分布式光纖在隧洞變形監(jiān)測中的應(yīng)用

楊忠民

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隧道及邊坡穩(wěn)定性問題是鐵路建設(shè)中比較突出的問題，邊坡失穩(wěn)造成的隧道開裂、破壞等問題嚴(yán)重影響著列車的行車安全。目前，隧道監(jiān)測中常用的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器，普遍存在抗干擾性、耐久性、長期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，監(jiān)測主要以點(diǎn)式或斷面方式布設(shè)，連續(xù)性較差，存在監(jiān)測盲區(qū)［1-3]。目前，隧道工程監(jiān)測技術(shù)正從過去的低精度、點(diǎn)式、人工監(jiān)測向高精度、分布式、連續(xù)式、自動化監(jiān)測過渡。其中，分布式光纖傳感器具有體積小、重量輕、鋪設(shè)安裝方便的特點(diǎn)，可以連續(xù)不間斷對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，已經(jīng)成為隧道及邊坡安全監(jiān)測的重要發(fā)展方向［4-6]。

分布式光纖傳感器按傳感器原理分為散射型、波長掃描型和干涉型，其中散射型是最具應(yīng)用價(jià)值的一種，包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)。

近年來，多位學(xué)者進(jìn)行了布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)的理論研究，趙麗榮、徐靚等［7-8]對分布式光纖傳感器應(yīng)用于橋梁和隧道檢測、大壩監(jiān)測等進(jìn)行了應(yīng)用研究，并在實(shí)驗(yàn)室中做了大量的有關(guān)試驗(yàn)研究，取得了較好的效果；張桂生等［9]采用氣吹敷設(shè)傳感光纖法和真空灌漿固定光纖法相結(jié)合的布設(shè)方法將分布式光纖布設(shè)于公路隧道中，并利用布里淵時(shí)域反射技術(shù)（BOTDA）技術(shù)對隧道變形進(jìn)行監(jiān)測，取得較好的效果；侯公羽等［1]提出了基于分布式光纖應(yīng)變的隧道沉降反演模型，將光纖應(yīng)變曲線和隧道沉降曲線聯(lián)系起來，對隧道沉降進(jìn)行監(jiān)測。

本文利用分布式光纖高精度、連續(xù)式監(jiān)測的特點(diǎn)，對橫洞襯砌變形進(jìn)行自動化監(jiān)測，分析橫洞變形情況，進(jìn)而對滑坡穩(wěn)定性狀況進(jìn)行分析評價(jià)。

1 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

1.1 分布式光纖傳感技術(shù)原理

基于布里淵散射的光纖分布式傳感技術(shù)主要有布里淵時(shí)域反射技術(shù)和布里淵光時(shí)域分析技術(shù)兩種，本文采用的是布里淵光時(shí)域分析技術(shù)。該技術(shù)通過檢測光纖中布里淵散射頻移的變化，并利用其頻移變化量隨時(shí)間應(yīng)變呈線性變化的關(guān)系來感知被測對象物理性質(zhì)的改變，工作原理如圖1 所示。該方法使用兩個相反方向傳輸?shù)墓鈦碓鰪?qiáng)布里淵散射，因而信號強(qiáng)度大，應(yīng)變和溫度的測量更為精確，測量范圍更大。

圖1 布里淵光時(shí)域分析技術(shù)工作原理

1.2 儀器設(shè)備

分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)主要包括應(yīng)變光纖、傳輸光纖和解調(diào)儀三大部分。

1）應(yīng)變光纖。采用φ1.9 mm 緊包單模光纖，通過聚氨酯彈性體、HY 料等高包裹性材料進(jìn)行封裝保護(hù)，可方便刻槽植入，同時(shí)整體剛度得到了大幅下降，可同混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。

2）傳輸光纖。采用鎧裝單模光纖，由外護(hù)套、芳綸紗、不銹鋼管和緊套光纖構(gòu)成，拉力強(qiáng)度大于75 N，可有效防止折損等損傷。

3）解調(diào)儀。分布式光纖解調(diào)儀基于受激布里淵散射原理，測量精度為2.0×10-5，最長測量距離為50 km。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

西北地區(qū)一座隧道橫穿一老滑坡，為了避免地下水作用引起滑坡復(fù)活導(dǎo)致隧道被破壞，在隧道下方布設(shè)了滲水隧洞及與其垂直的橫洞，將滲出的地下水引出滑坡體。滲水隧洞與隧道平行，橫洞與隧道垂直且沿著坡體滑動方向，如圖2 所示。通過在橫洞及滲水洞左右襯砌布設(shè)分布式光纖，評估橫洞及滲水洞目前所處的狀態(tài)，并預(yù)測未來的變形發(fā)展趨勢，進(jìn)而為判斷滑坡的穩(wěn)定性提供參考。

