馬崇璽

(甘肅山丹水利水電工程局有限責任公司，甘肅 張掖 734100)

1 工程概況

引洮工程最主要的建筑物是引水隧洞，其中16#隧洞最長，達到了20km，是該工程最具代表性的水工長引水隧洞之一。該工程整體地質(zhì)條件復(fù)雜，且部分段落有地下水滲出，對混凝土和鋼筋具有強腐蝕性[1]。因此隧洞開挖過程中，為保證施工安全需要對隧洞的圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測。目前國內(nèi)在巖土工程安全監(jiān)測中，普遍采用傳統(tǒng)的電學量測技術(shù)。該技術(shù)受到工程建設(shè)條件和自身技術(shù)的限制，不能滿足某些特定條件下的監(jiān)測需求。近些年光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，可以實現(xiàn)長距離復(fù)雜環(huán)境的信號傳輸，因此在一些傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不便實行的地下工程等各種環(huán)境中，光纖技術(shù)使用較為廣泛。雖然光纖傳輸擁有眾多優(yōu)點，但是國內(nèi)工程光纖應(yīng)用實例不多。該工程監(jiān)測各斷面分支光纖通過儀器連接組網(wǎng)后形成主支光纖，再由主支光纖將圍巖穩(wěn)定性信息實現(xiàn)長距離傳輸?shù)浇邮軆x器，工作人員便可以實現(xiàn)以光纖傳感技術(shù)進行隧洞圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測[2- 5]。這種監(jiān)測方便快捷高效，監(jiān)測人員不用守在監(jiān)測現(xiàn)場便可以監(jiān)測到隧洞圍巖情況。

2 光纖傳感器材料及特點

2.1 載體材料

光纖的地下鋪設(shè)以及固定都需要載體材料發(fā)揮巨大的作用，載體材料主要需要滿足2個要求，首先是足夠的硬度要求，地下埋設(shè)光纖為保護光纖不受到破壞，硬度是第一要求。其次，光纖靈敏度受到溫度影響巨大，因此材料散熱要求也特別重要[6]。綜合以上要求，不銹鋼材是載體材料的第一選擇。

2.2 粘結(jié)材料

光纖鋪設(shè)時需要將光纖粘結(jié)到載體材料上面，因此材料選擇需要高延展性，以便在塑性較大地區(qū)便于鋪設(shè)，同時不影響監(jiān)測精度。此外為使光纖粘結(jié)到載體且不易脫落，延長光纖的使用壽命，粘結(jié)材料的粘結(jié)性必須要好。環(huán)氧樹脂膠是粘結(jié)材料的首選。

2.3 光纖傳感器特點

光纖光柵傳感器因其材料自身的導光隔熱、絕緣耐高溫、耐腐蝕等物理特性和穩(wěn)定的化學性能等特點成為長距離引水隧洞工程安全監(jiān)測的不二選擇。光纜傳輸將數(shù)據(jù)傳輸和信息傳感結(jié)合到一起，數(shù)據(jù)傳輸量相比其他傳統(tǒng)設(shè)備大并且數(shù)據(jù)損耗小，距離又遠。另外光纜材料比較特殊，是非金屬無機材料，這就使其可以適用于各種特殊地質(zhì)，尤其地下工程和高溫潮濕環(huán)境[7- 11]。光纜傳輸技術(shù)信號穩(wěn)定性強，信號傳輸效率高，布設(shè)簡單，便于工程應(yīng)用。光纖結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

3 技術(shù)原理

3.1 光纖光柵反射波長變化量

λ=2nFFΔl+2ΔnFFΛ

(1)

式中，L—光纖光柵的柵距；nFF—光纖折射率；λ—波長改變量；Δl—在應(yīng)力作用下光柵柵距改變量；ΔnFF—光纖彈光效應(yīng)導致的光纖折射率改變量。

3.2 波長位移變化

光纖布設(shè)處外界的壓力以及溫度發(fā)生變化時，光纖光柵距會發(fā)生變化，因此根據(jù)外界環(huán)境的變化，可以通過公示計算反射光波的位移量：

ΔλB=λBSTΔT+λBSeΔε

(2)

ST=αT+ξ

(3)

Se=1-pe

(4)

式中，ΔλB—光波位移變化；ST—溫度應(yīng)變系數(shù)，其值隨外界溫度變化；Se—壓力應(yīng)變系數(shù)，其值隨外界壓力變化；αT—熱膨脹系數(shù)；ζ—熱光系數(shù)；Pe—彈光系數(shù)。

