郭章輝

(中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司,云南 昆明 650200)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定增長和“一帶一路”推動(dòng)下，我國鐵路建設(shè)取得了長足發(fā)展。截至2021年4月，我國鐵路運(yùn)營里程達(dá)到14.63萬km，高速鐵路運(yùn)營里程達(dá)到3.79萬km。路基是鐵路線路工程的一個(gè)重要組成部分，是承受軌道結(jié)構(gòu)重量和列車荷載的基礎(chǔ)，也是線路工程中最薄弱最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，是地質(zhì)災(zāi)害(巖溶塌陷、泥石流等)發(fā)生最為嚴(yán)重的國家之一，穿越凍融、軟土以及巖溶發(fā)育區(qū)域的鐵路路基，不可避免發(fā)生路基沉降或巖溶塌陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車脫軌等事故。如浙贛線路基施工期間和運(yùn)用初期，多次遭受巖溶塌陷災(zāi)害，導(dǎo)致鐵路運(yùn)營中斷；2020年通車的安六高鐵客專穿越巖溶發(fā)育區(qū)域，對列車運(yùn)營存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。路基線下溶洞具有很強(qiáng)的隱蔽性，巖溶發(fā)育與周邊環(huán)境變化密切相關(guān)，災(zāi)害發(fā)生具有很強(qiáng)的時(shí)空不確定性，為確保列車運(yùn)行安全，采用先進(jìn)監(jiān)測手段開展路基變形監(jiān)測具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前路基沉降監(jiān)測技術(shù)主要為InSAR技術(shù)(合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，Synthetic Aperture Radar Interferometry)、靜力水準(zhǔn)沉降儀、監(jiān)測沉降板等技術(shù)[1-3]。其中InSAR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大范圍毫米級別沉降監(jiān)測，但是存在監(jiān)測成本貴和只能實(shí)現(xiàn)路基表面變形監(jiān)測等問題；靜力水準(zhǔn)沉降儀基于連通管原理，測試條件受路基高差限制且連通管液體易揮發(fā)而導(dǎo)致測試誤差大等問題；沉降板是目前應(yīng)用較為廣泛的檢測和監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)需要沿著路基垂直鉆孔布設(shè)，屬于單點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)，容易造成路基沉降漏檢。分布式光纖傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里連續(xù)的變形場和振動(dòng)場監(jiān)測，目前已經(jīng)在路基中得到一定的應(yīng)用[4-6]。路基施工流程比較復(fù)雜，屬于分時(shí)分段分層施工，實(shí)際工程應(yīng)用中很難為分布式光纖傳感器提供數(shù)百米的連續(xù)布設(shè)平面，一定程度上也制約了其的推廣應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)路基施工和服役階段的長距離沉降監(jiān)測，本文基于光纖光柵波分復(fù)用功能，將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)封裝在纖維增強(qiáng)樹脂中，并埋入到路基縱橫向中進(jìn)行路基多點(diǎn)沉降監(jiān)測，通過路基現(xiàn)場原位試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感原理及光纖纖維增強(qiáng)封裝技術(shù)

光纖光柵作為傳感元件具有抗電磁場干擾、耐久性好以及信號傳輸距離長等特點(diǎn)，已有研究結(jié)果表明光纖光柵的布拉格中心波長與環(huán)境溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系：

ΔλB=KεΔε+KTΔT

(1)

其中,Kε,KT分別為光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)和溫度靈敏度系數(shù)；ΔλB,Δε,ΔT分別為布拉格中心波長偏移量，應(yīng)變增量和溫度增量。已有試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果表明：Kε=1.2 pm/με，KT=10.8 pm/℃[7]。

光纖光柵傳感器本質(zhì)上屬于單點(diǎn)傳感器，但是基于波分復(fù)用功能，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串聯(lián)在一條傳輸光纖上，各個(gè)光纖光柵的中心波長要間隔一定的距離，避免傳感器因受力波長漂移而導(dǎo)致多個(gè)傳感器波長重疊，建議實(shí)際工程應(yīng)用中，各個(gè)光纖光柵中心波長相互間隔5 nm。光纖光柵纖細(xì)、抗剪切力差，直接作為傳感器非常容易損壞。考慮到路基施工環(huán)境惡劣及服役的長期性，采用纖維增強(qiáng)樹脂封裝工藝將光纖光柵封裝保護(hù)在纖維增強(qiáng)樹脂筋中形成多點(diǎn)測試的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器，如圖1所示。圖1(b)為由大連博瑞鑫科技有限公司提供準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器，傳感器的極限拉伸應(yīng)變10 000微應(yīng)變。

