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。

　　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·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·Δε+KT·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

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