths by different sensors

3.3 光纖光柵應變計

光纖光柵應變計測得圍巖應變在-43.94～896.85 με(孔深14.0 m)之間(見圖7)，將光纖光柵位移計和多點變位計測得各測點位移利用位移與標距之間的關系計算各測點應變，分別為-85.04～5 387.19 με(孔深3.0 m)、34.29～2 290.00 με(孔深1.5～3.5 m)(見圖8)。受爆破開挖影響，各測點拉應變呈緩慢增長趨勢，從各測點分布來看，圍巖應變分布基本一致，量級有差異。

4 結論與展望

光纖光柵傳感器在洞室圍巖監測中應用較少，綜合光纖光柵位移計、光纖光柵應變計和多點變位計的同步監測成果分析，得到以下3點結論。

(1) 光纖光柵傳感器能較好地反映洞室圍巖在空間上和時間上變形(應變)變化規律：洞室開挖后，洞室周圍的原始應力場改變，應力重新調整而導致圍巖應變變化，圍巖內部產生的應力變化主要分布在距離開挖面較近(約3 m)的范圍內，且具有自洞壁向圍巖深部逐漸變小的趨勢，并隨著支護跟進和時間的增加，變形逐漸趨穩定。

(2) 針對光纖光柵位移計異常測點，本文提出的有效測點判別方法和異常測點內插法提高了監測成果的可靠性，確保了各測點的成果連續性。經處理，光纖光柵位移計測得洞室圍巖位移與相鄰部位的多點變位計的監測成果一致，一致性系數分別為0.92和0.94。

(3) 光纖光柵位移計易受現場施工振動等的影響，部分測點正常運行一段時間后出現測值不穩定的現象，有效測點數隨著時間的推移逐漸減少。儀器埋設后的1星期內均能正常運行， 1,3,6,11個月和18個月的有效測點占總數的百分比分別為：82.5%，67.5%，52.5%，37.5%，35.0%。

光纖光柵傳感器在長距離洞室(如輸水隧洞)圍巖變形(應變)連續監測中較傳統弦式、差阻式儀器具有明顯優勢，安裝簡單、經濟實用、易實現自動化，具有廣泛的應用前景。為切實提高光纖光柵傳感器在洞室圍巖變形(應變)監測中應用的可靠性和耐久性，需進一步加強光柵焊接技術研究。