盧韻竹，程 琳，張安安，毛昊然

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710000)

0 前言

城市地下綜合管廊是在城市地下用于集中敷設(shè)電力、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道。地下管廊的建設(shè)為城市發(fā)展預(yù)留了寶貴的地下空間，已然成為了21世紀(jì)城市現(xiàn)代化建設(shè)的熱點(diǎn)和衡量城市建設(shè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一。由于城市地下管廊是建設(shè)在城市中心道路的地下工程，周邊有眾多大型建筑物或構(gòu)筑物，一旦管廊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，就有可能危及周邊建筑物安全，造成爆炸、地面塌陷等重大事故發(fā)生。因此，對管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對于提高管廊運(yùn)行管理的快速反應(yīng)能力和安全防護(hù)能力、保證管廊的安全運(yùn)行顯得尤為重要。

目前對于結(jié)構(gòu)本身的監(jiān)測多采用鋼筋計(jì)、測縫計(jì)和應(yīng)力計(jì)等。這些傳統(tǒng)監(jiān)測手段多為點(diǎn)式監(jiān)測，無法全面獲得整個(gè)管線的狀態(tài)信息。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖作為一類新興的傳感技術(shù)，目前正受到廣泛的關(guān)注[1-10]。分布式光纖既能單獨(dú)局部地精確傳感，又能組建監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施全局的監(jiān)測，具有實(shí)現(xiàn)方式簡單、成本低廉、分布式測量、高分辨率和大范圍測量的優(yōu)點(diǎn)，在土木工程安全監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2003年，張丹通過設(shè)計(jì)對鋼筋的應(yīng)變監(jiān)測試驗(yàn)，證明分布式光纖監(jiān)測技術(shù)可以比較真實(shí)地得到結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變分布[11]；2005年，施斌將分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于隧道的安全監(jiān)測上，并在南京市鼓樓隧道處做了750m的試驗(yàn)段，對隧道的整體沉降，裂縫的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測，最終達(dá)到了監(jiān)測目的[12]；同年張俊義在三峽庫區(qū)崩滑災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)技術(shù)[13]；2008年史彥新將分布式光纖引入滑坡監(jiān)測，運(yùn)用布里淵光纖時(shí)域反射技術(shù)，監(jiān)測到了巫山殘聯(lián)滑坡的應(yīng)變信息[14-15]；2010年，張帥軍以廣州地鐵五號線小北站工程為例，闡述了光纖傳感技術(shù)在城市地鐵工程監(jiān)測的應(yīng)用方法和監(jiān)測成果,表明光纖傳感器能夠細(xì)微地反映出各種變化，在地下工程監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景[16]。

為了將分布式光纖技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際地下管廊的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，本文進(jìn)行了地下管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)變的靜力模型試驗(yàn)研究。首先根據(jù)某實(shí)際的城市地下輸水管廊，按照幾何相似的原理在試驗(yàn)室制作了模型，接著在參考工況、堆積荷載工況、沖擊荷載工況以及開挖工況這4種工況下進(jìn)行了對模型管廊結(jié)構(gòu)縫隙的變形監(jiān)測試驗(yàn)。最后通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)評價(jià)了監(jiān)測效果。本文基于以上研究背景，在地下城市管廊這一領(lǐng)域?qū)Ψ植际焦饫w技術(shù)提出了新的應(yīng)用。

1 OFDR技術(shù)的光纖監(jiān)測原理

試驗(yàn)采用的分布式光纖監(jiān)測原理是光頻域反射(OFDR)。光源發(fā)出線性掃描的連續(xù)光被耦合器分為兩路，其中一束作為參考光，另一束作為探測光發(fā)射到待測光纖中。探測光在光纖中向前傳播時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生瑞利散射信號，這些信號光與反射回來的參考光經(jīng)過耦合器并發(fā)生拍頻干涉，并被光電探測器檢測。OFDR的基本原理見圖1。

圖1 OFDR基本原理

對于探測光：

β(t)=ω(t)/vg=β0+γt

(1)

κ=γvg

(2)

ω(t)=ω0+κt

(3)

式中：β(t)為傳播常數(shù)；κ為頻率的掃描速率；ω(t)隨時(shí)間進(jìn)行線性掃描的光波頻率；γ為傳播常數(shù)的掃描速率；vg是光在光纖中傳播時(shí)的速度，相位變化的角頻率；t為光源掃描時(shí)間，β0與ω0分別為光源的初始傳播常數(shù)與初始頻率。

則探測光的電場可以表示為：

A(x)exp(iβ(t)x)

(4)

其中：

A(x)=α1/2A0

(5)

對于任意長度光纖dx，設(shè)其瑞利散射系數(shù)為σ(x)，則反射回來的總?cè)鹄⑸鋸?qiáng)度為：

(6)

式中：L為光纖的總長度；A0為探測光初始振幅；α(x)為光纖入射端到光纖沿線所有衰減系數(shù)的累積。

參考光的電場可表示為:

Er(0,t)=Arexp[-2iβ(t)xr]

(7)

因此，光電探測器上檢測到的混頻信號為：

(8)

(9)

式中：

G(x)=[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)]

(10)

表示光纖中x處散射信號在總信號中所占的比重。該比重大小以2γ|x-xr|的頻率隨時(shí)間波動(dòng)。設(shè)xr=0，則此波動(dòng)頻率能反映光纖中x的位置，即光纖中x處對應(yīng)的頻率為：

f(x)=2γx=2xκ/vg

(11)

