點式光纖技術(shù)在機(jī)場跑道沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

羿生鉆

(中鐵城建集團(tuán)有限公司，北京100000)

點式光纖技術(shù)在機(jī)場跑道沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

羿生鉆

(中鐵城建集團(tuán)有限公司，北京100000)

大跨度隧道下穿機(jī)場跑道施工時，跑道沉降控制是決定工程成敗的關(guān)鍵因素。由于跑道不允許人員進(jìn)入，如何對跑道與隧道間的土體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集成為難題。本文通過對點式光纖光柵傳感器的二次開發(fā)，將其封裝成長標(biāo)距FBG(Fiber Bragg Grating)應(yīng)變傳感器，成功地解決了此問題，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

點式光纖;監(jiān)測;機(jī)場跑道;沉降

把點式光纖(Surveillance d'Ouvragespar Fibres Optiques，簡稱SOFO)應(yīng)用在機(jī)場跑道下進(jìn)行土體變形監(jiān)測在國內(nèi)外尚屬首次。大跨度暗挖隧道穿越機(jī)場跑道時，控制跑道下土體沉降是確保飛行安全的關(guān)鍵。隧道施工時跑道要正常使用，人員及設(shè)備都不允許進(jìn)入，本文通過在跑道下埋設(shè)光纖的形式成功地解決了此難題，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1　工程概況

擬建隧道工程位于北京首都國際機(jī)場T2航站樓與規(guī)劃中的T3航站樓之間，包括以運輸中轉(zhuǎn)旅客為主的捷運隧道，以及以通行行李拖車、配餐車、擺渡車為主的空側(cè)汽車隧道。2條隧道中線均為東西走向。T2航站樓位于隧道西端，T3航站樓位于隧道東端。2條隧道主體部分相互平行并垂直下穿使用中的機(jī)場跑道?，F(xiàn)況機(jī)場西跑道為南北方向設(shè)置，寬度為60 m，長度為3.8 km。跑道以西260 m為跑道服務(wù)道路區(qū)，服務(wù)道路區(qū)以西294 m為停機(jī)坪;跑道以東297 m為跑道服務(wù)道路區(qū)，服務(wù)道路區(qū)以東326 m為T3航站樓的停機(jī)坪。暗挖長度234 m。為滿足不停航條件，在東西工作坑之間設(shè)立一條234 m長光纖，見圖1。

圖1　光導(dǎo)纖維平面布置

2　監(jiān)測技術(shù)要點

2.1光纖布拉格光柵(FBG)測試原理

當(dāng)光波傳輸通過光纖布拉格光柵時，滿足布拉格光柵波長條件的光波矢將被反射回來，這樣入射光柵波矢就會分成2部分:投射光波矢和反射光波矢，這就

式中:λ為波長漂移;KT為溫度靈敏度系數(shù);T為溫度; Kε為應(yīng)力靈敏度系數(shù);ε為應(yīng)變。

因此，通過測試傳感器的波長變化，可以獲得相應(yīng)的應(yīng)變和溫度變化值。

2.2光纖光柵長標(biāo)距封裝

光纖傳感器因其質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾性強(qiáng)、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)點近年來發(fā)展迅速［3］。尤其是光是光纖布拉格光柵的基本原理［1］。應(yīng)變(或應(yīng)力)和溫度是最能直接改變布拉格光柵波長的物理量。當(dāng)布拉格光柵受到外界應(yīng)變(或應(yīng)力)作用時，光柵周期會發(fā)生變化［2］，同時光彈效應(yīng)會導(dǎo)致光柵有效折射率發(fā)生變化;當(dāng)布拉格光柵受到外界溫度影響時，熱膨脹會使光柵周期發(fā)生變化，同時熱敏效應(yīng)會導(dǎo)致光柵的有效折射率發(fā)生變化。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器，基本上都是直接或間接地利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長(如圖2所示)，達(dá)到測試被測物理量的目的。在溫度和應(yīng)變同時作用下，波長漂移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系可近似表示為纖布拉格光柵，傳感機(jī)理成熟，高精度，高靈敏度，易構(gòu)建多點或分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，已成為最有前景的光纖傳感器之一。但是，纖細(xì)的裸光纖光柵部分特別脆弱，抗剪能力差，直接將其作為傳感器無法勝任土木工程開放式施工和惡劣的服役環(huán)境。而且光纖光柵的傳感部分只有幾毫米，只能作為點式傳感，在實際使用中也很不方便［4-6］。因此，為滿足本項目需求，必須對其進(jìn)行二次開發(fā)，即封裝或增減敏處理，是將光纖光柵在土木工程等領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。綜合以上認(rèn)識，需開發(fā)一種長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器，初步封裝設(shè)想如圖3所示。將多個封裝好的傳感器串連在一起，就可對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行連續(xù)或分布式監(jiān)測。

