何建平，徐　駿

( 1．大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連　116024; 2．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都　610031)

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基于分布式光纖傳感技術(shù)的鐵路路基巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)

何建平1，徐駿2

( 1．大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連116024; 2．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

摘要:巖溶土洞塌陷是鐵路路基最為嚴(yán)重的破壞形式，具有隱伏性強(qiáng)、空間分布廣的特點(diǎn)。鑒于常規(guī)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方法難以滿足路基巖溶土洞塌陷分布式監(jiān)測(cè)要求，本文提出采用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)對(duì)土洞塌陷進(jìn)行識(shí)別和定位。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，采用纖維增強(qiáng)樹脂封裝保護(hù)用于土洞塌陷監(jiān)測(cè)的分布式光纖布里淵傳感器，并利用絕對(duì)溫度補(bǔ)償方法剔除環(huán)境溫度對(duì)塌陷應(yīng)變測(cè)試的影響。路基巖溶土洞塌陷模型試驗(yàn)結(jié)果表明:絕對(duì)溫度補(bǔ)償技術(shù)可以有效剔除環(huán)境溫度變化引入的塌陷應(yīng)變誤差，基于分布式塌陷應(yīng)變信息可以有效識(shí)別和定位土洞塌陷，塌陷應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與巖溶土洞塌陷實(shí)際情況吻合。

關(guān)鍵詞:鐵路路基巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)分布式光纖傳感技術(shù)

我國鐵路建設(shè)特別是高鐵建設(shè)快速發(fā)展，在建或既有鐵路會(huì)穿越地質(zhì)條件不穩(wěn)定的區(qū)域。在環(huán)境和外部荷載作用下，巖溶土洞會(huì)發(fā)生塌陷，影響路基的正常使用，甚至造成災(zāi)難性事故。如1999—2006年浙贛線路基施工期間和通車運(yùn)營初期先后多次發(fā)生巖溶塌陷。有效監(jiān)測(cè)鐵路巖溶土洞塌陷和科學(xué)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定狀態(tài)是地質(zhì)工程領(lǐng)域亟待解決的問題。巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)與檢測(cè)已經(jīng)成為世界性的研究熱點(diǎn)。路基巖溶土洞具有高隱伏性、廣分布性以及塌陷突發(fā)性等特點(diǎn)。常規(guī)的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)如沉降儀、地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)法( GPR)、合成孔徑雷達(dá)( InSAR)干涉測(cè)量法、基于巖溶管道裂隙水(氣)壓力監(jiān)測(cè)的觸發(fā)因素監(jiān)測(cè)法等，主要是對(duì)局部區(qū)域的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)或?qū)Φ乇碜冃蔚挠^測(cè)，不能適應(yīng)路基長度大、范圍大的特征［1-6］。

鑒于鐵路路基長度大，土洞分布具有隨機(jī)性、隱蔽性的特點(diǎn)，部分學(xué)者開展了基于分布式技術(shù)的巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［7-8］采用同軸電纜時(shí)域反射技術(shù)( TDR)開展巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)研究，其原理是土洞塌陷導(dǎo)致同軸電纜在塌陷的位置阻抗不匹配。文獻(xiàn)［9］對(duì)同軸電纜的選型和布設(shè)工藝進(jìn)行了深入研究，將同軸電纜封裝在水泥砂漿中，土洞塌陷導(dǎo)致封裝的同軸電纜折斷，通過監(jiān)測(cè)同軸電纜的特征信號(hào)從而監(jiān)測(cè)土洞塌陷。但是同軸電纜易受潮濕環(huán)境干擾，且屬于斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)，信號(hào)傳輸距離有限，在做好封裝保護(hù)措施的前提下，對(duì)于短距離測(cè)試有效，卻難以滿足鐵路路基長距離測(cè)量要求。由于分布式光纖布里淵應(yīng)變測(cè)試技術(shù)具有不受電磁場(chǎng)干擾、定位精度高、測(cè)試距離長等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)［10-11］基于分布式光纖布里淵光時(shí)域反射技術(shù)( BOTDR)開展巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)研究，取得了一定的試驗(yàn)效果，但是其研究并沒有考慮環(huán)境溫度對(duì)光纖布里淵應(yīng)變測(cè)試信號(hào)的影響，且選用普通裸光纖作為傳感器，易損壞。

