葉 紅，王 嵩，周克明

（1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建永安,366000；2.遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110069；3.南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；4.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京，210012；）

高水頭長隧洞中FBG傳感器應(yīng)用的幾個問題

葉 紅1，王 嵩2，周克明3，4

（1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建永安,366000；2.遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110069；3.南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；4.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京，210012；）

高水頭、長隧洞的安全監(jiān)測有其特殊性，針對該類項目的安全監(jiān)測設(shè)計、儀器埋設(shè)，提出監(jiān)測項目應(yīng)包括內(nèi)外水壓力、襯砌溫度等，對監(jiān)測儀器的埋設(shè)安裝時間、方法、引出尾纜的保護措施、錨桿應(yīng)力計及測縫計的出纜方式提出了一些改進建議，在工程中成功應(yīng)用，這些措施和方法可供設(shè)計、科研等相關(guān)單位參考。

高水頭；長隧洞；安全監(jiān)測；FBG；安裝；施工期；保護

0 前言

隨著全球氣候變暖以及經(jīng)濟社會發(fā)展，地區(qū)性資源型缺水、水質(zhì)型缺水愈加明顯。規(guī)劃或建設(shè)中的引水工程，隧洞引水方式越來越多，出現(xiàn)了很多長距離、高水頭、大埋深的隧洞工程。沈陽大伙房引水工程建成的隧洞長86 km，引漢濟渭工程中有長77 km的隧洞，這些項目對工程安全監(jiān)測的儀器、設(shè)計、施工埋設(shè)方法都提出了新的課題。

受傳感器原理所限，應(yīng)用于巖土工程的振弦式、差阻式等常規(guī)安全監(jiān)測儀器的信號傳輸距離一般不能超過2 km，且有一定的絕緣度要求。在有壓隧洞的中部不能設(shè)置測站，常規(guī)儀器無法適應(yīng)長距離隧洞工程的應(yīng)用環(huán)境。基于光纖光柵的FBG傳感器信號傳輸距離能到幾十公里[1]，在隧洞工程永久監(jiān)測中逐步得到應(yīng)用，因隧洞水頭高、距離長的特點以及施工空間小、襯砌逐段施工等因素的影響，其埋設(shè)方法、保護措施需作相應(yīng)的改進。

1 FBG傳感器概述

基于布拉格光柵的FGB儀器（Fiber Bragg Grat?ing）是常用的光纖光柵傳感器，其內(nèi)部的敏感部件FBG類似于波長選擇反射器，滿足布拉格衍射條件的入射光經(jīng)過布拉格光柵，被光柵反射成為反射光，其余部分光將穿過光柵成為透射光，反射光的波長與柵距Λ成正比，其原理如圖1所示。

圖1 布拉格光柵工作原理Fig.1 Working principle of the Fiber Bragg Grating

自從1978年Hill等制作出世界上第一個光纖布拉格光柵，1989年Mendez等首先提出把光纖光柵傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測，2000年左右，我國開展這方面的研究工作[2]。光纖光柵傳感器是一種無源器件，無絕緣要求、耐腐蝕、抗電磁干擾，在信號長距離傳輸、波分復(fù)用構(gòu)建準分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等方面具有明顯的優(yōu)勢，近年來已形成系列化，如巖土工程中常用的應(yīng)變計、滲壓計、錨桿應(yīng)力計/鋼筋計、溫度計、測縫計等。

2 高水頭長隧洞安全監(jiān)測應(yīng)用分析

隧洞的安全監(jiān)測設(shè)計與施工需結(jié)合地質(zhì)情況、水流形式、施工方式、斷面形狀、襯砌方式等因素綜合考慮。按照斷面的水流形態(tài)，隧洞分為有壓隧洞或無壓隧洞。隧洞開挖方式通常有鉆爆法、TBM施工等，斷面形狀有圓形、方圓形（城門洞形）、馬蹄形、高壁拱形、方形等五類。有壓隧洞一般采用圓形斷面，內(nèi)水壓不大時也有馬蹄形或方圓形斷面形式，一般根據(jù)項目所在地的地質(zhì)、施工和運用條件等決定。隧洞支護主要包括錨噴、襯砌及組合三種支護形式。襯砌施工有全斷面一次性完成或仰拱頂拱分步施工。據(jù)不完全統(tǒng)計[3]，有壓隧洞洞徑一般在4～13 m左右，襯砌厚度為0.5～1.0 m左右，局部可能更薄。