圖2　應(yīng)變測試原理

圖3　長標(biāo)距FBG傳感器示意

2.3測點布置

測點布置在跑道與隧道之間，見圖4。

圖4　光纖斷面布置

將FBG傳感器統(tǒng)一封裝為標(biāo)距1 m的傳感器并串聯(lián)粘貼在測移管的管壁內(nèi)側(cè)，如圖5所示。總長234 m的測試范圍，包括234個標(biāo)距為1 m的應(yīng)變傳感器，16個溫度補償傳感器，共需248個傳感器。每15～16個傳感器串聯(lián)引出一條鎧裝光纜并接到采集儀的一個通道上，總共16個通道。采集儀測試頻率可達(dá)250 Hz，由動荷載引起的動位移均可實時監(jiān)測。測試儀器采用美國MOI公司產(chǎn)SM230-800。

圖5　長標(biāo)距FBG傳感器的應(yīng)用方案

2.4測試精度

假設(shè)土體發(fā)生局部位移，位移形式如圖6所示，各粘貼點之間的間距均為1 m，Xi點處發(fā)生較大的沉降(δmm)，同時假定Xi－1和Xi+1點處的變形較小，可以忽略，則該變形導(dǎo)致的應(yīng)變變化見式2。

圖6　假定傳感器的位移

式中:l為標(biāo)距。

3　實施效果

為比對光纖采集的沉降數(shù)據(jù)是否滿足監(jiān)測要求，在機(jī)場停航期間，在鉆孔區(qū)域采用人工測量的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)人工測量誤差與光纖測量誤差在0.5 mm以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集真實有效，方案取得成功，光纖土體變形曲線見圖7。

圖7　光纖土體變形曲線

4　結(jié)語

通過在飛機(jī)正常運營的情況下對跑道下土體變形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，成功地解決了跑道不允許監(jiān)測人員進(jìn)入的難題，且保證了數(shù)據(jù)的及時性及準(zhǔn)確性，在暗挖施工中起到了至關(guān)重要的指導(dǎo)作用，避免了停航造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生了良好的社會效益。

［1］李有根．分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用［J］．四川水利水電，2010，29(4):102-104．

［2］閆美佳．基于光纖光柵的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法研究［D］．南京:航空航天大學(xué)，2015．

［3］賈娜，王紅萍，戴軍．光纖傳感器原理及其應(yīng)用［J］．電子技術(shù)與軟件工程，2014(4):2-4．

［4］蔣金洲，呂國輝，梁晨，等．基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)［J］．鐵道建筑，2015(1):76-79．

［5］王沖．淺談光纖傳感器對土木工程和建設(shè)的應(yīng)用［J］．江西建材，2016(15):6-7．

［6］張強(qiáng)，趙信洋，劉學(xué)毅，等．光纖光柵傳感器在橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)模型試驗中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2010(12):94-96．

(責(zé)任審編 趙其文)

App lication of Point Distribution Fiber-optic Sensing Technology to M onitoring Subsidence of Airport Runway

YI Shengzuan
(China Railway Urban Construction Group Co．，Ltd．，Beijing 100000，China)

When the super-large cross-section tunnel passes through the airport runway，the runway subsidence control is the key factor that determine success or failure of the project．Because staves are not permitted to enter the runway，how to effectively collect the soil data between the runway and the tunnel is the challenge．Through the secondary development of the fiber optic sensor，it is packaged as a long distance strain sensor FBG(Fiber Bragg Grating)，which successfully solves the problem and achieves a favorable social and economic benefits．

SOFO(Surveillance d'Ouv ragespar Fibres Optiques);Monitor;Airport runway;Subsidence

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．29

1003-1995(2016)11-0111-03

2016-07-05;

2016-09-06

羿生鉆(1971—)，男，高級工程師。