光纖光柵傳感器在深隧工程健康監測中的應用★

楊 懷 閔紅平 阮 超 張延軍 李胡爽 曾利華

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著我國城鎮化的持續深入推進和環保要求的不斷提高，中心城區污水處理廠與城市發展的矛盾日益激烈，采用排水深隧技術將位于城市核心區的污水處理廠外遷至城市邊緣地帶，能有效解決城市污水處理廠用地與城市規劃、環境保護之間的矛盾，同時避免了傳統淺層排水管網施工對現有城市基礎設施的影響，社會效益和環境效益明顯[1]。目前深層隧道技術已廣泛應用于世界各大城市[2]，國內如廣州、武漢、深圳等地已陸續有深隧工程投入建設和運營。

深隧工程位于城市深層地下空間，所處地層地質條件復雜多變，且隧道內部流淌的往往是有壓腐蝕性介質，運行工況復雜，因此通常采用隧道結構健康監測技術對隧道變形、受力特征等內容進行實時、長期性監測，對隧道健康狀況進行評估，用以指導項目運營。

為取得真實可靠的連續性數據，監測元器件的選擇至關重要。目前在類似工程如地鐵隧道監測中，通常采用電阻式、振弦式等點式傳感器，這些點式傳感器普遍存在布設困難的問題，同時易受電磁場和環境因素影響，從而導致數據失真[3]。而近年來新興的光纖傳感技術或許是一種不錯的替代方案，因其具有耐腐蝕性好、抗電磁干擾能力強、長期使用穩定性高等特點，目前已普遍用于對各類工程進行監測。例如湯繼新等[4]利用布拉格光纖光柵技術實現了地鐵隧道斷面和結構變形的自動化監測；胡寧[5]利用光纖光柵傳感器完成了對廈門翔安隧道二次襯砌應變的長期性能監測。但是城市深層排水隧道在國內應用案例較少，更無采用光纖光柵傳感器開展運營期健康監測的先例。本文依托湖北大東湖深隧工程，針對隧道運營期結構形式、所處環境特點，具體介紹了光纖光柵傳感元件的布設方案，可為后續城市排水深隧工程結構健康監測系統的應用提供參考。

1 光纖光柵傳感技術簡介

光纖布拉格光柵(FBG)于1978年問世，具有光波選擇性反射的作用，入射光在光柵中傳播時，滿足特定條件的光才會被反射回來。當其所處環境發生改變時，反射光的波長也將發生變化，通過測量變化前后反射光的波長，即可計算出要測量的物理參數的改變情況。反射光波長變化主要受溫度和應變影響，通常表示為下式：

其中，Δλb為波長的變化；λb為光柵中心波長；Pe為彈光系數；α為熱膨脹系數；ξ為熱光系數；Δε為應變的變化；ΔT為溫度的變化。通過調制解調儀解調中心波長即可獲得待測的應變或溫度變化。

該技術的優點主要體現在三個方面，一是測試的信號不受光源波動、光纖材料彎曲或損耗、測試儀器老化等因素的影響；二是測量精度高，長期穩定性好；三是抗電磁干擾能力強，惡劣復雜環境下表現良好。自1989年首次用于監測鋼筋混凝土結構內部狀態參數以來，發展至今已成為土木工程領域進行結構健康監測的主要手段之一[5]。

2 工程應用

2.1 工程概況

武漢大東湖深隧工程主線隧道總里程17.5 km，全線包含9個盾構區間，與常規地鐵盾構隧道相比，具有隧道埋深大、斷面小的特點，豎井最大開挖深度達51.5 m，成型隧道最小斷面直徑3.0 m。隧道采用雙層襯砌結構，外側為25 cm厚預制管片，內側為20 cm厚現澆二次襯砌。隧道沿線主要穿越粉細砂、中風化灰巖、巖溶區等十多種巖層，地質條件復雜。運營期隧道內充滿了僅僅經過預處理的生活污水，具有一定腐蝕性，采用壓力傳輸方式，最大內水壓力可達0.43 MPa，隧道結構同時承受內外壓力，多場耦合促進作用使得污水隧道服役環境更為惡劣。因此考慮通過設置在隧道結構內部的監測元器件實時讀取隧道力學參數，研究盾構隧道在高壓污水工況下的損傷演化特性，并建立隧道結構健康狀態預警和評價模型。

2.2 監測方案

常規盾構隧道在結構內部預埋監測元器件以后，可將傳輸光纜布設在隧道內表面，在施工和運營期可對傳感器及傳輸光纜進行人工管理和維護。但在該工程中，由于運營期隧道內充滿了污水，因此不得不將傳輸光纜全部埋設在隧道結構內部，這就需要選擇更具針對性的監測方案。

