基于光纤光栅技术的围岩大应变连续监测研究

李秀文，朱赵辉，王万顺，孙建会

（中国水利水电科学研究院 北京中水科工程总公司，北京 100038）

1 研究背景

洞室稳定及安全问题是工程重点关注和研究的内容之一［1］。围岩应变变化可为施工过程中围岩松动、围岩稳定情况提供可靠信息，是施工安全较为直观的物理参数［2］。目前水电工程地下洞室围岩应变监测主要采用单向应变计或光纤光栅应变计。两种应变计的量程一般为3000 με，标距250 mm的应变计可测量的最大变形仅0.75 mm。而地下洞室围岩受施工时开挖爆破等影响，支护后部分区域变形可达10～20 mm，甚至更大［1］。如果采用传统仪器监测围岩应变，容易出现超量程失效的情况，无法达到监测目的。

基于光学原理的光纤光栅传感技术近些年来快速发展，已研制出了一批温度、渗流、变形和应力等监测仪器，并在高铁、桥梁和洞室等领域得到应用［3～7］。在围岩变形监测方面，朱赵辉等［8］利用光纤光栅位移计组监测地下洞室围岩变形情况，测得围岩位移变化规律与洞室施工关系密切，变化合理。Li等［9］研制了新型的光纤光栅位移传感器，可监测亚微米级的位移变化情况，并支持多点分布监测。冒如权［10］基于光纤布拉格光栅结构，研制了应变结构检测系统，可以用来测量船舶、飞行器等关键结构的应变情况，具有量程大、精度较高的特点。

为解决连续监测围岩大应变问题，将量程为25 mm的光纤光栅位移传感器（带温度补偿）通过特定装置改造为改进型大量程光纤光栅应变量测装置。设计两个法兰盘安装在装置两端限定仪器自身标距，法兰盘标距可取500、1000和1500 mm。改进后的应变量测装置最大监测量程可达50 000με。结合工程实际，每个安装孔设计20～30支仪器，通过将多支仪器连接成串并导出整条测线上轴向应变。此外，光纤光栅传感器具有精度高、易于实现多点及网络化传感等优点，适合作为连续监测围岩应变的仪器［2］。

西南某在建水电站左岸1#—4#尾水调压室大井开挖直径分别为48、47.5、46和44.5 m，调压室竖井开挖高度79.25～93 m，为目前已建和在建最大规模的圆筒型阻抗式尾水调压室。尾调室穹顶受到层间（内）错动带、小断层、长大裂隙和柱状节理因素的影响，加之P2β61层柱状节理等不利因素影响，致使尾调穹顶局部围岩稳定问题较为突出。本文以该水电站左岸尾水调压室为依托，对洞室围岩大应变进行了连续监测。通过研究，从仪器组装、安装保护和资料分析等多方面归纳总结提炼出一套有效的实施方法。

2 监测装置设计及布置

2.1 改进型光纤光栅应变传感器的设计改进型光纤光栅应变传感器的设计思路是采用配件将光纤光栅位移传感器固定在特定的装置中，每一个传感器监测规定标距内围岩变形，通过公式计算得到该段区间的围岩应变情况。光纤光栅位移传感器及固定装置主要组件如图1、图2所示。

图1 光纤光栅位移传感器

图2 改进型光纤光栅应变传感器固定装置配件

依次组装各个配件，通过尼龙螺丝将两个法兰分别固定在PVC-U套管两端的限位孔上，确保预拉后两个法兰的标距为500、1000或1500 mm。组装好后的改进型光纤光栅应变传感器如图3所示。

图3 单支改进型光纤光栅应变传感器

为实现连续监测围岩应变的目的，要求生产商在出厂前将光纤光栅位移传感器的光缆按照6支为一组连接起来，单支改进型光纤光栅应变传感器组装完毕后，将相邻两支仪器的法兰通过螺丝连接在一起。

