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光纤传感实时监测应用研究

www.bysj580.com / 2016-08-13
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。
图4 2#清水库北墙传感器布设示意图
图5 2#清水库西墙传感器布设示意图
2.4 监测结果与分析
分析墙面应变监测传感器在穿越期的数据波动特点,可将传感器响应分为三类:原处无裂缝、原处有裂缝但无扩展、原处有裂缝且扩展。
2.4.1原处无裂缝
图6为典型传感器(选取了北墙9#、11#、13#、15#、17#共5个传感器和西墙52#、54#、55#、56#、57#共5个传感器)应变按小时变化的示意图,起始时间为10月4日0时。图7为该类型传感器测量应变每日最大值变化示意图,图中所有应变数据均经过了温度补偿。从图6可以看出,测量应变非常明显的周期波动特征,周期约为24小时,且24小时内达到一次局部最大值和局部最小值。这说明上述周期性的测量应变是反映了结构受到温度作用而产生的热胀冷缩。从图7可以看出,10.16日(该日为盾构穿越西墙后一天)之前的每日应变最大值与最小值之差均不超过30με,考虑到监测时间段内每日温差可达3°~4°,混凝土热膨胀系数为(0.8~1)×10-5με/K,即可得到温度引起的热膨胀应变应在25με~40με左右,因此可以认为,长标距FBG传感器测量得到的应变是准确地,且这些应变均属于弹性应变范围。在10.16日后应变周期虽未改变,但是应变的每日最大值和最小值都在上升,且差距也在30με左右。这进一步说明了:(1)同样是盾构穿越,穿越西墙时水库响应更为明显,说明西墙附近土体抵抗荷载和变形的能力明显小于北墙,西墙区域为危险区域;(2)每日最大应变扣除20με~30με后,即为不均匀沉降对水库造成的应变。另外,结构应变在10.18日达到最大值,自10.19日起开始下降,10.21日~10.22日应变最大值基本恢复至穿越前数值,这说明清水库结构的不均匀沉降正在逐步转变为均匀沉降,且趋于稳定和收敛。
(a)北墙传感器测量应变
(b)西墙传感器测量应变
图6布设处无裂缝的应变按小时变化示意图
(a)北墙传感器测量应变每日最大值
(b)西墙传感器测量应变每日最大值
图7布设处无裂缝的应变每日最大值变化示意图
2.4.2原处裂缝无扩展
(a) (b)
图8库壁上大量诸如此类性质不明的裂缝
库壁外侧目视可见许多如图8(a)、(b)所示的裂缝,其中大部分类似于图8(a),少部分类似于图8(b)。图8(a)所示的裂缝周边基本干燥,图8(b)所示裂缝周边则存在明显水渍,说明此类裂缝内部曾被水长期浸泡,可以判断图8(b)代表的裂缝应属于结构开裂,而图8(a)所示的裂缝既有可能属于结构性裂缝,也有可能属于砂浆层裂缝。
图9(a)给出了图8所示的30#传感器与21#传感器标距范围内应变按小时变化情况,图9(b)给出了上述传感器测量应变每日最大值的变化情况。由图可见,这些裂缝区域的应变发展与无裂缝处的传感器数据(9#、11#、13#)变化趋势基本一致,且最大应变与无裂缝处应变相比差距不大,其数值也小于35με。说明无论这些裂缝是否属于结构裂缝,其在盾构穿越期间未开展。
图9 30#传感器与21#传感器标距范围内应变按小时变化情况
图10 30#传感器与21#传感器标距范围内应变每日最大值
2.4.3原处有裂缝且扩展
图11所示的45#传感器测量范围内裂缝属于该种类型。该裂缝周边无水渍,起初尚不能判断其属于结构裂缝还是砂浆裂缝。但其应变发展规律与无裂缝处应变变化规律有明显区别。
图12(a)给出了45#传感器每小时测量应变与无裂缝处的传感器测量应变的对比。可以发现45#传感器测量应变的变化周期与无裂缝处的传感器测量应变一致,但其波动(即周期内最大值最小值的差值)远远大于无裂缝处的测量应变。图12(b)给出了45#传感器测量应变每日最大值与无裂缝处的传感器测量应变每日最大值的对比。可以发现,在盾构穿越清水库西墙后2天(即10月18日),45#传感器测量得到的应变数据即越过阈值80με,数据如图4.5所示。详述如下:10月14号到10月16号,应变值在24小时内于±30με呈现波动变化,而且每天规律基本类似,应该是温度变化所导致;应变值于10月17号7时起明显增大,至18号7时达到该日峰值120με,折算裂缝张拉值为0.17mm,初步判断应该是受到盾构穿越后侧墙发生不均匀沉降致使原有裂缝进一步张开;测点应变值19号有所回落,但整体仍处在较高水平,19号7时峰值为90με,折算裂缝张拉值为0.13mm,估计后期随着沉降的逐步稳定,应变峰值将进一步降低;目测该区域,发现传感器布设后抹灰面层的开裂,且新裂缝与原有裂缝上下相连,处于同一条线上,参见图11(b)所示。故可以判定该区域裂缝的确属于结构裂缝,且发展超过了预设阈值。
(a) (b) 
图11 45#传感器标距范围内裂缝及其细部照片
(a)45#传感器测量应变与正常区域应变按小时对比
(b)45#传感器测量应变每日最大值与正常区域应变每日最大值对比
图12 45#传感器应变数据变化示意图
另外,由于该传感器应变值超过了计算阈值,根据前期对盾构穿越清水库进行有限元模拟得到的计算结果,项目组判断清水库底板有可能发生开裂,并于该日下午3时电话口头向业主汇报了相关情况,并于该日下午5时在清水库现场向业主及施工单位代表当面详细汇报,并建议清水库业主及有关方面加强清水库底板裂缝的搜寻和监测工作。
从以上监测数据和分析可以看出,清水库在盾构穿越北墙期间,整体上是安全的,但穿越西墙期间可能存在一定风险。可能原因是西墙附近土体抵抗荷载和变形的能力明显小于北墙,西墙区域为危险区域。但注意到盾构穿越后,结构应变在48小时内下降至正常区域,说明此时结构总体状态与开挖前差距不大,结构回复安全状态。
3 结论
如何保证地铁盾构穿越已建构筑物的安全服役是工程界密切关注的课题之一。本文从蓄水库的实际情况出发,在盾构穿越期间,采用分布式光纤光栅传感器24小时不间断跟踪监测手段,实时准确的预报了蓄水库的应变响应,保证了盾构穿越期间构筑物的安全,为盾构施工安全提供了重要保障。
 
[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

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