針對(duì)路基巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)對(duì)高性能工程化監(jiān)測(cè)傳感器的要求，本文提出采用高耐久性纖維增強(qiáng)樹脂封裝光纖布里淵傳感器和基于絕對(duì)溫度補(bǔ)償技術(shù)的巖溶土洞塌陷應(yīng)變環(huán)境溫度補(bǔ)償方法，開展路基模型巖溶土洞塌陷識(shí)別與定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，建立用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)進(jìn)行巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)的工程化方法。

1分布式光纖布里淵傳感及絕對(duì)溫度補(bǔ)償技術(shù)

1. 1分布式光纖布里淵傳感技術(shù)

已有研究表明，光纖布里淵頻移與施加在普通單模光纖上的溫度和應(yīng)變有良好的線性關(guān)系，即

式中:ΔvB( T，ε)為光纖布里淵頻移增量; CT，Cε分別為光纖布里淵頻移—溫度、光纖布里淵頻移—應(yīng)變靈敏度系數(shù)，其中CT= 1. 0 MHz/℃，Cε= 0. 05 MHz/10－6; ΔT，Δε分別為溫度和應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

根據(jù)光功率的變化，采用BOTDR光時(shí)域定位技術(shù)可以得到任何測(cè)點(diǎn)距探測(cè)光源的距離z。

式中: c為光波在光纖中的傳播速度; n為光纖折射率; t為光波在光纖中的傳播時(shí)間。

由式( 1)和式( 2)可以得到普通單模光纖布里淵傳感器上任意位置的應(yīng)變和溫度。

1. 2光纖布里淵應(yīng)變測(cè)試溫度補(bǔ)償技術(shù)

由式( 1)可知光纖布里淵頻移同時(shí)受溫度和應(yīng)變調(diào)制，環(huán)境溫度變化1℃約造成應(yīng)變測(cè)試結(jié)果有20× 10－6的不確定性，故長期應(yīng)變測(cè)試必須考慮溫度補(bǔ)償。本文采用雙光纖溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試溫度補(bǔ)償，即在光纖布里淵應(yīng)變傳感器鄰近位置布設(shè)光纖布里淵溫度傳感器，則有

式中:ΔvB1，ΔvB2分別為光纖布里淵應(yīng)變傳感器和光纖布里淵溫度傳感器的布里淵頻移增量; CT1，CT2分別為光纖布里淵應(yīng)變傳感器和光纖布里淵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。

結(jié)合式( 3)和式( 4)，令ψ= CT1/CT2，可以得到

對(duì)于式( 5)，如果光纖布里淵應(yīng)變傳感器和光纖布里淵溫度傳感器基體材料一致，即溫度靈敏度系數(shù)一致，則ψ= 1，式( 5)可變?yōu)?/p>

式( 6)的溫度補(bǔ)償方法便于實(shí)際工程應(yīng)用，只要測(cè)得2根光纖布里淵傳感器的頻移變化值，就可以直接消除溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響。

2　路基塌陷監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)

2. 1試驗(yàn)準(zhǔn)備

光纖布里淵系統(tǒng)選擇中電41所的BOTDR系統(tǒng)(圖1)，其最小空間分辨率為100 cm，應(yīng)變測(cè)量精度為±50×10－6。路基巖溶土洞塌陷模型選用規(guī)格為4. 0 m×1. 0 m×2. 0 m的鋼槽，在其內(nèi)部填充某高層建筑基坑開挖土用來構(gòu)建路基，如圖2所示。

圖1 BOTDR系統(tǒng)

圖2路基土洞塌陷模型

路基巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)光纖布里淵傳感器選擇用纖維增強(qiáng)樹脂封裝的光纖布里淵傳感器(圖3)，彈性模量為50 GPa(可調(diào))，極限拉伸應(yīng)變?yōu)? 12 000～16 000)×10－6，具有良好的應(yīng)變和溫度感知特性，溫度和應(yīng)變靈敏度系數(shù)分別為1. 25 MHz/℃和0. 045 MHz/10－6。其工程化程度高，布設(shè)于巖土結(jié)構(gòu)中不易損壞。

圖3用纖維增強(qiáng)樹脂封裝的光纖布里淵傳感器

3個(gè)光纖布里淵傳感器布設(shè)在土洞上方，距離土洞頂板或擋土板距離50 cm。傳感器長5 m，其中布設(shè)到土體中長度為4 m，如圖4所示。

圖4　傳感器布設(shè)示意

圖5為土洞構(gòu)造和傳感器布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)情況，擋土板中有三個(gè)活動(dòng)的木板，可以調(diào)節(jié)30～150 cm尺度的土洞。試驗(yàn)中人為制造直徑為100 cm、深度為80 cm的土洞。