传感器组保护管安装完成后，位移传感器组局部连接如图4所示。

图4 改进型光纤光栅应变传感器组

2.2 计算原理（1）改进型大量程光纤光栅应变传感器：

式中：ε1为光纤仪器监测应变量，με；ΔL1为改进型大量程光纤光栅应变传感器变形量，mm；L1为改进型大量程光纤光栅应变传感器标距，L1=500 mm、1000 mm；λ1为测位移光栅的当前波长，nm；λ2为温补光栅的当前波长，nm；λ10为测位移光栅的初始波长值，nm；λ20为测位移光栅的初始波长值，nm。

（2）多点变位计：

式中：ε2为多点变位计监测应变量，με；ΔL2为相邻锚头之间的变形量差值，mm；L2为相邻锚头的距离（2.0 m、3.0 m、4.5 m、6.0 m、9.0 m）；K为传感器系数，mm/Digit；Ri为当前频模读数，Digit；R0为初始频模读数，Digit。

（3）成果对比条件。在调压室穹顶安装四点式变位计（岩面距分别为1.5、3.5、6.5和11.0 m），或五点式变位计（岩面距分别为1.5、3.5、6.5、11.0和20.0 m）；每个安装孔内安装20支改进型大量程光纤光栅应变传感器（岩面距分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5和15.5 m）。

为与光纤仪器监测成果对比分析，将多点变位计相邻两个锚头变形量做差后，除以锚头间距即可计算其不同测点的应变情况。多点变位计基准值选取时间修改为对应位置处改进型光纤光栅应变传感器取基准值日期。

2.3 监测设计及布置在左岸1#和4#尾水调压室各设计一个光纤光栅监测断面，仪器布置如图5所示。每个监测断面上游侧拱肩、顶拱、下游侧拱肩布置3个安装孔，每孔安装20支改进型大量程光纤光栅应变传感器（距临空面1.5 m起1～10支仪器每支间距0.5 m，11～20支仪器每支间距1 m）。两个调压室平行于光纤监测断面2 m位置，对应布置了四点式变位计，仪器布置如图5所示。

尾水调压室开挖前，在尾水调压室锚固洞按照设计要求向下钻预埋孔，同步安装两种监测仪器，便于监测成果对比。仪器可以监测到尾水调压室爆破开挖阶段围岩应变的变化情况。

图5 1#尾水调压室监测仪器布置（高程单位： mm；长度单位：mmmm）

3 工程地质及施工情况

3.1 地质条件尾水调压室出露岩性均为P2～P2层玄武岩，岩性为隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、柱状节理玄武岩、角砾熔岩和凝灰岩等。1#尾水调压室发育陡倾角断层f722和f723，分别从上、下游边墙及穹顶穿过，陡倾角长大裂隙T733、T734在上游侧边墙中上部出露，层间错动带C2穿过边墙中上部。1#尾水调压室穹顶围岩以Ⅲ1类为主，约占90%，其余为Ⅲ2类；边墙围岩Ⅱ类占20%，Ⅲ1类占80%，其余为Ⅳ类。4#尾水调压室部位中陡倾角地质构造不发育，层间错动带C2穿过洞室拱肩及穹顶以下部位。穹顶围岩以Ⅱ类为主，占60%，Ⅲ1类围岩次之，占30%，C2及凝灰岩发育附近围岩为Ⅳ类，占10%；边墙围岩以Ⅱ类占40%、Ⅲ1类占60%。

3.2 施工情况尾水调压室穹顶开挖采用“中导洞先行，两侧按扇形条块扩挖推进、开挖区域逐步扩大、应力分期释放、喷锚支护有序跟进”的施工方法。单个调压室穹顶开挖采用先中间后两边的开挖程序，每个穹顶自上而下以通气支洞底板为界分为2大层9区按顺序进行开挖支护施工（图6），其中①、③、⑥区为中间抽槽，②、④、⑦区为扇形条块扩挖，⑤、⑧区为环形周圈扩挖。