原設計方案考慮采用振弦式傳感器，此時單個斷面線纜有40根，接引至豎井附近時線纜多達200根，需要在二次襯砌內預埋15根以上的PVC管，嚴重影響薄壁二襯結構的抗滲和力學性能，需尋找預埋線纜更少的方案，同時考慮到光纖光柵傳感器在耐腐蝕、抗干擾方面的優越性，因此該工程最終選擇采用光纖光柵傳感器。

監測斷面選擇方面，同樣考慮到在薄壁二襯混凝土結構內預埋過長的管線，會對隧道結構產生不利影響，最終在分別距離豎井70 m，85 m，100 m的位置選擇了三處典型地質斷面進行監測。監測元器件選擇了光纖混凝土應變計、光纖滲壓計、光纖鋼筋計三種。

2.3 施工工藝

二襯混凝土澆筑后，不具備對預埋的監測元器件及線纜進行維護的條件，同時由于光纖本身在受剪時會產生信號衰減甚至斷裂的特性，在施工過程中尤其需要注意。目前國內對于光纖光柵傳感器在工程領域的應用研究較多，但具體到現場實施層面，卻常常被人們所忽視，相對來說研究較少，目前能檢索到的有郝振方[6]對光纖光柵傳感器在結構健康監測系統中的施工工藝進行了專題研究，證實了相關施工工藝的可行性。本小節將對大東湖深隧工程健康監測元器件的具體實施流程進行簡單介紹。

在監測元器件正式安裝前，逐個進行檢驗和編號，確認元器件完好無損，便于現場安裝定位以及后期數據查詢處理。接下來是各種元器件的安裝，因為光纖混凝土應變計測量的是二襯環向應變，因此應變計需平行于環向受力主筋方向固定，且每個測點需布置兩個應變計，內外側鋼筋上各安裝固定一個，安裝完畢后將量測傳輸光纜導入專用穿線管。安裝光纖滲壓計前，在滲壓計周圍纏繞約1 mm厚的彈性保護墊層，以降低隧道結構變形對監測元器件的影響，并用無紡土工織物包扎，防止在澆筑混凝土過程中由于水泥砂漿封堵，導致滲壓計的滲透性不足無法感應水壓力，再將滲壓計綁扎在鋼筋上進行固定，最后將信號光纜接入專用穿線管以完成安裝。光纖鋼筋計的安裝較為簡單，選擇一定長度的綁扎絲將鋼筋計安裝固定在鋼筋之間，之后傳感器光纜接入專用穿線管即可。

光纖鋼筋計、光纖混凝土應變計按組劃分成多個回路，傳感器的首尾兩端尾纖接入不同單芯光纖回路互為備用，將三種傳感器出線尾纖連接至光纖分線盒。傳感器尾纖經熱縮夾套管防護后再套護管進行二次保護，分線盒采用防水防腐保護。采用多芯單模專用光纜在分線盒處進行分纖熔接，串聯鋼筋計、應變計和滲壓計，多芯單模專用光纜使用時考慮回路冗余備用。另外在每個斷面備用兩路專用光纜，在總分線盒處做熔接備用，增加傳感器信號傳輸通道，提高傳感器存活率。光纜熔接位置采用熱縮夾套進行防水處理。最后將每個斷面的三路專用光纜通過豎井內預留的健康監測管引出至地面數據采集設備。所有光纜熔接后，都必須進行現場測試，確保光損低于標準值，信號質量穩定?，F場安裝完成后的一個監測斷面見圖1?？偨Y整個實施過程就是“按規安裝、冗余設計、及時測試”，最終測試時元器件成活率達97%，充分證明了上述施工工藝的可行性。

3 結語

相對于傳統建筑工程施工而言，監測元器件的安裝預埋是一項非常精細的工作，要確保設計方案在工程中的應用效果，現場實施階段需特別注意，尤其是對于不具備檢修維護條件的全預埋式安裝，更要合理選擇施工工藝，確保元器件成活率。

盡管目前不少研究表明光纖光柵傳感器的存活壽命可以達到25年以上，但相對于大型工程動輒100年的設計使用壽命而言仍不算很長，因此對于城市排水深隧工程，健康監測系統只能在工程運營前期正常發揮設計功能，雖然也可以通過前期測得的數據建模并預測隧道結構健康狀況發展趨勢，但終究不如直接測得的數據來得直觀可靠。因此，要真正實現城市排水深隧的全生命周期結構健康監測，有賴于材料等相關領域的技術進步。

當然，對于大型工程而言，僅僅依靠光纖光柵傳感器一種監測技術是不夠的，需要多種監測技術的相互配合。比如在該工程中，為了監測隧道結構腐蝕情況，在二次襯砌結構內預埋了腐蝕傳感器，監測隧道結構的腐蝕情況，與光纖光柵傳感器一起，共同為運營期隧道結構安全提供數據支撐。