光纤传感实时监测应用研究
摘要：由于蓄水库的特性，使用传统方法直接监测底板、侧壁的开裂和渗漏情况短期内往往无法满足监测的时效性、准确性和分布性要求。本文采用分布式光纤光栅传感器进行盾构穿越期间蓄水库侧壁应变的不间断监测，并对监测结果进行分析，为盾构穿越既有构筑物提供一种实时可靠的监测方法，为盾构施工安全提供保障。
关键词：光纤光栅；安全监测；应变监测；蓄水库
0引言
不均匀沉降和结构开裂是钢筋混凝土蓄水库的结构养护方面的核心问题。当地铁隧道近距离穿越蓄水库时，土体沉降造成库底和库壁产生裂缝和渗漏水的风险要高于平时。养护人员通常只能通过目测蓄水库外壁有否水渍来判断内部是否存在裂缝，这存在三方面缺陷：一是水渍的出现往往代表裂缝和渗漏路径的形成，缺乏时效性；二是水池外壁有砂浆层，仅凭目测很难判断是结构开裂还是砂浆开裂，缺乏准确性；三是目测不易发现随机出现的裂缝，缺乏分布性。针对地铁穿越上覆既有构筑物这类危险性较大、过程较短的工程，很有必要提供一种能够实时、准确且分布面广的现代监测手段来预报蓄水库的形变和裂缝开展状态。
1光纤光栅传感器的原理与分布式测量
光纤布拉格光栅[1](Fiber Bragg Grating, FBG)是一种波长调制型传感器，它是将通信用光纤的一部分利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的一种称为布拉格光栅的纤芯折射率周期性变化光栅。通常的光会全部穿过此布拉格光栅而不受影响，只有特定波长的光(波长为λB)在布拉格光栅处反射后会再返回到原来的方向。另外，通过波分复用技术，可以将若干个初始波长不同的FBG传感器串联形成FBG阵列，实现分布式监测。与其它光纤传感器相比，FBG传感技术具有明显的优点：(a) 测量稳定性和重复性好，这是因为损耗引起的光强改变不会影响传感信号的波长特性；(b) 可以形成FBG阵列。
2光纤光栅在混凝土蓄水库安全监测中的应用
2.1 工程概况[2, 3]
(a)平面关系 (b)竖向关系
图2 隧道与清水库的位置相互关系示意图
无锡尤渡里清水库位于无锡地铁二号线靖海公园站~广益新城站区间。清水库由1#清水库、2#清水库组成，两库均为钢筋混凝土箱型结构，长70.7m，宽50.1m，高6.8m(地面下1.8m，地面上5.0m)，两库均可蓄水20000m3。区间隧道顶距清水库基础底覆土约13.1~13.25m，隧道与清水库的位置相互关系示a意图如图2所示。隧道下穿入2#库北墙区域，下穿出2#库西墙区域。蓄水库底板厚度仅为22cm，不均匀沉降抵抗能力较差，穿越期间蓄水库无法清空，蓄水库已服役十七年，部分位置结构渗漏的水渍明显。
2.2 监测方法
由于无法在底板布设传感器进行直接测量，传感器只能布设在结构的外壁，传统的裂缝监测技术大多属于“点式”监测，对于分布在一定范围内的结构裂缝，常规点式传感器少量布设，往往会“扑空”而无法捕捉到裂缝宽度，大量布设则会增加成本，不满足经济性要求，且灵敏性不高，无法准确预报隐患。因此，在经济和技术方面，现有常规传感器都无法满足本项目的监测要求。本项目采用在水库侧壁布设分布式光纤光栅传感技术的手段进行实时监测。首先通过有限元方法和实地勘察结果，模拟盾构隧道穿越蓄水库时结构各点的应变响应，确定结构底板最大应变数值和位置的变化情况，以及侧壁传感器测试的最大应变、位置的变化情况，并通过统计原理研究建立结构底板最大沉降与库壁所测试的最大应变、最大沉降之间的对应拟合关系，再利用该对应关系，确定侧壁应变测试值的阈值。一旦库壁监测应变超过应变阈值，即进行监测报警。
2.3 传感器布设方案设计与布设概况
根据有限元计算结果，把2#清水库边墙监测的重要性由高到低分为A+、A、B、C、D共5个级别，A+为需重点监测位置。结构监测位置重要性见图3所示。可确定图中黑色虚线框内部为监测区域。北墙区域从东北角起向西14m~40m，包含两条沉降缝；西墙区域从西南角起8m~24m，包含一条沉降缝。
图3 2#清水库监测位置重要性分布图
有限元计算结果表明，2#清水库受到的影响远大于1#清水库，故仅对2#库进行监测。通过研究结构底板最大沉降与侧壁所测试的最大应变、最大沉降之间的对应拟合关系，发现库壁最大应变和库底最大应变的比值大约为1:2，考虑混凝土极限抗拉应变为200με，加之使用年限较长材料性能退化，底板混凝土极限抗拉应变降低为160με。因此确定库壁应变阈值应不超过80με。
由于侧壁长度较大，结合测量精度和监测成本双重要求考虑，项目组确定墙面监测标距长度为1m。传感器确定采用由东南大学研发[4]，北京特希达技术研发有限公司生产的标距长度为1m的长标距光纤光栅传感器TXD-YF-100。布设情况如图4和图5所示，北墙上编号为9~36的传感器和西墙编号为45~58的传感器为墙面应变监测传感器，北墙上编号为37~40的传感器和西墙编号为59~60的传感器为温度补偿传感器。其余传感器用于监测沉降缝变化。所有传感器均是凿开表层砂浆后布设在结构混凝土上，后用环氧树脂封闭。
[参考文献]
[1]李宏男, 任亮. 结构健康监测光纤栅传感技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[2]靖广区间盾构下穿尤渡里清水库施工专项监测方案[R]. 无锡市地铁2号线土建工程08标项目经理部, 2012
[3]靖海公园站~广益新城站区间盾构下穿尤渡里清水库专项施工方案[R]. 无锡市地铁2号线土建工程08标项目经理部, 2012
[4]东南大学. 分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法[P]. 中国发明专利, CN1949009, 2007.4.18