图6 尾水调压室穹顶施工分层分区方案（高程单位： mm；长度单位：mmmm）

左岸1#～4#尾水调压室于2015年3月开始进行第Ⅰ层开挖支护施工，截至2015年11月18日，开挖进度形象为：1#尾水调压室Ⅰ层开挖完成，正在进行Ⅱ层⑥区的开挖；4#尾水调压室穹顶Ⅰ层②区开挖完成，⑤区开挖支护完成6块。同时，正在进行Ⅱ层⑥区的开挖。

4 监测成果分析

4.1 围岩应变与洞室开挖关系各监测部位围岩应变最值情况统计见表1，1#尾水调压室改进型光纤光栅应变传感器监测到围岩应变在-321.85～4148.33 με之间，多点变位计监测到围岩应变在-97.65～1417.38 με之间；4#尾水调压室改进型光纤光栅应变传感器监测到围岩应变在-194.37～5859.47 με之间，多点变位计监测到围岩应变在-675.98～4455.04 με之间。从监测成果上分析，光纤仪器监测到的围岩应变总体大于多点变位计监测应变。

表1 各监测部位围岩应变最值统计（×10-6）

1#尾水调压室下游侧拱肩改进型光纤光栅应变传感器和对应多点变位计监测围岩不同深度应变时间变化曲线见图7。

图7 1#尾水调压室下游侧围岩监测应变变化曲线

改进型大量程光纤光栅应变传感器DSzwt-1-41～60受2015年4月4日—25日穹顶下游侧爆破施工影响，围岩应变变化明显；最大变化量为测点DSzwt-1-44（岩面距3.0 m），围岩应变增加536.25 με；多点变位计Mzwt-1-5-A（岩面距1.5 m）围岩应变增加716.98 με。受2015年7月29日—8月8日穹顶下游侧扩挖施工影响，围岩应变变化明显；最大变化量为测点DSzwt-1-50（岩面距6.0 m），围岩应变增加437.91 με；多点变位计 Mzwt-1-5-A（岩面距 1.5 m）围岩应变增加 416.19 με。

4#尾水调压室下游侧拱肩改进型光纤光栅应变传感器和对应多点变位计监测围岩不同深度应变变化曲线见图8。

图8 4#尾水调压室下游侧围岩监测应变变化曲线

改进型大量程光纤光栅应变传感器DSzwt-4-41～60受2015年5月6日—12日穹顶下游侧爆破施工影响，部分测点围岩应变变化明显，最大变化量为测点DSzwt-4-43（岩面距2.5 m）增加1903.17 με；对应多点变位计Mzwt-4-5-A（岩面距1.5 m）围岩应变增加2909.23 με。受2015年5月22日—5月25日穹顶下游侧扩挖施工影响，部分测点围岩应变变化明显，最大变化量为DSzwt-4-42（岩面距2.0 m）增加996.07 με；对应多点变位计Mzwt-4-5-A（岩面距1.5 m）围岩应变增加1033.92 με。受2015年6月6日—15日穹顶左侧扩挖施工影响，部分测点围岩应变变化明显，最大变化量为测点DSzwt-4-56（岩面距11.5 m）增加284.55 με；对应多点变位计Mzwt-4-5-D（岩面距11.5 m）围岩应变增加102.97 με。

由图表分析可知：（1）穹顶开挖爆破施工时，改进型大量程光纤光栅应变传感器与多点变位计监测围岩应变均会相应增长，响应点基本一致；（2）由于光纤光栅仪器敏感性更强，易受施工爆破震动影响，围岩应变波动较为明显；（3）图7、图8中改进型大量程光纤光栅应变传感器3.5 m处监测应变与多点变位计监测应变基本吻合，1.5 m处监测应变呈先微小变化后持续增加然后趋于平稳的状态，稳定后两种仪器测值大小相近，这是由于光纤仪器在1.5～3.5 m间共有5个测点，监测该区域爆破后围岩应变较大点位于2.0～3.0 m之间，后续随围岩应力调整1.5 m处应变逐渐趋于一致；（4）改进型大量程光纤光栅应变传感器成功监测到3000 με以上的围岩大应变情况，总体上监测到的围岩应变与多点变位计监测成果变化一致，说明该仪器可以成功应用到围岩大应变的监测中。

