光纤光栅传感技术在洞室围岩变形监测中的应用

(1.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430100； 2.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 620500)

光纤光栅传感技术是20世纪末期光电行业最重要的发明之一，具有抗电磁干扰、防水性强、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点[1]，为洞室围岩变形(应变)监测提供了可行的途径。近年来光纤光栅传感技术得到了迅速发展，传感器种类不断增多，灵敏度不断提高，解调技术不断发展，如2008年李阔研制的一种适用于高温环境下的高灵敏度光纤光栅温度传感器[2]，2008年Zhang Yang设计出基于梁结构的光纤光栅激光器位移传感器等[3]，李闯、张俊杰、周克明等在光纤光栅传感器机理、设计、误差分析及应用等方面也做了大量研究[4-6]。目前普通的光纤光栅温度传感器、应变传感器和位移传感器已经市场化，国内的武汉理工光科、上海波汇科技、北京品傲、北京基康科技，国外的美国MOI、SmartFiber、SmartTech、加拿大FISO等企业主要从事光纤光栅传感器的生产和应用研究，其中理工光科的光纤光栅智能桥梁结构健康监测系统、火灾报警系统较为成功。

洞室开挖后将引起一定范围内的围岩应力重新分布和局部地层残余应力的释放，在应力重新分布的作用下，一定范围内的围岩会产生位移而形成松弛区，进而引起塌方、片帮、岩爆等[7]。松弛区的形成过程与开挖方式及支护方式有关，只有掌握洞室围岩松弛区形成的过程、范围、规律及其影响因素，才可以更好地指导施工、反馈设计，确保施工安全，为围岩应力和力学参数的反演分析提供可靠的信息和依据[8-10]。

目前，常用监测洞室围岩变形(应变)的仪器有单点(多点)变位计、滑动测微计、收敛计等。单点(多点)变位计埋设简单、受环境影响小，已在洞室工程中得到广泛应用，但变位计测值为离散的测点，不能反映围岩空间上连续的变形(应变)情况；后面几种仪器精度高，但成本高、观测不便(仪器笨重，观测时需要的人多)且不能实现自动化，应用较少。由于光纤光栅传感器普遍采用不锈钢、硬质铝等金属材料封装，传感器易受周围环境影响，将其长期用于恶劣环境下有一定难度，所以光纤光栅传感器应用于洞室围岩变形(应变)监测也相对较少[11-13]。本文对白鹤滩水电站主厂房洞室开挖过程中的围岩变形进行监测研究，在相邻部位同步埋设多点变位计、光纤光栅位移计和光纤光栅应变计，监测围岩变形规律，通过监测成果对比分析和一致性分析，对光纤光栅传感器洞室围岩变形(应变)监测效果进行了评价；并针对有效测点判断、测值突变数据处理等提出了新方法。

1 光纤光栅传感器围岩变形监测原理

光纤光栅传感器是以光纤光栅为基础，利用光纤光栅传感技术进行量测的传感器。光纤光栅就是一小段芯区折射率周期性调制的光纤[14]，当光纤光栅所处环境的应变、温度等物理量发生变化时，光栅的栅格周期和有效折射率发生变化，从而引起反射光的中心波长漂移，通过测量被测物理量变化前后光栅中心波长的变化量，可实现被测物理量的测量[15](见图1)。

光栅应变计观测值为应变光栅当前波长值λ1和温补光栅当前波长值λt1，围岩由于温度和荷载变化引起的总应变计算公式如下：

εt=K(λt-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

式中，εt为t时刻的总应变，με；K为应变计应变系数，με/nm；B为应变计温度修正系数，με/nm；λt为应变光栅t时刻的波长值，nm；λ0为应变光栅初始的波长值，nm；λt1为温补光栅t时刻的波长值，nm；λt0为温补光栅初始的波长值，nm。通过不同时刻的观测值可求得各测点的应变变化值。

光栅位移计观测值为当前光栅的波长λ1、λ2，当围岩产生拉伸变形时，λ1增大、λ2减小。位移计算公式如下：

L=A[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]2+

B[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]+C

(2)

