基于準分布式光纖光柵傳感器的路基沉降監測技術

郭章輝

(中鐵八局集團昆明鐵路建設有限公司,云南 昆明 650200)

1 概述

隨著我國經濟的快速穩定增長和“一帶一路”推動下，我國鐵路建設取得了長足發展。截至2021年4月，我國鐵路運營里程達到14.63萬km，高速鐵路運營里程達到3.79萬km。路基是鐵路線路工程的一個重要組成部分，是承受軌道結構重量和列車荷載的基礎，也是線路工程中最薄弱最不穩定的環節。我國幅員遼闊，地質條件復雜，是地質災害(巖溶塌陷、泥石流等)發生最為嚴重的國家之一，穿越凍融、軟土以及巖溶發育區域的鐵路路基，不可避免發生路基沉降或巖溶塌陷，嚴重時導致列車脫軌等事故。如浙贛線路基施工期間和運用初期，多次遭受巖溶塌陷災害，導致鐵路運營中斷；2020年通車的安六高鐵客專穿越巖溶發育區域，對列車運營存在一定的風險。路基線下溶洞具有很強的隱蔽性，巖溶發育與周邊環境變化密切相關，災害發生具有很強的時空不確定性，為確保列車運行安全，采用先進監測手段開展路基變形監測具有重要的工程應用價值。

目前路基沉降監測技術主要為InSAR技術(合成孔徑雷達技術，Synthetic Aperture Radar Interferometry)、靜力水準沉降儀、監測沉降板等技術[1-3]。其中InSAR技術可實現大范圍毫米級別沉降監測，但是存在監測成本貴和只能實現路基表面變形監測等問題；靜力水準沉降儀基于連通管原理，測試條件受路基高差限制且連通管液體易揮發而導致測試誤差大等問題；沉降板是目前應用較為廣泛的檢測和監測技術，該技術需要沿著路基垂直鉆孔布設，屬于單點監測技術，容易造成路基沉降漏檢。分布式光纖傳感技術可以實現數十公里連續的變形場和振動場監測，目前已經在路基中得到一定的應用[4-6]。路基施工流程比較復雜，屬于分時分段分層施工，實際工程應用中很難為分布式光纖傳感器提供數百米的連續布設平面，一定程度上也制約了其的推廣應用。

為了實現路基施工和服役階段的長距離沉降監測，本文基于光纖光柵波分復用功能，將多個光纖光柵串聯封裝在纖維增強樹脂中，并埋入到路基縱橫向中進行路基多點沉降監測，通過路基現場原位試驗驗證了該方法的可行性。

2 準分布式光纖光柵傳感原理及光纖纖維增強封裝技術

光纖光柵作為傳感元件具有抗電磁場干擾、耐久性好以及信號傳輸距離長等特點，已有研究結果表明光纖光柵的布拉格中心波長與環境溫度和應變成線性關系：

ΔλB=KεΔε+KTΔT

(1)

其中,Kε,KT分別為光纖光柵應變靈敏度系數和溫度靈敏度系數；ΔλB,Δε,ΔT分別為布拉格中心波長偏移量，應變增量和溫度增量。已有試驗標定結果表明：Kε=1.2 pm/με，KT=10.8 pm/℃[7]。

光纖光柵傳感器本質上屬于單點傳感器，但是基于波分復用功能，多個光纖光柵傳感器可以串聯在一條傳輸光纖上，各個光纖光柵的中心波長要間隔一定的距離，避免傳感器因受力波長漂移而導致多個傳感器波長重疊，建議實際工程應用中，各個光纖光柵中心波長相互間隔5 nm。光纖光柵纖細、抗剪切力差，直接作為傳感器非常容易損壞。考慮到路基施工環境惡劣及服役的長期性，采用纖維增強樹脂封裝工藝將光纖光柵封裝保護在纖維增強樹脂筋中形成多點測試的準分布式光纖光柵傳感器，如圖1所示。圖1(b)為由大連博瑞鑫科技有限公司提供準分布式光纖光柵傳感器，傳感器的極限拉伸應變10 000微應變。

3 基于準分布式光纖光柵傳感器的路基變形監測試驗

圖2為某高速鐵路路基施工現場，纖維增強樹脂封裝的準分布式光纖光柵傳感器通過開槽的方式埋入到路基中(沿路基縱橫向鋪設)，橫向布設傳感器長20 m，內置3個光纖光柵傳感器，初始波長分別為1 525.325 nm(FBG1)，1 535.137 nm(FBG2)和1 544.945 nm(FBG3)，各個光纖光柵的間距為6 m，如圖2(a)所示。縱向布設準分布式光纖光柵傳感器長30 m，內置3個傳感器，各傳感器間隔10 m，如圖2(b)所示，各傳感器光纖光柵初始中心波長如圖3～圖8所示。

圖3～圖5為路基橫向方向填筑期間纖維增強樹脂封裝的準分布式光纖光柵傳感器中各個光纖光柵的波長變化及相應的沉降量。此工期路基填筑高度3 m，即傳感器上方填料高度為3 m，測試時間為18 d。從測試數據可以看到，在前7 d內，因路基施工過程填料增高、重載裝卸車和壓路機反復碾壓，導致路基一直在壓實下沉，到7 d，路基整體填筑高度1.2 m，從左到右(FBG1，FBG2，FBG3)的沉降量依次為4.95 cm，2.47 cm和2.23 cm。第8天，路基繼續填筑，因填筑工期緊張，填筑車輛往返頻繁，填筑到3 m的高度后，從左到右的最大沉降量分別為11.52 cm，4.67 cm和4.22 cm，左邊路基沉降量大是因為該位置正好位于車輛行駛面上。試驗測試結果與實際情況相符合，依據路基施工沉降量監測數據，可為路基施工提供一定的指導意義。

圖6～圖8為路基縱向準分布式光纖光柵傳感器測量得到的填筑期光纖光柵波長變化和相應的沉降量，準分布式光纖光柵傳感器中各光柵分別為FBG4，FBG5和FBG6，從FBG4為路基小里程方向，FBG6為路基大里程方向。路基縱向變形趨勢和路基橫向變形趨勢基本一致，填筑到第7天，FBG4，FBG5和FBG6測量的沉降量分別為1.25 cm，1.12 cm和2.46 cm。FBG4在第4天測試的數據有一個上升數據，原因是裝卸車輛反復碾壓導致該位置路基上拱。第8天，縱向路基沉降量(從小里程到大里程)分別為8.86 cm，6.77 cm和7.17 cm。

從圖3到圖8可以看到，第8天以后，路基沉降量趨于平穩，主要是路基此階段沒有施工荷載，路基上部荷載基本不變。假設準分布式光纖光柵傳感器長度方向路基沉降變形成線性段，分別對FBG1～FBG3以及FBG4～FBG6的數據進行分段線性插值，插值距離為1 m，得到如圖9所示的路基縱橫向連續沉降變形曲線。可以知道，準分布式光纖光柵傳感器中光纖光柵的數量越多，路基縱橫向沉降測量精度就越高。

4 結語

基于波分復用功能，將具有三個光纖光柵的傳感器封裝在纖維增強樹脂筋中，并通過開槽方式鋪設在某高速鐵路路基中開展路基填筑施工沉降監測。試驗結果表明：采用準分布式光纖光柵傳感器可以有效獲取路基中光纖光柵位置處的沉降量，監測數據與路基施工實際工況相符。