姜 海 青

(深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026)



光纤技术在地铁隧道健康监测中的应用研究

姜 海 青

(深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026)

探讨了隧道监测中光纤光栅传感网络的建立模式，采用光纤技术，监测了深圳地铁某隧道8个危险断面中路面裂缝的位移、墙体应力集中处的应变以及温度等物理量，并结合降雨量调研结果，探究了温度与降雨对隧道健康的影响，指出光纤光栅传感器具有测量精度高、传输距离长、长期稳定的显著优点。

光纤光栅，隧道，健康监测系统，裂缝宽度

0 引言

隧道结构在运营过程中易因不断承受地下水渗流、车辆荷载、环境温度变化等外界因素的复杂作用而产生不同程度的损伤和劣化[1]，因此，其健康监测是隧道长期运营管理的保障。目前在隧道健康监测中，主要运用全站仪、水准仪等传统的光电传感技术，普遍存在寿命短、电绝缘性差、精度低等缺点。相对而言，光纤光栅传感技术是通过解调传感器的波长变化，转化成传感器所测的参量，与传统光电传感相比，可抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、埋设方便、可准分布传感，耐久性良好[2-5]，适合隧道结构的长期实时监测[6-9]，如：学者开发了长距离光纤传感监测系统，监测隧道施工阶段隧道应变、混凝土应变与伸缩缝位移、初期支护工字钢及锚杆应变、二衬混凝土应变等，同时还针对隧道运营阶段的健康状态进行监测[9]。

因此，本文研究光纤光栅在隧道结构健康监测中的应用，依托深圳地铁某隧道监测工程，探究了降雨和温度变化对隧道健康的影响规律。

1 隧道健康监测光纤光栅传感网络

光纤光栅传感原理如图1所示。

光纤光栅的监测理论目前研究已较成熟，可将光纤光栅视为一个光谱选择器，被反射光的波长称为该光栅的布拉格波长/中心波长，确定公式为[9]：

λB=2neffΛ

(1)

其中，λB为反射光中心波长(一般在1 500nm～1 595nm之间)，反射或透射波长光谱取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任一可使该参量产生变化的过程均会引起其反射光波的波长漂移。

2 基于光纤光栅的隧道健康监测系统

本文综合研究该地铁隧道的特性及环境因素，主要监测内容为：

1)隧道主体结构车行道路面裂缝扩展规律；2)隧道主体结构可能的应力集中断面墙体纵、竖向应变分布。监测断面见图2。

3 监测结果分析

3.1 温度对裂缝的影响规律

监测数据规律。在无台风暴雨等极端天气条件影响时，隧道裂缝宽度与温度变化大致呈负相关关系。中短期(24h内)，由于裂缝两侧混凝土导热系数较小，热传递时间长，裂缝宽度对温度变化的响应有延时，图3中裂缝波峰(或波谷)与温度的延迟约1h～2h。

两裂缝的温度相关系数大小与变化趋势都一致，若无其他因素干扰，裂缝变化的温度相关系数基本处于-0.75～-1的范围内，表明温度变化对裂缝的变化有密切的影响；若有其他较强环境因素影响，如降雨或台风(9月1日,10日等)，温度相关系数大幅减弱，表明其他因素对裂缝的影响程度远高于温度。

3.2 剔除温度后降雨对隧道裂缝的影响规律

深圳2015年9月份～10月初34 d中降雨模式可概括为三种类型：Ⅰ型，强度中小，日降雨量19 mm～25 mm，历时短；Ⅱ型，强度大，日降雨量35 mm～128 mm，历时短～中；Ⅲ型，日降雨量16 mm～18 mm，历时中～长。

1)降雨对裂缝的温度相关系数的影响。结合图3，图4，雨型Ⅰ会对裂缝的影响较微弱，裂缝温度相关系数只在降雨当天略有减弱；雨型Ⅱ与Ⅲ均为从降雨第2天温度相关系数发生骤减，如雨型Ⅱ第2天,第3天降至-0.05,第4天雨停恢复至-0.92，雨型Ⅲ第2天骤减至微弱(-0.32,-0.15)，第3天恢复大半(-0.82,-0.79)，第4天恢复至雨前水平。说明降雨对裂缝带来明显影响，降低了裂缝与温度的相关系数，影响程度大小与降雨强度和持续时间有关。