2.1 隧洞安全監(jiān)測設(shè)計應(yīng)考慮的幾個方面

隧洞的安全監(jiān)測項目一般包括內(nèi)外水壓力、錨桿應(yīng)力、襯砌應(yīng)力應(yīng)變計、接縫及溫度等項目，有壓隧洞典型安全監(jiān)測斷面如圖2所示。對有壓隧洞應(yīng)考慮內(nèi)水壓力的監(jiān)測，重視外水壓力、溫度的監(jiān)測。

圖2 典型監(jiān)測斷面儀器布置Fig.2 Arrangement of monitoring instruments on typical moni?toring section

有壓隧洞安全監(jiān)測應(yīng)包括內(nèi)水壓力。對有壓隧洞而言，內(nèi)水壓力變化速率是隧洞運行期主要控制指標之一。隧洞靜水壓力是指靜水線以下至襯砌內(nèi)緣頂部的距離，浪涌壓力是指靜水線以上至隧洞壓力坡線的距離，兩者共同構(gòu)成隧洞的均勻內(nèi)水壓力?！端ぴO(shè)計手冊》指出，有壓隧洞充水過程中，隧洞的內(nèi)水壓力變化率不應(yīng)大于10 m/h，排水過程中內(nèi)水壓力變化率為2～4 m/h[3]。隧洞的內(nèi)水壓力變化速度將影響隧洞內(nèi)外水壓力差，其值越大對襯砌的安全影響越大。隧洞設(shè)計時，其內(nèi)水壓力根據(jù)隧洞進、出口特征水位，結(jié)合隧洞各種運行工況，按可能出現(xiàn)的最大內(nèi)水壓力（包括動水壓力）確定[3]，應(yīng)設(shè)專門的滲壓計監(jiān)測。對有壓隧洞來說，滲壓計安裝部位應(yīng)與隧洞表面平整，避免出現(xiàn)沖擊破壞或負壓空蝕。

隧洞應(yīng)設(shè)外水壓力監(jiān)測項目。外水壓力與圍巖性質(zhì)、斷層破碎帶的情況、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、地下水的補給、襯砌混凝土的施工質(zhì)量及其與圍巖的結(jié)合情況等相關(guān)。項目設(shè)計階段，襯砌的外水壓力一般參考實測地勘資料，考慮一定的折減系數(shù)確定[3]，但隧洞運行后可能引起地下水位變化，隧洞真正的外水壓力應(yīng)埋設(shè)滲壓計取得。外水壓力監(jiān)測的滲壓計一般位于混凝土襯砌與圍巖接觸面四周，有時為了解圍巖內(nèi)的滲流場，在圍巖深處也會鉆孔埋設(shè)滲壓計，如圖2所示。

溫度變化、混凝土的自身體積變形等對襯砌內(nèi)部應(yīng)力有影響，因此，需要測量襯砌及圍巖內(nèi)部的溫度。冬季溫度降低使襯砌半徑縮小，圍巖洞壁半徑增大，因而襯砌產(chǎn)生拉應(yīng)力。混凝土固結(jié)時的收縮相當于降溫，混凝土在水中的膨脹相當于升溫，一般假設(shè)兩者相互抵消，一并忽略不計，但在分析施工階段的襯砌內(nèi)力時，仍考慮混凝土收縮的影響。

2.2 高水頭長隧洞安裝FBG傳感器應(yīng)考慮的幾個問題

隧洞施工時，空間小、距離長，隧洞投運后水流狀態(tài)有無壓型或有壓型，安全監(jiān)測儀器的埋設(shè)安裝要結(jié)合隧洞的施工、形狀綜合考慮。

2.2.1安裝時間

錨桿應(yīng)力計一般在混凝土襯砌澆筑之前安裝完成，即在噴錨支護后與鄰近部位錨桿同步安裝?，F(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗表明，在隧洞分層鉆爆開挖施工時，用廢舊汽車輪胎保護錨桿應(yīng)力計引出尾纜并懸掛在孔壁上是一種簡單有效的措施。