路基構(gòu)建過程中要充分壓實(shí)，壓實(shí)過程中要盡量避免傳感器上方有大顆粒的石塊，防止剪斷傳感器。三個(gè)傳感器分別通過長為89 m的傳輸光纖與BOTDR系統(tǒng)相連接，因此實(shí)際探測(cè)土體塌陷應(yīng)變傳感段在89 ～93 m。89 m處對(duì)應(yīng)路基模型的起點(diǎn)，93 m處對(duì)應(yīng)于路基模型的終點(diǎn)。

圖5路基構(gòu)建和傳感器布設(shè)

本試驗(yàn)分為2種工況，工況1為無環(huán)境溫度干擾的路基塌陷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(傳感器布設(shè)參見圖4)，工況2為有環(huán)境溫度干擾的試驗(yàn)，傳感器布設(shè)如圖6所示。在傳感器的正上方鋪設(shè)水管，并設(shè)置多個(gè)泄漏點(diǎn)，通過水的泄漏改變土體溫度，注水水溫10℃。為加大路基內(nèi)部與環(huán)境的溫差，同時(shí)在光纖的正上方5 cm處鋪設(shè)一些碎冰塊，試驗(yàn)環(huán)境溫度約為23℃。

圖6環(huán)境干擾模型試驗(yàn)傳感器布設(shè)示意

2. 2路基塌陷模擬與數(shù)據(jù)測(cè)試

待路基土完全填充壓實(shí)后，用BOTDR系統(tǒng)采集各個(gè)光纖傳感器的布里淵頻移值，作為傳感器的初始狀態(tài)值。從鋼槽的底部掀開長×寬為100 cm×80 cm的木板，制造跨度為100 cm的土洞，擋土板下面有足夠的空間，便于土洞擴(kuò)展或塌陷時(shí)土體的搬移。

路基塌陷通過如下方法模擬:工況1，通過在路基頂部人為制造振動(dòng)來造成土洞塌陷，然后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土洞塌陷情況，直至最終形成路基地表坍塌;工況2，通過水管注水引起土層軟化且重力增加，加速土洞塌陷。須注意的是，水的滲透會(huì)影響土體環(huán)境溫度，導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)試誤差。為了測(cè)試方便，每次注水10 min，然后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土洞塌陷情況。為加速土洞塌陷，測(cè)試過程中同樣在路基表面人為制造振動(dòng)。由于路基塌陷的突發(fā)性，試驗(yàn)中難以分階段控制路基土洞塌陷尺度，所以只取路基初始狀態(tài)、塌陷某一中間狀態(tài)和地表坍塌階段進(jìn)行測(cè)試。圖7為工況1時(shí)路基塌陷情況，塌陷形狀為漏斗形，塌陷后路基上表面的跨度(最大直徑)約為147 cm，最大塌陷深度約為20 cm。

圖7　路基土洞塌陷

圖8 3個(gè)光纖布里淵應(yīng)變傳感器各塌陷階段應(yīng)變分布曲線

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3. 1無環(huán)境干擾路基巖溶土洞塌陷監(jiān)測(cè)

圖8為各個(gè)光纖布里淵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)到的路基塌陷三個(gè)階段的應(yīng)變。可知:塌陷應(yīng)變中部要大于兩邊;塌陷中間階段，左邊、中間、右邊的最大應(yīng)變分別為547×10－6，810×10－6，653×10－6;塌陷穩(wěn)定后，最大應(yīng)變分別為1 350×10－6，1 920×10－6，1 430×10－6。塌陷應(yīng)變變化趨勢(shì)與土洞塌陷趨勢(shì)基本一致。雖然土洞頂板直徑為100 cm，但是由于路基模型塌陷成漏斗形，故在土洞上方的塌陷尺度要＞100 cm。從測(cè)試曲線可以看出，塌陷寬度約為2 m。

3. 2注水滲透干擾路基塌陷監(jiān)測(cè)