圖2 滲水隧洞、橫洞和隧道平面位置示意

2.2 布設(shè)方法

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和隧道受力特點(diǎn)，分布式光纖采用縱向布設(shè)方式，在隧道兩側(cè)及底板進(jìn)行布設(shè)。結(jié)合橫洞已有線纜的位置及施工條件，兩側(cè)光纖距離地面高度分別為1.8 m（左側(cè)）和1.2 m（右側(cè)），如圖3所示。

圖3 光纖布設(shè)示意

分布式光纖布設(shè)采用全線粘貼方式，施工工序?yàn)椋孩俣ň€；②開槽；③除塵；④光纖預(yù)張拉；⑤涂膠固定；⑥測試?，F(xiàn)場安裝見圖4。須注意的是，由于開槽后槽內(nèi)存留大量的混凝土粉末，首先須采用電吹風(fēng)清理槽內(nèi)的灰塵，然后再用脫脂棉球蘸丙酮或者酒精進(jìn)行開槽面清洗。在光纖預(yù)張拉時(shí)，預(yù)先按照10 m 間隔在槽壁和布設(shè)光纖上畫出記號。在張拉過程中每10 m 進(jìn)行預(yù)張拉，張拉后立即將張拉區(qū)間光纖首尾兩端點(diǎn)用快干膠固定，另一組人員緊跟著用快干膠將每一區(qū)間按照1 m 間隔進(jìn)行固定，避免光纖松弛和便于后續(xù)涂膠固定。光纖布設(shè)過程中須一直測試光纖損耗情況。

圖4 現(xiàn)場光纖布設(shè)

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)重復(fù)性分析

由于布設(shè)溫度、濕度及周邊環(huán)境的不同，分布式光纖的監(jiān)測精度會有所差異。因此，為了確定在當(dāng)前環(huán)境中的監(jiān)測精度，調(diào)試完成后須進(jìn)行數(shù)據(jù)重復(fù)性試驗(yàn)。現(xiàn)場連續(xù)采集4次數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖5，可知，大部分測試數(shù)據(jù)在-6×10-5～6×10-5內(nèi)變化，因此重復(fù)性精度在6×10-5以內(nèi)。

圖5 光纖重復(fù)性測試數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場分布式光纖采集頻率為1 次/（30 min），截至2020年12月29日，橫洞內(nèi)分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。橫洞與滲水洞交叉的位置里程為H0+000，從洞內(nèi)向洞外里程逐漸增大，橫洞洞口里程為H0+1081。由上文可知，該分布式光纖重復(fù)性精度在6×10-5以內(nèi)，因此選取精度的10 倍即6×10-4為受拉較大段。由圖6可知，橫洞內(nèi)受拉變形較大段有H0+229，H0+279，H0+298 等12 處位置及附近，說明橫洞所處山體仍有一定的變形。通過對橫洞襯砌觀察發(fā)現(xiàn)應(yīng)變量大的地方襯砌出現(xiàn)明顯裂縫，如圖7所示，這說明分布式光纖觀測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場跡象有較高的吻合度。

圖6 襯砌應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 現(xiàn)場襯砌典型裂縫

除襯砌外，在底板布設(shè)光纖89.5 m，底板光纖實(shí)測變形如圖8 所示?？芍装逶?3.5 ～35.0 m 位置光纖發(fā)生明顯受拉和受壓變形，特別是在23.5 m 和29.0 m 處，應(yīng)變值分別達(dá)到9.181×10-3和7.936×10-3。通過現(xiàn)場調(diào)查，23.5 m 處底板隆起、開裂，隆起5 ～6 cm，橫向開裂長度75 cm，如圖9 所示。29.0 m 處底板出現(xiàn)明顯開裂，開裂最大寬度達(dá)到6 mm，如圖10所示。

圖8 底板應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 探洞23.5 m位置開裂和隆起

圖10 探洞29 m位置開裂（開裂6 mm）

通過橫洞內(nèi)布設(shè)的分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，襯砌及底板多處位置均出現(xiàn)受拉較大的情況，底板處應(yīng)變值甚至達(dá)到9×10-3以上?，F(xiàn)場調(diào)查同樣顯示，襯砌及底板存在多處裂縫，裂縫位置與應(yīng)變較大位置較吻合。以上情況說明橫洞的受力狀況仍在持續(xù)變化，且部分位置所受拉力超過其結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。這也說明橫洞及隧道所處滑坡仍處于緩慢變形中，須加強(qiáng)滑坡監(jiān)測以保障隧道安全運(yùn)營。

4 結(jié)論

1）分布式光纖能實(shí)現(xiàn)隧洞全長的自動化連續(xù)監(jiān)測，其精度較高，能很好地反映隧洞的變形情況。

2）分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場變形跡象有較高的吻合度，所監(jiān)測應(yīng)變值較大的地方現(xiàn)場結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)明顯開裂，說明該監(jiān)測方法具有較高有效性。

3）分布式光纖監(jiān)測結(jié)果表明，橫洞受力狀況仍在變化，所處滑坡仍未穩(wěn)定，須繼續(xù)對隧道及滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測以保證隧道運(yùn)行安全。