3 基于準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器的路基變形監(jiān)測試驗(yàn)

圖2為某高速鐵路路基施工現(xiàn)場，纖維增強(qiáng)樹脂封裝的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器通過開槽的方式埋入到路基中(沿路基縱橫向鋪設(shè))，橫向布設(shè)傳感器長20 m，內(nèi)置3個(gè)光纖光柵傳感器，初始波長分別為1 525.325 nm(FBG1)，1 535.137 nm(FBG2)和1 544.945 nm(FBG3)，各個(gè)光纖光柵的間距為6 m，如圖2(a)所示?？v向布設(shè)準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器長30 m，內(nèi)置3個(gè)傳感器，各傳感器間隔10 m，如圖2(b)所示，各傳感器光纖光柵初始中心波長如圖3～圖8所示。

圖3～圖5為路基橫向方向填筑期間纖維增強(qiáng)樹脂封裝的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器中各個(gè)光纖光柵的波長變化及相應(yīng)的沉降量。此工期路基填筑高度3 m，即傳感器上方填料高度為3 m，測試時(shí)間為18 d。從測試數(shù)據(jù)可以看到，在前7 d內(nèi)，因路基施工過程填料增高、重載裝卸車和壓路機(jī)反復(fù)碾壓，導(dǎo)致路基一直在壓實(shí)下沉，到7 d，路基整體填筑高度1.2 m，從左到右(FBG1，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3)的沉降量依次為4.95 cm，2.47 cm和2.23 cm。第8天，路基繼續(xù)填筑，因填筑工期緊張，填筑車輛往返頻繁，填筑到3 m的高度后，從左到右的最大沉降量分別為11.52 cm，4.67 cm和4.22 cm，左邊路基沉降量大是因?yàn)樵撐恢谜梦挥谲囕v行駛面上。試驗(yàn)測試結(jié)果與實(shí)際情況相符合，依據(jù)路基施工沉降量監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為路基施工提供一定的指導(dǎo)意義。

圖6～圖8為路基縱向準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器測量得到的填筑期光纖光柵波長變化和相應(yīng)的沉降量，準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器中各光柵分別為FBG4，F(xiàn)BG5和FBG6，從FBG4為路基小里程方向，F(xiàn)BG6為路基大里程方向。路基縱向變形趨勢和路基橫向變形趨勢基本一致，填筑到第7天，F(xiàn)BG4，F(xiàn)BG5和FBG6測量的沉降量分別為1.25 cm，1.12 cm和2.46 cm。FBG4在第4天測試的數(shù)據(jù)有一個(gè)上升數(shù)據(jù)，原因是裝卸車輛反復(fù)碾壓導(dǎo)致該位置路基上拱。第8天，縱向路基沉降量(從小里程到大里程)分別為8.86 cm，6.77 cm和7.17 cm。

從圖3到圖8可以看到，第8天以后，路基沉降量趨于平穩(wěn)，主要是路基此階段沒有施工荷載，路基上部荷載基本不變。假設(shè)準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器長度方向路基沉降變形成線性段，分別對FBG1～FBG3以及FBG4～FBG6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段線性插值，插值距離為1 m，得到如圖9所示的路基縱橫向連續(xù)沉降變形曲線。可以知道，準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器中光纖光柵的數(shù)量越多，路基縱橫向沉降測量精度就越高。

4 結(jié)語

基于波分復(fù)用功能，將具有三個(gè)光纖光柵的傳感器封裝在纖維增強(qiáng)樹脂筋中，并通過開槽方式鋪設(shè)在某高速鐵路路基中開展路基填筑施工沉降監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器可以有效獲取路基中光纖光柵位置處的沉降量，監(jiān)測數(shù)據(jù)與路基施工實(shí)際工況相符。