襯砌內(nèi)監(jiān)測儀器的安裝時間應(yīng)根據(jù)襯砌施工的進度。混凝土襯砌的支護常用模板臺車，襯砌內(nèi)部空間有限，模板臺車就位后施工人員一般無法進入作業(yè)面，因此襯砌內(nèi)的應(yīng)變計、鋼筋計等應(yīng)該在模板臺車就位前安裝完成，監(jiān)測儀器的引出尾纜穿管保護，待模板臺車就位，混凝土澆筑時旁站跟蹤。

現(xiàn)場安裝經(jīng)驗表明，滲壓計在襯砌混凝土澆筑前鉆孔安裝比較合適，即固結(jié)灌漿完成后綁扎鋼筋前完成鉆孔，模板臺車就位前完成安裝。一般而言，為避免滲壓計端部的透水石堵死，滲壓計安裝應(yīng)在襯砌回填灌漿后進行，此時引出尾纜只能在襯砌表面明線敷設(shè)，長期水流沖刷，很難保證其長期可靠工作，因此宜在襯砌混凝土澆筑時埋設(shè)滲壓計。隧洞回填灌漿的壓力標準值一般為0.2～0.5 MPa，混凝土襯砌一般只需頂拱回填灌漿，以消除混凝土澆筑期間形成的頂拱與圍巖之間的間隙，回填灌漿對在混凝土襯砌澆筑前埋設(shè)滲壓計的監(jiān)測影響有限。

2.2.2對一些儀器的改進措施

錨桿應(yīng)力計、測縫計改為單側(cè)出纜的方式有利于現(xiàn)場安裝。光纖光柵錨桿應(yīng)力計、測縫計等儀器一般分別從兩端引出一根尾纜，以方便讀數(shù)以及串聯(lián)。錨桿應(yīng)力計安裝時，首先在圍巖內(nèi)按設(shè)計位置鉆孔，將錨桿應(yīng)力計與錨桿按設(shè)計要求焊接組裝，然后將其推入鉆孔內(nèi)，因此內(nèi)側(cè)尾纜不得不在孔內(nèi)改變方向引到孔口?？變?nèi)有時需要同時放入灌漿管或排氣管，有效空間更小，如果控制不好尾纜在孔內(nèi)調(diào)頭的半徑，將導(dǎo)致較大的光損，甚至折斷，造成該側(cè)尾纜無法正常使用。因此，儀器安裝時保護好內(nèi)側(cè)尾纜是非常重要的工序。光纖光柵錨桿應(yīng)力計將兩端出纜改為一端引出尾纜，將尾纜在儀器內(nèi)部調(diào)頭，可以較好地控制光纜的拐彎半徑，并將其維持不變?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，這種方式的改進可以有效降低安裝難度并保證安裝質(zhì)量。

測縫計安裝在圍巖與襯砌之間，以了解兩者是否脫開。安裝時，需要將測縫計的一端埋設(shè)在圍巖內(nèi)，一端埋設(shè)在混凝土襯砌內(nèi)。一般光纖光柵測縫計與錨桿應(yīng)力計一樣兩端分別出纜，則安裝時不得不將一側(cè)尾纜在圍巖內(nèi)調(diào)頭，難度加大。與光纖光柵錨桿應(yīng)力計一樣，測縫計改為兩根尾纜都從一側(cè)引出，可以很好地解決這問題。

光纖光柵應(yīng)變計、鋼筋計等儀器應(yīng)有測溫功能。光纖光柵傳感器的波長受應(yīng)變、溫度交叉敏感，混凝土澆筑后隨著水化熱的散發(fā)，溫度快速升高，隨后逐步降低，溫度的變化對應(yīng)變波長影響較大。因此，光纖光柵儀器在巖土工程中應(yīng)用時，應(yīng)測量環(huán)境溫度以扣除其對應(yīng)變波長的影響。有些廠家的光纖光柵應(yīng)變計、鋼筋計等內(nèi)部不帶測溫光柵，可以在外部串接一個單獨的溫度計，解決這個問題。

2.2.3尾纜保護

優(yōu)質(zhì)的光纖光柵儀器是監(jiān)測系統(tǒng)成功應(yīng)用的前提，尾纜、主干光纜等通訊線路的完善保護是保證。監(jiān)測斷面的傳感器引出尾纜一般引到仰拱部位集中，然后用串聯(lián)或通過分路器連接主干光纜接入解調(diào)儀。因此，光纜線路的保護包括兩部分，第一部分是監(jiān)測斷面到解調(diào)儀之間的主干光纜，第二部分是光纖光柵儀器引出尾纜到觀測斷面集中處，需要采用相應(yīng)的保護方式。