4 隧洞安全監(jiān)測技術(shù)概況

我國裝備制造技術(shù)的突飛猛進，助推了地下巖土施工技術(shù)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域地下隧道逐漸向著長距離、大埋深等方向拓展。在水利工程規(guī)劃建設(shè)方面，一些大型跨流域長距離的引調(diào)水工程建設(shè)，如南水北調(diào)中線、遼寧大伙房水庫供水等，有力支撐了嚴重缺水地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和經(jīng)濟社會發(fā)展，使我國部分地區(qū)水資源短缺問題逐步緩解。長隧洞是遠距離引調(diào)水工程常用建筑物之一，在工程建成后長期運行過程中，密切關(guān)注高地應(yīng)力、高地溫、強腐蝕性環(huán)境、大斷裂帶等這些段落的襯砌結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的穩(wěn)定性，是保證工程長期安全運行的必要條件。因此，根據(jù)建設(shè)條件，率定出長隧洞運行期可能存在的圍巖穩(wěn)定和對襯砌結(jié)構(gòu)不利段落，合理選取隧洞的監(jiān)測斷面、監(jiān)測位置，做好監(jiān)測設(shè)備的安裝與保護，為長距離引水隧洞的安全監(jiān)測系統(tǒng)提供保障，極其重要。

我國開始關(guān)注光纖傳感技術(shù)的研究主要是上世紀七十年代在軍事科技方面[12- 13]，起步時間稍晚于國際上。起始階段，主要是應(yīng)用于軍事和通信技術(shù)。近年來隨著我國制造技術(shù)的提升和完善，能夠造出質(zhì)量更好，價格更便宜的光纖，因此光纖在國民通訊，工程信息傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮作用，并整體提高了傳輸效率，節(jié)省成本。

5 光纖傳感器安裝與監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 傳感器應(yīng)變系數(shù)確定

為計算恒定溫度下傳感器的應(yīng)變系數(shù)，在恒溫室內(nèi)對傳感器進行試驗，通過拉伸實驗獲得應(yīng)變片應(yīng)力值和傳感器中心波長值。

通過擬合應(yīng)變和中心波長關(guān)系，得到兩者的關(guān)系曲線。如圖2所示，傳感器應(yīng)變與波長的關(guān)系符合一元線性關(guān)系y=ax-b，便可以得到恒定溫度下的傳感器應(yīng)變系數(shù)。

圖2 應(yīng)變與中心波長關(guān)系曲線

5.2 傳感器監(jiān)測流程

埋設(shè)于巖體或混凝土內(nèi)部的傳感器，要在測試儀器工作正常后，完成多個尾纖接線的組內(nèi)連接，再測試串聯(lián)組組內(nèi)儀器正常后接入分支光纜[14- 15]，光纖傳感器監(jiān)測流程如圖3所示。隧洞基本監(jiān)測信息見表1。

圖3 光纖傳感器監(jiān)測流程圖

表1 隧洞監(jiān)測信息

5.3 傳感器安裝及監(jiān)測結(jié)果分析

5.3.1多點位移計與測縫計

多點位移計的安裝需要將儀器全部埋入開挖的山體內(nèi)，且需將安設(shè)位移計設(shè)計為3點位移計。位移計安裝應(yīng)該按照所使用儀器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及儀器尺寸進行鉆探造孔。儀器的安裝孔深應(yīng)依據(jù)需監(jiān)測深度范圍確定，為方便裝入儀器和預(yù)留適量間隙控制，要在孔口段0.5m范圍進行擴大直徑處理。將測桿按照規(guī)范要求裝入監(jiān)測孔，將位移計固定好后安裝封漿板，封漿板安裝質(zhì)量必須符合規(guī)范要求，一旦封漿板安裝不夠嚴密，在進行灌漿封孔時會出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，導致位移計安裝穩(wěn)定性不符合要求。

測縫計主要有埋入式測縫計和表面測縫計。埋入式測縫計安裝于結(jié)構(gòu)內(nèi)部一襯與二襯之間。測縫計安裝應(yīng)按照所使用儀器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及儀器尺寸進行鉆探造孔，孔深一般大于1.0m。測縫計在打孔、填漿、封口后一定要保證測縫計尾端與頂桿間無相對位移，若出現(xiàn)相對位移則重新安裝。

光纖連接位移計與測縫計傳感器組件，傳感器接收到的信號通過光纖傳輸給監(jiān)測顯示屏。位移計監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 多點位移計監(jiān)測結(jié)果隨時間變化圖

由監(jiān)測結(jié)果可知，在隧洞斷面開挖后80d左右監(jiān)測點位移變化一直處于不斷增長之中，在110d左右位移變化出現(xiàn)下降趨勢，說明此時隧洞圍巖已處于向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。