利用光學(xué)差分測量技術(shù)解調(diào)出瑞利散射信號，信號頻率用于光纖各點(diǎn)定位。分別將參考狀態(tài)及測量狀態(tài)得到的瑞利散射信號按空間分辨率大小劃分為多個(gè)信號窗口，通過互相關(guān)運(yùn)算計(jì)算每個(gè)信號窗口的頻譜移動(dòng)，對應(yīng)于該處的溫度或者應(yīng)變變化[17]。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

某城市地下輸水管廊工程由混凝土澆筑而成，其方形斷面邊長為5 m。本試驗(yàn)按照幾何相似原則，以1∶20的比例制作管廊模型。兩段長25 cm左右的方形PVC管通過頂部和兩側(cè)的有機(jī)玻璃片進(jìn)行活動(dòng)連接，有機(jī)玻璃連接片與管廊通過四顆螺絲連接，形成廊道模型；將PVC圓管通過兩段有機(jī)玻璃固定于廊道底部中央，模擬過水管道。管廊模型上方砂土厚度為25 cm，下方砂土的厚度為15 cm。管廊試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。

(a)管廊試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(尺寸單位：cm)

文中試驗(yàn)所用的OFDR分布式光纖傳感儀精度選擇1 mm，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用將應(yīng)變光纖緊貼于管廊頂部中央軸線以及底部兩側(cè)軸線處的鋪設(shè)方式，監(jiān)測效果最佳，光纖的鋪設(shè)模型見圖3。

圖3 光纖的鋪設(shè)示意圖

有效測量段光纖長度范圍見表1。

表1 有效測量段光纖長度范圍

3 試驗(yàn)方案

本文涉及的試驗(yàn)分別設(shè)置了參考工況、堆積荷載、沖擊荷載、開挖4種不同工況，使用OSI-C高精度應(yīng)變、溫度分析儀測量并記錄下管廊模型的應(yīng)變數(shù)據(jù)。工況及說明見表2。

表2 工況設(shè)置及說明

試驗(yàn)設(shè)備及其規(guī)格見表3，部分試驗(yàn)實(shí)施過程見圖4。

表3 試驗(yàn)設(shè)備及其規(guī)格

圖4 試驗(yàn)實(shí)施過程圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5表示參考工況下，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變在不同光纖長度處的變化。在試驗(yàn)中起到參照的作用。

圖5 參考工況下初始應(yīng)變

圖6是在不同堆積荷載下，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變在不同光纖長度處的變化。由圖6可知，用砼塊數(shù)量不同來模擬不同堆積荷載情況下管廊模型的應(yīng)變分布情況得到在一定條件下砼塊堆積荷載越大，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變越大。

圖6 不同荷載下模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變

圖7表示為沖擊荷載從不同高度落下時(shí)，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變在不同光纖長度處的變化。從0.5 m高度落下，再從1 m與1.5 m高度重復(fù)試驗(yàn)，由圖可知管廊模型發(fā)生的應(yīng)變隨著沖擊荷載的增大而增大。圖8表示沖擊試驗(yàn)過程中跨中應(yīng)變隨著時(shí)間的變化圖像，從圖中可以清晰地看到重錘落下瞬間，管廊跨中應(yīng)變迅速增長。

圖7 不同沖擊荷載作用下模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變

圖8 沖擊工況下應(yīng)變隨時(shí)間的變化圖像

圖9是在不同開挖狀態(tài)下，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變在不同光纖長度處的變化。開挖深度由5 cm到10 cm再到15 cm分別進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖可知，開挖深度越大，管廊模型發(fā)生的應(yīng)變越大。圖10表示的是在開挖過程中，應(yīng)變隨著時(shí)間的變化圖像，通過圖像可以直觀地看出從開挖起始點(diǎn)開始，頂部跨中的應(yīng)變逐漸增大，且變化明顯。

圖9 不同開挖程度下模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變

圖10 開挖工況下應(yīng)變隨時(shí)間變化圖像

通過4個(gè)工況下的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在有連接的情況下，頂部的應(yīng)變明顯減小，并且連接越多應(yīng)變會(huì)越小。同時(shí)，試驗(yàn)表明光纖可以準(zhǔn)確地判斷應(yīng)變突變的位置，通過鋪設(shè)光纖可以精確判斷出現(xiàn)問題的位置，將位置信息傳輸出來提供給施工人員即可精準(zhǔn)、有效地施工。另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)頂部的光纖監(jiān)測到的變形的變化較為明顯，因此在管廊頂部進(jìn)行光纖的鋪設(shè)即可有效地監(jiān)測變形。

5 結(jié)語

本文的研究試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖監(jiān)測管廊結(jié)構(gòu)變形的精度較高、對應(yīng)變較為敏感，并且實(shí)時(shí)性較好，可以快速傳遞異常變形的信息和準(zhǔn)確位置，實(shí)際應(yīng)用中可以節(jié)省寶貴的時(shí)間，提高搶修效率，為保障管廊安全運(yùn)行提供了支持。作為一種新型的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法，分布式光纖具有許多傳統(tǒng)的傳感器無法比擬的優(yōu)勢，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在著鋪設(shè)方法的優(yōu)化問題以及整體監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)的問題等，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)探索。