圖9為水管注水后，各個(gè)塌陷階段光纖布里淵溫度傳感器測(cè)試的土體溫度場(chǎng)。由于水管布設(shè)在中間光纖布里淵應(yīng)變傳感器和光纖布里淵溫度傳感器的正上方，所以中間區(qū)域土體的溫度低，兩邊溫度高。由于中間鋪設(shè)了碎冰塊，冰塊融化，導(dǎo)致該處的溫度達(dá)到0℃左右。由中間光纖布里淵溫度傳感器測(cè)試的溫度值可知塌陷穩(wěn)定后該處溫度與環(huán)境溫度的溫差約為23℃，基本上與實(shí)際工況吻合。對(duì)于應(yīng)變傳感器而言，23℃的環(huán)境溫度變化約導(dǎo)致500×10－6的測(cè)試誤差。

圖9 3根光纖布里淵溫度傳感器塌陷階段溫度曲線

圖10為塌陷各階段，3根光纖布里淵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償前后的塌陷應(yīng)變分布曲線。從圖10( a)和10( b)可知，不經(jīng)過溫度補(bǔ)償，塌陷穩(wěn)定后的應(yīng)變小于塌陷中間階段的應(yīng)變。圖10( b)和10( c)中，塌陷穩(wěn)定后，在路基1. 5 m處(對(duì)應(yīng)于光路系統(tǒng)90. 5 m處)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，傳感器壓縮變形，表示路基隆起，與實(shí)際情況不符。

而圖10( c)中90. 5～92. 0 m處兩階段的塌陷應(yīng)變基本上保持不變。從測(cè)試曲線可以看出不經(jīng)過溫度補(bǔ)償，塌陷應(yīng)變反應(yīng)的土洞塌陷情況比較混亂。經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，此處的塌陷應(yīng)變基本上與路基塌陷變形一致。

圖10溫度補(bǔ)償前后塌陷應(yīng)變分布曲線

3. 3兩種工況試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比工況1和工況2的試驗(yàn)結(jié)果可知，兩次試驗(yàn)基本上能反映土洞的塌陷情況。雖然人為制造的土洞尺寸一樣，但是由于路基構(gòu)建的差異性以及土體成分的離散性，兩次試驗(yàn)測(cè)試到的塌陷應(yīng)變有較大的差異。此外，由于使用的傳感器形狀為光面圓棒形，雖然布設(shè)前為增加與土體的摩擦力，在光面圓棒表面進(jìn)行了粗糙化處理，但其依然不能完全與土體協(xié)同變形。故土洞塌陷實(shí)測(cè)應(yīng)變與土洞的真實(shí)塌陷應(yīng)變有一定的差距，但是監(jiān)測(cè)到的塌陷應(yīng)變變化趨勢(shì)基本上與土洞塌陷一致。

4　結(jié)論

本文采用用纖維增強(qiáng)樹脂封裝的光纖布里淵傳感器開展路基土洞塌陷監(jiān)測(cè)研究，并基于雙光纖溫度補(bǔ)償技術(shù)對(duì)路基塌陷監(jiān)測(cè)應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償。模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在有、無環(huán)境干擾的情況，用纖維增強(qiáng)樹脂封裝的光纖布里淵應(yīng)變傳感器可以有效監(jiān)測(cè)到路基土洞塌陷，采用絕對(duì)溫度補(bǔ)償技術(shù)可以有效剔除因路基土體溫度變化導(dǎo)致的塌陷應(yīng)變測(cè)試的不確定性。

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(責(zé)任審編李付軍)

Monitoring of collapse of karst cavern under railway subgrade based on distributed optical fiber sensing technology

HE Jianping1，XU Jun2

( 1．School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China; 2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:Karst cavern collapse is the most serious failure mode of railway subgrade with strong insidious and wide spatial distribution．Common monitoring and inspection methods cannot meet the requirement of distributed monitoring，so distributed Brillouin Optical Fiber sensing technology was put forward for the collapse location and identification．Collapse monitoring sensor was packaged by the fiber reinforced polymer，and absolute temperature compensation was developed to eliminate the effect of environmental temperature on collapse strain measurement．Experimental results show that absolute temperature can effectively eliminate the strain error induced by the temperature influence，the collapse strain was agreed with the real condition of cavern collapse based on the distributed collapse strain from cavern collapse identification and location．

Key words:Railway subgrade; Collapse of karat cavern; M onitoring; Distributed optical fiber sensing technology

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0111-05

作者簡介:何建平( 1976—)，男，講師，博士。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51108065) ;四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目( 2013GZ0147)

收稿日期:2015-06-12;修回日期: 2015-08-13

中圖分類號(hào):U213．1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．27