主干光纜宜采用預(yù)留光纜溝方式保護。運行期間，高水頭有壓隧洞整個斷面充滿有壓水流，一般流速在2～5 m/s[3]，為避免高壓、帶雜物的水流沖擊破壞，主干光纜一般不能以明線方式敷設(shè)，只能埋設(shè)在襯砌混凝土之內(nèi)。為降低光纜線路光損，提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，從監(jiān)測斷面到測站處的解調(diào)儀盡量要采用整根光纜，對長距離隧洞項目，主干光纜長度往往有數(shù)公里甚至數(shù)十公里之長。混凝土襯砌施工一般按10～15 m長逐倉進行，如果直接在襯砌內(nèi)逐倉埋設(shè)主干光纜，狹小的空間內(nèi)各種施工材料、設(shè)備、粗放式施工將增加風(fēng)險，也無法保證主干光纜埋設(shè)后的質(zhì)量。如圖3隧洞剖面中所示，在仰拱部位預(yù)留光纜溝，在襯砌施工完成后套管埋設(shè)主干光纜，再進行二期混凝土澆筑是一種合適的施工方法。

監(jiān)測斷面上各監(jiān)測儀器引出尾纜應(yīng)穿管保護。監(jiān)測斷面處傳感器引出尾纜的保護要結(jié)合斷面襯砌方式進行。襯砌全斷面施工時，可以將各個監(jiān)測儀器的尾纜穿管保護后引到統(tǒng)一部位，保護管能維持一定的拐彎半徑，保證尾纜在管內(nèi)平穩(wěn)過渡，從而降低光損，提高系統(tǒng)的可靠性。PE管沿襯砌內(nèi)的環(huán)向鋼筋敷設(shè)，建議保護管與鋼筋之間采用尼龍扎帶綁扎而不用細鐵絲，以避免澆筑混凝土?xí)r模板臺車震動破壞保護管及內(nèi)部的尾纜。

對有壓隧洞，監(jiān)測斷面仰拱部位宜預(yù)埋木箱臨時保護尾纜。每個監(jiān)測斷面一般安裝有多個內(nèi)部監(jiān)測儀器，一個斷面按照5個應(yīng)變計、8個鋼筋計、4個滲壓計考慮，則將有30根尾纜引出，這么多尾纜在混凝土襯砌澆筑期間的保護且確保測量端部的FC/APC端子的清潔，有一定的難度。將測量端子引入預(yù)埋在仰拱部位的木箱，用土工布或膨脹泡沫封堵密封，在模板臺車移走后揭出木箱，就可以有效解決尾纜在該部位的保護問題。后期施工時，主干光纜與斷面監(jiān)測儀器尾纜熔接時的斷面接線保護盒，可以安裝在前期預(yù)留的空間內(nèi)再回填混凝土。

設(shè)臨時引出尾纜進行基準值的測量。按照規(guī)范要求，內(nèi)部觀測頻次為[4]：觀測儀器埋入混凝土后，24 h內(nèi)，1次/4 h；第2～3 d，1次/8 h；第4～7 d，1次/12 h；第7～14 d，1次/24 h；之后按1次/周～1次/月施工期測次要求進行數(shù)據(jù)采集。有壓隧洞一般采用圓形斷面，襯砌混凝土施工常用模板臺車支護全斷面、分倉澆筑。按照規(guī)范要求，鋼筋計、應(yīng)變計等埋入混凝土12～24 h后的測值作為初始值[5]。當監(jiān)測斷面的儀器引出尾纜在仰拱部位預(yù)埋木箱保護后，混凝土襯砌澆筑期間無法進行數(shù)據(jù)采集，直至3～4d后模板臺車移走才能正常進行，往往錯過初始值的測量。此時，如果將各監(jiān)測儀器的尾纜首尾用法蘭相接或用分路器連接，再通過少量的臨時尾纜從木箱敷設(shè)至倉面外，如圖3所示，就可以按照規(guī)范進行混凝土澆筑期間的數(shù)據(jù)采集，正常采集到監(jiān)測儀器的基準值。

圖3 監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅魑怖|保護Fig.3 Protection of opticalcable on the monitoring section