5.3.2無應(yīng)力計

無應(yīng)力計安裝于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無應(yīng)力計由2大部件應(yīng)變計和無應(yīng)力桶構(gòu)造而成，是一個組合體。無應(yīng)力桶是一個錐形體，桶頂無蓋。安裝時先用鋼筋骨架將無應(yīng)力桶固定于結(jié)構(gòu)侍測點內(nèi)部，并將應(yīng)變計用鋼絲懸置于無應(yīng)力桶中央，使用與隧洞襯砌同等標號的混凝土填滿無應(yīng)力計桶，再澆筑于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部。應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果隨時間變化圖

結(jié)合隧洞斷面位移監(jiān)測結(jié)果，隧洞在60d前一直處于大幅變動狀態(tài)，隨著時間的增加，隧洞應(yīng)力逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明這段時間隧洞巖土壓力變小，斷面巖土逐漸穩(wěn)定下來。

5.3.3滲壓計

滲壓計安裝于巖體內(nèi)部，主要組件由滲壓計及土工織物包裹袋等組成，安裝時先在待測點巖體內(nèi)造孔，孔徑大小較包裹袋大，孔深0.5m左右。滲壓計在安裝前要做準備工作，首先將滲壓計放入純凈水中浸泡至飽和狀態(tài)，一般放置2h。待滲壓計飽和后取出，使用浸泡飽和的特定中細沙土包好滲壓計測頭。最好將包好的滲壓計放入提前打好的孔中，再進行填孔、分孔操作。光纖連接滲壓計，傳感器接收到的信號通過光纖傳輸給監(jiān)測顯示屏。滲壓計監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 滲壓計監(jiān)測結(jié)果隨時間變化圖

隧洞斷面滲壓變化如圖6所示，隧洞滲壓在前幾天一直處于壓力增加階段，說明該段時間隧洞水流正在積聚，隨著時間增加，隧洞滲壓又不斷出現(xiàn)減小、增加的循環(huán)，這是因為滲壓隨著隧洞位移和土壓力的變化導致的，斷面監(jiān)測點位移和土壓力的變化幾乎是同步的。滲壓隨時間增加也逐漸減小，這是隧洞內(nèi)部正在往穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)揮，滲壓也趨于穩(wěn)定。

5.3.4傳感器溫度隨時間變化曲線

如圖7所示，滲壓計與應(yīng)力計溫度變化步幅幾乎一致，前期溫度變化一直是增加趨勢，都在25d左右溫度出現(xiàn)最高值，這與混凝土凝結(jié)特性相符合，因為在混凝土凝固初期會釋放熱量導致溫度一直會上升；時間達到混凝土凝結(jié)硬化后期時水泥的水化熱釋放已經(jīng)很小，所以溫度逐漸下降到周圍環(huán)境溫度。所以各種傳感器不僅可以監(jiān)測巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)變和滲壓變化，同時還可以檢測混凝土凝結(jié)效果的好壞。

圖7 應(yīng)力計與滲壓計溫度隨時間的變化關(guān)系

綜上所述，我們將光纖技術(shù)應(yīng)用到圍巖穩(wěn)定及滲水問題中的位移計、應(yīng)力計、滲壓計等監(jiān)測儀器，通過將光纖連接到監(jiān)測儀器的傳感器，形成特定的光纖傳感器進行各種監(jiān)測項目數(shù)據(jù)的收集與傳輸。這些光纖傳感器組網(wǎng)形成的監(jiān)測系統(tǒng)高度發(fā)揮了其監(jiān)測作用，在隧洞施工運行中，其監(jiān)測結(jié)果完美展現(xiàn)了監(jiān)測點位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)的變化，為隧洞的安全防護提供了精確的依據(jù)，確保了隧洞施工的正常進行。該工程總干渠16#隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定問題突出，因此斷面圍巖穩(wěn)定性及滲水等監(jiān)測項目采用光纖傳感技術(shù)進行取代傳統(tǒng)儀器監(jiān)測，不僅提高了監(jiān)測效率，同時也加快了施工進度，節(jié)約了施工成本。

6 結(jié)語

相對于光纖傳感技術(shù)靈活高效的監(jiān)測作用，使用傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測長距離大斷面引水隧洞開挖施工中的隧洞斷面圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已較落后。本工程光纖技術(shù)監(jiān)測結(jié)果顯示，布置在各隧洞斷面的各種光纖傳感設(shè)備工作正常且能準確反映出隧洞斷面的圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)變及滲水狀況，極大地提高了巖土穩(wěn)定及滲水監(jiān)測效率。這表明光纖傳感技術(shù)可以成功應(yīng)用于長距離地下隧洞工程監(jiān)測，該工程光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用為長隧洞的安全監(jiān)測工作積累了成功經(jīng)驗。