《广州地铁小北站暗挖隧道fbg监测技术研究》-毕业设计论文（学术).docVIP

广州地铁小北站暗挖隧道FBG监测技术研究 摘　要　文章采用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对广州地铁五号线小北站暗挖区间隧道进行了监测 研究 , 内容 包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与 分析 ,最后根据监测数据对隧道在开挖期间初期支护体的内力、温度及与围岩间相互作用关系进行了分析。研究表明,FBG传感技术用于地下工程的监测十分可行,优势明显, 应用 前景十分广阔。关键词　暗挖隧道　FBG　监测 1 前　言 小北站是广州市轨道 交通 五号线的中间站,上承广州火车站,下接淘金站,为明、暗挖结合的三层分离岛式地铁车站。其站台层为控制钻爆法开挖的浅埋暗挖隧道,主体埋深17.5~30.1m,穿越地层主要为白垩系上统的风化泥质粉砂岩,局部进入第四系松散层。支护采用钢格栅挂钢筋网后喷混凝土,局部围岩松散段顶部采用小导管超前注浆加固支护,初期支护变形稳定后进行二次衬砌。站址位于环市中路下方,西临环市中路与下塘西路、小北路交叉口,周边环境复杂,需要对开挖引起的围岩变形进行严格控制。 光纤传感技术为近十几年兴起的一门新型传感技术,其中以光纤布拉格光栅(FBG)传感器最为突出,自1989年Morey首次报道将光纤光栅用作传感器以来[1],其以高精度、准分布、抗干扰及耐腐蚀等突出特点迅速被广泛地应用到航空航天器、土木工程、复合材料、石油电力等诸多领域的监测和测试中,取得了丰硕成果[2~6]。本文采用该技术对小北站的站台层暗挖隧道初期支护体的应力、应变及温度进行了监测,探讨了支护体与围岩间的相互作用 规律 ,以便为下一步施工及围岩变形控制提供可靠依据。 2 FBG光纤技术简介 光纤光栅分布在光纤体内,可由紫外光对光纤侧面进行曝光,使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布。布拉格光栅(FBG)属于短周期光纤光栅,其光纤光栅栅距Λ一般小于1μm,耦合发生在正向与反向传输的模式之间。当入射光波的波长λ满足布拉格衍射条件时,则该波长的光波将沿来路发生反射,该反射光就是布拉格反射光,其关系式为: λB=2neff#183;Λ(1) 式中　λB———FBG中心波长; neff———有效纤芯的折射率; Λ———FBG传感器光栅的栅距。 当使用一个宽带光源从FBG一端入射时,则波长满足(1)式的光波就会发生布拉格反射,而其余波长的光波仍然照常传播。通过式(1)可以看出,FBG反射光中心波长λB主要由光栅纤芯的有效折射率neff和光栅的栅距Λ确定。应变和温度能直接引起FBG中心波长产生漂移,其关系式可表达为: ΔλB=Kε#183;Δε+KT#183;ΔT(2) 式中　Kε———应变传感灵敏度系数; KT———光纤光栅温度传感灵敏度系数。 对于纤芯为纯石英的光纤情况Kε为1pm/με左右,KT为10pm/℃左右。但是,由于光纤材质的差异,写入工艺的差别和后期封装工艺的 影响 ,FBG的传感灵敏度会存在差异,因此FBG传感器实际应用前必须标定。 FBG采用波长编码参量信息,这种特性不仅使系统免受噪声和功率波动的干扰,也容易实现在同一根光纤的任意位置上写入不同中心波长的光栅, 利用波分复用(WDM)技术构成如图1所示的准分布式传感 网络 。3 仪器及传感器比选 FBG解调仪器的选择主要 参考 仪器的最大通道数、采集频率及便携性能。本次解调仪选用MOI公司生产的SI425系列高速光纤光栅传感分析仪,它具有性能稳定、精度高及具有抗震、防潮等优点,能适合地下工程环境下的监测。仪器的主要性能参数如表1所示。传感器共选择了三类FBG式传感器:温度传感器、混凝土应变传感器和钢筋应力计式传感器,分别用于测试混凝土的温度、应变及拱架上主筋的应力。传感器均为在现有的产品基础上改进而成,主要参数如表2所示。产品在出厂之前进行了下面几项检验和测试: (1)检测光栅是否畅通,封装是否密封防水,测试各传感器自由状态下中心波长。 (2)测试温度变化引起的波长变换值之间的比例系数。 (3)做多次温度循环升降试验,测试封装传感器抗疲劳性。 4 监测设计 项目的监测对象为隧道开挖时的初期支护,监测内容主要围绕初期支护的内力展开,具体有以下监测项目: (1)初期支护喷混凝土的内部温度监测。 (2)初期支护喷混凝土的应变监测。 (3)初期支护钢拱架的主筋应力监测。 现场每个监测断面设计铺设6个FBG钢筋应力计传感器、2个FBG混凝土应变计和1个FBG温度传感器,其中钢筋应力计式传感器留有2个冗余。所有传感器只敷设在拱顶和边墙上,其中每个拱架的外侧(和围岩接触)焊接2个钢筋应力计,位置约在三分之一处;2个混凝土应变计对称埋设在拱顶拱架中间;温度传感器直接放在边墙上。每个传感器的信号传输光纤都从熔接并从初期支护两侧引出后进行串联,整体布置情况如图2所示。