2.3.FBG應(yīng)用時應(yīng)考慮的其他問題

傳感器在設(shè)計或訂貨時應(yīng)考慮將來的組網(wǎng)問題。FBG傳感器可以串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)建準分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，進一步減少數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中光纖光柵解調(diào)儀的使用數(shù)量，從而降低系統(tǒng)造價。串聯(lián)或用分路器并聯(lián)的FBG傳感器陣列包含多個傳感光柵，光纖光柵解調(diào)儀通過反射光波長“尋址”每一個光柵，因此傳感器陣列中波長應(yīng)該具有唯一性，即解調(diào)儀的一個通道中的FBG傳感器波長不能重復(fù)[6]。因此，在安全監(jiān)測設(shè)計或傳感器訂貨時，需要明確每個FBG傳感器的中心波長值以及將來的組網(wǎng)方式。

目前，關(guān)于光纖光柵傳感器在巖土工程中應(yīng)用的相關(guān)標準尚未頒發(fā)，在項目實施的過程中，可以參考振弦式傳感器的同類儀器標準。按照規(guī)程，安全監(jiān)測儀器在水利工程中使用都需要通過水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的檢驗，生產(chǎn)許可證的頒發(fā)需有相關(guān)儀器的標準，監(jiān)測儀器運抵工程現(xiàn)場后需要進行相關(guān)檢測，也要根據(jù)相應(yīng)標準比較，以判斷其是否符合相關(guān)標準要求?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，光纖光柵儀器的力學(xué)性能測試基本能達到同類振弦式儀器的標準要求。

3 結(jié)語

高水頭、長距離隧洞的引水工程安全監(jiān)測中，相對于傳統(tǒng)電式傳感器，光纖光柵傳感器的信號長距離傳輸、波分復(fù)用技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。對有壓隧洞，內(nèi)水壓力的變化速率是高水頭隧洞主要荷載之一，襯砌及圍巖溫度影響著兩者是否有脫開的風(fēng)險，因此安全監(jiān)測設(shè)計應(yīng)重視這類監(jiān)測項目的設(shè)置。錨桿應(yīng)力計、測縫計單側(cè)出纜的改進可簡化安裝，還可提高監(jiān)測儀器的埋設(shè)完好率。高水頭、長距離隧洞仰拱部位預(yù)留溝以方便主干光纜敷設(shè)，隧洞全斷面襯砌施工時，在仰拱部位預(yù)埋木箱集中保護監(jiān)測儀器的尾纜并引出臨時尾纜進行施工期數(shù)據(jù)采集，可以避免基準值的缺失，這些改進措施可以有效地適應(yīng)高水頭、長距離隧洞安全監(jiān)測的特點。

[1]鐘江.光纖光柵監(jiān)測儀器在長隧洞遠距離傳輸工程中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電，2009，45(12):30-33.

[2]李宏男，任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感器技術(shù)[M].北京：中國建筑出版社.2008.

[3]王仁坤，張春生.水工設(shè)計手冊（第8卷)·水電站建筑物[M].北京：中國水利水電出版社.2013.

[4]中華人民共和國水利部.SL601-2013,混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社.2013.

[5]中華人民共和國水利部.SL531-2012,大壩安全監(jiān)測儀器安裝標準[S].北京:中國水利水電出版社.2012.

[6]周克明，楊建喜，錢亞俊.光纖光柵儀器在引水工程中的應(yīng)用[J].水利信息化，2015(127):44-47.

作者郵箱：382842629@qq.com

Some issues in application of FBG sensors in long tunnel with high water pressure

by YE Hong, WANG Song and ZHOU Ke-ming Fujian College ofWater Conservancy and Electric Power

The safety monitoring oflong tunnelwith high water head has some specialcharacteristics.In its safety monitoring design and instrumentinstallation,monitoring items such as lining temperature,in?ternal and external water pressure should be included.In this paper,some improvement suggestions, namely time and method ofinstallation ofmonitoring instruments,the protection measures ofopticalca?ble as wellas the way for mooring cable ofanchor stress meter and the jointmeter,are putforward and are successfully applied in projects,which is worthy ofreference.

high water pressure;long tunnel;safety monitoring;FBG;installation;construction period; protection

TV698.1

A

1671-1092（2017）01-0025-04

2016-08-16

國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”——長距離復(fù)雜調(diào)水工程長效安全運行保障技術(shù)與示范（2016YFC0401809）

葉 紅（1974－），女，福建永安人，高級實驗師，研究方向為測繪及水工監(jiān)測。