光纤光栅传感器在深隧工程健康监测中的应用★

杨 怀 闵红平 阮 超 张延军 李胡爽 曾利华

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北 武汉 430000)

随着我国城镇化的持续深入推进和环保要求的不断提高，中心城区污水处理厂与城市发展的矛盾日益激烈，采用排水深隧技术将位于城市核心区的污水处理厂外迁至城市边缘地带，能有效解决城市污水处理厂用地与城市规划、环境保护之间的矛盾，同时避免了传统浅层排水管网施工对现有城市基础设施的影响，社会效益和环境效益明显[1]。目前深层隧道技术已广泛应用于世界各大城市[2]，国内如广州、武汉、深圳等地已陆续有深隧工程投入建设和运营。

深隧工程位于城市深层地下空间，所处地层地质条件复杂多变，且隧道内部流淌的往往是有压腐蚀性介质，运行工况复杂，因此通常采用隧道结构健康监测技术对隧道变形、受力特征等内容进行实时、长期性监测，对隧道健康状况进行评估，用以指导项目运营。

为取得真实可靠的连续性数据，监测元器件的选择至关重要。目前在类似工程如地铁隧道监测中，通常采用电阻式、振弦式等点式传感器，这些点式传感器普遍存在布设困难的问题，同时易受电磁场和环境因素影响，从而导致数据失真[3]。而近年来新兴的光纤传感技术或许是一种不错的替代方案，因其具有耐腐蚀性好、抗电磁干扰能力强、长期使用稳定性高等特点，目前已普遍用于对各类工程进行监测。例如汤继新等[4]利用布拉格光纤光栅技术实现了地铁隧道断面和结构变形的自动化监测；胡宁[5]利用光纤光栅传感器完成了对厦门翔安隧道二次衬砌应变的长期性能监测。但是城市深层排水隧道在国内应用案例较少，更无采用光纤光栅传感器开展运营期健康监测的先例。本文依托湖北大东湖深隧工程，针对隧道运营期结构形式、所处环境特点，具体介绍了光纤光栅传感元件的布设方案，可为后续城市排水深隧工程结构健康监测系统的应用提供参考。

1 光纤光栅传感技术简介

光纤布拉格光栅(FBG)于1978年问世，具有光波选择性反射的作用，入射光在光栅中传播时，满足特定条件的光才会被反射回来。当其所处环境发生改变时，反射光的波长也将发生变化，通过测量变化前后反射光的波长，即可计算出要测量的物理参数的改变情况。反射光波长变化主要受温度和应变影响，通常表示为下式：

其中，Δλb为波长的变化；λb为光栅中心波长；Pe为弹光系数；α为热膨胀系数；ξ为热光系数；Δε为应变的变化；ΔT为温度的变化。通过调制解调仪解调中心波长即可获得待测的应变或温度变化。

该技术的优点主要体现在三个方面，一是测试的信号不受光源波动、光纤材料弯曲或损耗、测试仪器老化等因素的影响；二是测量精度高，长期稳定性好；三是抗电磁干扰能力强，恶劣复杂环境下表现良好。自1989年首次用于监测钢筋混凝土结构内部状态参数以来，发展至今已成为土木工程领域进行结构健康监测的主要手段之一[5]。

2 工程应用

2.1 工程概况

武汉大东湖深隧工程主线隧道总里程17.5 km，全线包含9个盾构区间，与常规地铁盾构隧道相比，具有隧道埋深大、断面小的特点，竖井最大开挖深度达51.5 m，成型隧道最小断面直径3.0 m。隧道采用双层衬砌结构，外侧为25 cm厚预制管片，内侧为20 cm厚现浇二次衬砌。隧道沿线主要穿越粉细砂、中风化灰岩、岩溶区等十多种岩层，地质条件复杂。运营期隧道内充满了仅仅经过预处理的生活污水，具有一定腐蚀性，采用压力传输方式，最大内水压力可达0.43 MPa，隧道结构同时承受内外压力，多场耦合促进作用使得污水隧道服役环境更为恶劣。因此考虑通过设置在隧道结构内部的监测元器件实时读取隧道力学参数，研究盾构隧道在高压污水工况下的损伤演化特性，并建立隧道结构健康状态预警和评价模型。

2.2 监测方案

常规盾构隧道在结构内部预埋监测元器件以后，可将传输光缆布设在隧道内表面，在施工和运营期可对传感器及传输光缆进行人工管理和维护。但在该工程中，由于运营期隧道内充满了污水，因此不得不将传输光缆全部埋设在隧道结构内部，这就需要选择更具针对性的监测方案。