式中,A,B,C为二次多项式系数，已知值；L为测点位移，mm；λ1，λ2为当前光栅的波长，mm；λ10,λ20为初始光栅的参考波长值，mm。通过不同时刻的观测值可求得各测点的位移变化值。

2 工程概况及仪器布置

白鹤滩水电站位于西南山区，采用地下厂房布置，地下厂房、引水系统、尾调室、尾水系统均位于山体内，水平最大埋深约800 m，垂直最大埋深约540 m，形成了大规模地下洞室群。洞室岩层为单斜岩层，地层主要为P2β34～P2β61层隐晶质玄武岩 、斑状玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩等，另外层间错动带C5、C4、C3和陡倾角裂隙RS411发育，爆破开挖中易产生一定程度的塑性变形和剪切变形。为监测洞室围岩爆破开挖过程中的变形，爆破开挖前在厂顶锚固观测洞预埋了多点变位计。为研究光纤光栅传感器在围岩监测中的应用，选取0+229断面在原布设的多点位移计附近埋设了光栅位移计、光栅应变计同步观测，监测仪器布置见图2。

图2 0+229断面光纤光栅监测仪器布置Fig.2 Layout of FBG sensors at 0+229 section

光栅应变计和光栅位移计采用串接形式安装，孔内每6支传感器串接成一组，剩余不足6支传感器也串接为一组。将串接好后的传感器按安装部位绑扎在护管上送入孔内，将每组传感器2个链路端头从孔口引出，安装埋设方法见图3。

图3 光纤光栅应变计、位移计安装示意Fig.3 Installation of FBG strain and displacement measurement

3 数据处理与监测成果

通过对多点变位计、光纤光栅位移计、光纤光栅应变计连续观测18个月(2014年11月3日至2016年4月20日)，可得到如下变形规律。

3.1 多点变位计

上游拱脚和拱顶多点变位计Myc0+228-1、Myc0+228-2测得围岩变形均呈缓慢增长趋势，最大增长8.19 mm，期间主厂房进行了从第Ⅰ层至第Ⅲ层(高程611.4～595.9 m)的爆破开挖，围岩的浅表层出现卸荷变形，位移大小与岩面距(测点距开挖面距离)有关，测点距离开挖面越近，围岩变形越大，反之越小，位移分布见图4。

图4 岩面距-位移变化曲线Fig.4 Variation of displacement with the distance from measuring point to excavtion surface at different displacement points

3.2 光纤光栅位移计

3.2.1测点运行情况统计

上游拱脚和拱顶光纤光栅位移计DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40部分测点在运行一段时间后出现异常，主要表现为测值突变，导致测值与围岩变形不一致，如DSyc0+229-2测点于2015年5月8日测得位移为4.31 mm，而2015年5月11日复测时测得位移为-3.88 mm，且异常点数随着运行时间延长会增多。分析现场施工环境和光纤光栅位移计结构原理可知，测值异常主要受现场施工爆破振动影响，粘接在光纤上的光栅发生脱落，导致测值异常。根据光纤光栅位移计精度(±0.125 mm)和围岩变形先验信息，对DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40测点位移分类统计见表1。

3.2.2有效测点判断和统计

为便于后续成果整理和分析，首先得剔除异常测点，根据光纤光栅位移计结构原理和仪器精度，本文提出了两种方法进行有效测点判断：① 原始测值λ1、λ2趋势判别法，当围岩产生拉伸变形时，对应的光栅波长λ1会增大、λ2减小，且λ1和λ2呈线性变化，如图5所示。受爆破施工振动影响，成果异常的测点λ1和λ2测值出现波动，进而变化趋势与正常测点不一致，当测点的λ1和λ2变化趋势异常时，可以判定该测点为无效测点。② 平均位移统计法，按照“测点前后5次平均测值差异小于-0.2 mm作为无效测点，其他测点作为有效测点”的原则进行统计，统计结果见图6。统计结果显示，随着时间推移，有效测点数逐渐减少。