4.2 围岩应变不同深度分布规律围岩应变不同深度分布规律分析时，选取改进型光纤光栅大量程应变传感器安装3个月、6个月及当前值绘制围岩应变-岩面距曲线，1#尾水调压室下游侧围岩应变-岩面距变化曲线见图9，4#尾水调压室下游侧围岩应变-岩面距变化曲线见图10。

图9 1#尾水调压室下游侧围岩应变-岩面距变化曲线

图10 4#尾水调压室下游侧围岩应变-岩面距变化曲线

综合各安装孔监测成果及曲线分析如下：（1）两种监测仪器测得围岩表层应变由于开挖卸荷变化较大，由洞壁表层逐渐向围岩深部延伸，围岩应变由表及里呈逐渐减弱或收敛的变化趋势，部分测点受地质条件影响，存在应变较大的情况。（2）由于前3个月各尾水调压室开挖面距仪器安装位置较近，围岩应变受施工影响变化较大，随着后续开挖位置逐渐远离临空面且土建加强支护，围岩应变增加减缓。（3）围岩应变较大的测点位于1#、4#调压室下游侧，主要原因是各调压室1、2区前期扩挖时变形增长较快，且下游侧靠近尾调通气支洞，洞室跨度大，应变调整较为复杂。（4）1#尾水调压室下游侧附近发育f722断层、T735长大裂隙及多条闭合节理裂隙，钻孔资料显示在岩面距2.5～3.0 m深度孔壁脱落，5.5～6.0 m深度岩芯较为破碎。4#尾水调压室下游侧距离层间错动带C2较近，位于其上盘，附近发育多条规模很小的柱面节理及闭合裂隙，钻孔资料显示在岩面距1.5～4.5 m之间岩芯较为破碎。改进型光纤光栅应变传感器监测成果与地质条件相吻合，由于将各支仪器串联组装，可以连续测得不同围岩深度应变情况，能较为准确定位围岩较大应变发生区域，了解围岩松动情况。（5）受地质条件等因素影响，洞室开挖后，不同围岩深度的应变不尽相同。从图9、图10可以看出，1～6 m之间两种仪器测值存在差别，这是由于多点变位计测点相对较少，测得的成果为锚头与传感器区间的大尺度宏观位移。光纤仪器布置密集，可以捕捉到小区域内围岩应变的变化情况，因此测值存在震荡情况，与测点所处位置对应，相对较为精确。（6）两种仪器在对应深度测点处围岩应变值较为接近，测值差异与两者仪器埋设位置、测量原理以及围岩自身的特性和不确定性有关。

5 结论

光纤光栅监测仪器在国内地下洞室大规模应用不多，成功的实例较少，且目前国内尚未制定光纤光栅监测仪器相应的安装实施规程规范。本文通过对西南某在建水电站左岸尾水调压室改进型光纤光栅大量程应变传感器与对应多点变位计监测成果对比分析得到以下结论：（1）改进型光纤光栅应变传感器与对应多点变位计监测围岩应变与洞室开挖卸荷响应较好，变化趋势基本一致。由于光纤仪器灵敏性强，围岩应变波动起伏较为明显。（2）改进型光纤光栅大量程应变传感器多个测点成功测得3000 με以上围岩应变，且与周围地质情况吻合较好，能较为准确定位围岩较大应变发生区域，为洞室安全稳定分析提供数据支撑。（3）多点变位计受限于仪器安装位置限制，只能监测两个锚头之间或者仪器安装位置处围岩应变，无法获得更为详尽的轴向围岩应变分布情况。采用改进型光纤光栅应变传感器能够更为精确、连续监测到围岩应变情况。（4）由于该光纤传感器采用胶粘固定，洞室爆破开挖造成部分仪器损坏，对监测成果有一定影响。若光纤仪器采用先进的刻栅技术，可使监测成果更为可靠。