原设计方案考虑采用振弦式传感器，此时单个断面线缆有40根，接引至竖井附近时线缆多达200根，需要在二次衬砌内预埋15根以上的PVC管，严重影响薄壁二衬结构的抗渗和力学性能，需寻找预埋线缆更少的方案，同时考虑到光纤光栅传感器在耐腐蚀、抗干扰方面的优越性，因此该工程最终选择采用光纤光栅传感器。

监测断面选择方面，同样考虑到在薄壁二衬混凝土结构内预埋过长的管线，会对隧道结构产生不利影响，最终在分别距离竖井70 m，85 m，100 m的位置选择了三处典型地质断面进行监测。监测元器件选择了光纤混凝土应变计、光纤渗压计、光纤钢筋计三种。

2.3 施工工艺

二衬混凝土浇筑后，不具备对预埋的监测元器件及线缆进行维护的条件，同时由于光纤本身在受剪时会产生信号衰减甚至断裂的特性，在施工过程中尤其需要注意。目前国内对于光纤光栅传感器在工程领域的应用研究较多，但具体到现场实施层面，却常常被人们所忽视，相对来说研究较少，目前能检索到的有郝振方[6]对光纤光栅传感器在结构健康监测系统中的施工工艺进行了专题研究，证实了相关施工工艺的可行性。本小节将对大东湖深隧工程健康监测元器件的具体实施流程进行简单介绍。

在监测元器件正式安装前，逐个进行检验和编号，确认元器件完好无损，便于现场安装定位以及后期数据查询处理。接下来是各种元器件的安装，因为光纤混凝土应变计测量的是二衬环向应变，因此应变计需平行于环向受力主筋方向固定，且每个测点需布置两个应变计，内外侧钢筋上各安装固定一个，安装完毕后将量测传输光缆导入专用穿线管。安装光纤渗压计前，在渗压计周围缠绕约1 mm厚的弹性保护垫层，以降低隧道结构变形对监测元器件的影响，并用无纺土工织物包扎，防止在浇筑混凝土过程中由于水泥砂浆封堵，导致渗压计的渗透性不足无法感应水压力，再将渗压计绑扎在钢筋上进行固定，最后将信号光缆接入专用穿线管以完成安装。光纤钢筋计的安装较为简单，选择一定长度的绑扎丝将钢筋计安装固定在钢筋之间，之后传感器光缆接入专用穿线管即可。

光纤钢筋计、光纤混凝土应变计按组划分成多个回路，传感器的首尾两端尾纤接入不同单芯光纤回路互为备用，将三种传感器出线尾纤连接至光纤分线盒。传感器尾纤经热缩夹套管防护后再套护管进行二次保护，分线盒采用防水防腐保护。采用多芯单模专用光缆在分线盒处进行分纤熔接，串联钢筋计、应变计和渗压计，多芯单模专用光缆使用时考虑回路冗余备用。另外在每个断面备用两路专用光缆，在总分线盒处做熔接备用，增加传感器信号传输通道，提高传感器存活率。光缆熔接位置采用热缩夹套进行防水处理。最后将每个断面的三路专用光缆通过竖井内预留的健康监测管引出至地面数据采集设备。所有光缆熔接后，都必须进行现场测试，确保光损低于标准值，信号质量稳定。现场安装完成后的一个监测断面见图1。总结整个实施过程就是“按规安装、冗余设计、及时测试”，最终测试时元器件成活率达97%，充分证明了上述施工工艺的可行性。

3 结语

相对于传统建筑工程施工而言，监测元器件的安装预埋是一项非常精细的工作，要确保设计方案在工程中的应用效果，现场实施阶段需特别注意，尤其是对于不具备检修维护条件的全预埋式安装，更要合理选择施工工艺，确保元器件成活率。

尽管目前不少研究表明光纤光栅传感器的存活寿命可以达到25年以上，但相对于大型工程动辄100年的设计使用寿命而言仍不算很长，因此对于城市排水深隧工程，健康监测系统只能在工程运营前期正常发挥设计功能，虽然也可以通过前期测得的数据建模并预测隧道结构健康状况发展趋势，但终究不如直接测得的数据来得直观可靠。因此，要真正实现城市排水深隧的全生命周期结构健康监测，有赖于材料等相关领域的技术进步。

当然，对于大型工程而言，仅仅依靠光纤光栅传感器一种监测技术是不够的，需要多种监测技术的相互配合。比如在该工程中，为了监测隧道结构腐蚀情况，在二次衬砌结构内预埋了腐蚀传感器，监测隧道结构的腐蚀情况，与光纤光栅传感器一起，共同为运营期隧道结构安全提供数据支撑。