表1 光纤光栅位移计测点运行情况统计Tab.1 The operation situation of FBG displacement meters

图5 光纤光栅位移计测值λ1,λ2变化规律Fig.5 Variation of λ1,λ2 in FBG displacement meters

图6 光纤光栅位移计有效测点统计Fig.6 Effective points of FBG displacement meters

3.2.3数据处理与成果对比分析

光纤光栅位移计按孔埋设，每个孔能实测20个测点的围岩位移，根据上述有效测点判别方法将异常值剔除，并按照距离加权内插的方式进行内插，确保监测成果的连续性；相邻部位埋设的多点变位计能实测距离开挖面1.5，3.5，6.5，11.0，17.0 m的围岩变形，为将光纤光栅位移计的监测成果与多点变位计实测变形进行对比分析，验证其应用效果，同样按照距离加权内插[16]的方式进行内插，得到各个测点的位移。

经计算，得到1.5～3.5，3.5～6.5，6.5～11.0，11.0～15.5 m区间段和1.5 m处测点位移，结果见表2。

从表2可以看出，光纤光栅测得围岩变形变化趋势和分布规律与多点变位计一致，计算上游拱脚和拱顶的光纤光栅位移计和多点变位计各测点位移线性相关系数ρ[17]分别为0.92和0.94，一致性较好。

表2 光纤光栅位移计与多点变位计测得围岩变形成果Tab.2 Surrounding rock deformation by FBG and multi-points displacement meters mm

图7 FBG应变计微应变-深度曲线Fig.7 Curves of micrco strain at different depths by FBG stain meters

图8 不同传感器微应变-深度曲线对比Fig.8 Curves of micrcostrain at different depths by different sensors

3.3 光纤光栅应变计

光纤光栅应变计测得围岩应变在-43.94～896.85 με(孔深14.0 m)之间(见图7)，将光纤光栅位移计和多点变位计测得各测点位移利用位移与标距之间的关系计算各测点应变，分别为-85.04～5 387.19 με(孔深3.0 m)、34.29～2 290.00 με(孔深1.5～3.5 m)(见图8)。受爆破开挖影响，各测点拉应变呈缓慢增长趋势，从各测点分布来看，围岩应变分布基本一致，量级有差异。

4 结论与展望

光纤光栅传感器在洞室围岩监测中应用较少，综合光纤光栅位移计、光纤光栅应变计和多点变位计的同步监测成果分析，得到以下3点结论。

(1) 光纤光栅传感器能较好地反映洞室围岩在空间上和时间上变形(应变)变化规律：洞室开挖后，洞室周围的原始应力场改变，应力重新调整而导致围岩应变变化，围岩内部产生的应力变化主要分布在距离开挖面较近(约3 m)的范围内，且具有自洞壁向围岩深部逐渐变小的趋势，并随着支护跟进和时间的增加，变形逐渐趋稳定。

(2) 针对光纤光栅位移计异常测点，本文提出的有效测点判别方法和异常测点内插法提高了监测成果的可靠性，确保了各测点的成果连续性。经处理，光纤光栅位移计测得洞室围岩位移与相邻部位的多点变位计的监测成果一致，一致性系数分别为0.92和0.94。

(3) 光纤光栅位移计易受现场施工振动等的影响，部分测点正常运行一段时间后出现测值不稳定的现象，有效测点数随着时间的推移逐渐减少。仪器埋设后的1星期内均能正常运行， 1,3,6,11个月和18个月的有效测点占总数的百分比分别为：82.5%，67.5%，52.5%，37.5%，35.0%。

光纤光栅传感器在长距离洞室(如输水隧洞)围岩变形(应变)连续监测中较传统弦式、差阻式仪器具有明显优势，安装简单、经济实用、易实现自动化，具有广泛的应用前景。为切实提高光纤光栅传感器在洞室围岩变形(应变)监测中应用的可靠性和耐久性，需进一步加强光栅焊接技术研究。