2)裂缝变化中的降雨影响规律。结合图5，在同一温度下，雨型Ⅱ的降雨对裂缝产生1 d之内急剧缩小的影响，时间上比最大降雨强度当天延后了1 d左右，缩小幅度在0.45 mm左右，之后该影响逐渐减弱，经过3 d,4 d基本消失，裂缝宽度恢复至雨前水平附近。9月13日～9月15日裂缝宽度快速增大，主要原因是降雨前温度骤降，9月16日～9月18日裂缝宽度急剧减小，其中包含了降雨的影响和温度升高两方面叠加的影响，9月20日起，降雨影响基本消失，裂缝宽度恢复稳定。同样，雨型Ⅲ作用时，在同一温度下，降雨对裂缝产生闭合作用，使裂缝宽度在持续降雨的第2天明显变小，最大闭合幅度从0.54 mm～0.75 mm不等，之后闭合作用逐渐减弱，在降雨停止后经过7 d,8 d基本消失，裂缝宽度恢复至雨前水平附近。

4 结语

本文以深圳某地铁隧道为依托工程，研究了光纤光栅在地铁隧道健康监测中的应用，并结合监测数据分析了降雨和车辆荷载对隧道结构的影响，总结如下：隧道裂缝宽度受温度、降雨等自然条件影响，无大降雨或强台风等影响时，裂缝宽度与温度变化基本呈负相关关系;随着降雨强度或持续时间增加，裂缝宽度变化受温度影响程度将明显降低，降雨对隧道裂缝宽度影响程度远大于温度变化作用。

[1] 张 弥.我国铁路隧道结构安全性和耐久性分析[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2] 姜德生, Richard, Claus.智能材料器件结构与应用[M].武汉：武汉工业大学出版社,2000.

[3] Joan R. Casas, Paulo J. S. Cruz, M. ASCE. Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring[J]. Journal of Bridge Engineering, ASCE,2003(3)：362-373.

[4] P. Moyoa, J.M.W.Brownjohn, R.Suresh，et al.Development of Fiber Bragg Grating Sensors for Monitoring Civil Infrastructure[J].Engineering Structures,2005(27):1828-1834.

[5] Mendez A，Morse T F，Mendez F. Applications of Embedded Optical Fiber Sensors in Reinforced Concrete Buildings and Structures[J]. Proc. SPIE，Fiber Optic Smart Structures and SkinsⅡ，1990(1170):60-69.

[6] CHAN T H T, YU L, TAM H Y, et al. Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma Bridge: background and experimental observation[J].Engineering Structures,2006,28(5):648-659.

[7] 梁 磊,姜德生,周雪芳，等.光纤Bragg光栅传感器在桥梁工程中的应用[J].光学与光电技术，2003(2)：36-39.

[8] 魏广庆,施 斌,胡 盛.FBG在隧道监测中的应用及关键问题探讨[J].岩土工程学，2009(4)：571-576.

[9] R.Falciai, A.Vannini. Development of a Fiber Bragg Grating Strain Sensing System for Automotive Applications[J]. SPIE,2000(2718):100-121.

Study on metro-tunnel health monitoring based on grating

Jiang Haiqing

(ShenzhenInvestigation&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518026,China)

The building mode of FBG network in tunnel health monitoring was discussed to monitor the displacement of pavement cracks, strain in stress concentration field of walls and temperature in 8 critical sections. Then, by incorporating investigation result of rainfall, influence of temperature and rainfall to the tunnel health was researched. Point out the overriding advantage of fiber bragg grating in higher measuring accuracy, longer distance of transmission and better long-term stability.

fiber bragg grating, tunnel, health monitoring system, crack width

1009-6825(2017)07-0159-02

2016-12-25

姜海青(1984- )，男，硕士，工程师

U456.3

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