FBG传感技术在隧道健康监测中的应用

陈德志

(孝昌县公路管理局，湖北孝昌 432900)

FBG传感技术在隧道健康监测中的应用

陈德志

(孝昌县公路管理局，湖北孝昌 432900)

针对隧道传统健康监测的现状及局限性，提出了布拉格光纤光栅(FBG)传感技术，并对该技术在隧道健康监测中的应用方法进行了阐述，指出FBG具有灵敏性高、电绝缘性好、抗老化能力强等优点。

光纤光栅，隧道，健康监测，优点

0 引言

随着我国经济的快速发展，大量的隧道工程建设和投入运营。隧道的安全和稳定关系到交通运输是否安全和通畅，其安全和健康的状态始终是人们关注的重点。由于技术不成熟，判断隧道的安全状态具有很大的随意性。建立一套完整科学的健康监测技术来判断隧道的健康状况是一个非常严峻的课题。通过采用布拉格光纤光栅(FBG)传感技术在新奥法施工隧道的健康监测中成功应用，为隧道健康监测提供了一个新方向。

1 传统健康监测的现状及局限性

隧道的健康监测是土木工程的新兴课题，也是工程健康研究的一个新方向。现行的隧道健康监测主要集中在结构位移、应力应变、温度、震动、沉降等。传统的健康监测方法存在很多局限性。传统监测技术速度慢、效率低，需要专门的操作人员，自动化程度不高。同时，隧道工程条件比较复杂，传感器对温度、湿度、电磁场和其他环境因素敏感，常因传感器和仪器设备受潮、生锈而失效。

由于监测系统的集成化程度不高，对于长大隧道，传统的技术一般无法监测。

由于现代光学、电子、通讯和计算机技术的发展，布拉格光纤光栅(FBG)传感技术弥补了传统健康监测的缺点，成为隧道健康监测的新宠。它实现了自动远程监测、全天候、自动化的远程监控。

2 布拉格光纤光栅(FBG)传感器的优点

光纤传感技术是最近几年才发展起来的尖端监测技术。光纤传感比传统传感方式有较多优点，如抗电磁干扰能力高、测量数据的精度和灵敏度高等。另外，传感器体积小还具有防水、抗腐蚀、耐久性好等特点，这些特点让它适合于结构的长期监控。布拉格光纤光栅传感器具有传统光纤传感器的一切优点，同时它还具有：1)较高的灵敏性，FBG的波长与温度呈现良好的线性关系，在1 550 nm处其波长变化的典型值0.01 nm/℃，0.3 nm/100 MPa，0.001 nm/微应变。2)电绝缘性好，抗电磁波的干扰。作为传感器，对外界信号的过滤非常重要，车辆温度，激振会产生较多赘余信号。抗干扰能力保证了信号的准确性，同时，光纤信号衰减率低，可用于10 km以上的隧道健康监测。3)具有较强的抗老化能力。FBG在适当的暴露环境和退火条件下工作周期大于25年。4)FBG传感器的体积小易埋设且具有很强的复用性。正是基于以上特点，布拉格光纤光栅传感技术被广泛应用于测量工程结构的应变、温度、位移、沉降、压力等重要参数。例如，瑞士联邦材料测试和研究实验室将FBG光纤光栅传感器安装于萨尔甘斯隧道中，用于监测隧道的健康状况；美国海军光纤智能结构中心研制了针对公路桥梁的FBG动态监测传感器。

3 布拉格光纤光栅(FBG)技术的应用

隧道的新奥法施工在我国非常普遍，新奥法施工的隧道支承结构以锚喷支护和模筑混凝土为主。其结构的监控量测一般仅在开挖后才对围岩或支护的稳定性进行监测。监测的主要作用还是保证施工的安全。但公路隧道地质结构、环境、设计和施工有众多缺陷，影响其健康状况的因素众多。在运行后，由于缺少有效的监测方法，隧道内部的围岩应力、结构材料的老化锈蚀等物理量的变化无从判断，容易造成无征兆的突发事件，如垮塌。

新奥法施工隧道过程中引入了布拉格光纤光栅(FBG)技术后，可以在隧道的整个生命周期监测隧道的健康状况。主要通过测量隧道围岩变形、围岩内部位移、隧道周边位移、围岩压力及两层支护间压力、支护和衬砌内应力、表面应力及裂缝测量、锚杆或锚索受力、钢支撑内力及外力等等。并把这些数据通过云计算比较，分析隧道在每个阶段的应力、应变、位移的变化来推测隧道承载能力。同时，通过布设的传感信号了解隧道二次衬砌的潮湿情况，酸碱度状况。

隧道光纤光栅健康监测一览表见表1。

表1 隧道光纤光栅健康监测一览表

4 结语

布拉格光纤光栅(FBG)技术的运用成功的测量隧道在生命周期中二次衬砌、初期衬砌及衬砌后岩石的变形应力的变化关系，准确的了解各部分结构承载情况，根据承载情况采取进一步措施。这些监测数据是隧道健康评价的强有力证据及隧道进行分级维护的基础。布拉格光纤光栅(FBG)技术避免了长期以来用外观监测评价隧道状况的缺陷，为隧道健康监测提供一个新方向。

[1] JTG 042—94,公路隧道施工技术规范[S].

Application of FBG sensor technology in tunnel health monitoring

Chen Dezhi

(XiaochangBureauofHighwayAdministration,Xiaochang432900,China)

In light of traditional tunnel health monitoring status and limits, the paper puts forward FBG sensor technology, describes its application methods in tunnel health monitoring, and finally points out the merits of FBG sensor technology, such as high sensitivity, good electrical insulating property, and strong anti-aging capacity and so on.

FBG(Fiber Bragg Grating), tunnel, health monitoring, merits

2015-06-07

陈德志(1977- )，男，工程师

1009-6825(2015)23-0152-02

U456