讓地下工程更安全的光纖三維地應力及多參數傳感監測系統

長期以來，地下工程施工過程中，坍塌事故時有發生，給國家和人民造成了巨大的損失。經統計發現，在造成地下工程坍塌事故的諸多原因中，地下工程頂板冒頂事故所占比例較高，事故死亡人數較多，這主要是冒頂事故難以有效防控而導致的。

地下工程施工的地質體，正常情況下在重力和擠壓的狀態下處于地應力平衡狀態，但是隨著人工施工，比如爆破、盾構等，打破了地應力平衡，對地應力造成擾動，使得地應力重新分布，不可控釋放，從而導致地質體變形和塌方。

行業痛點：

缺乏地應力有效測量和評估，不能科學有效指導施工，造成人員傷亡和經濟損失。

 

現狀：國內外對于開挖（采）過程中擾動應力的分布及其規律尚未有統一認識，僅局限于理論和數值模擬方面。若沒有現場數據支撐，軟件模擬難以進行。測點越多，模型越準確。

因此，原位測試是不可或缺的重要手段，是圍巖應力狀態以及隧道施工開挖變化規律以及控制其力學行為的重要基礎。

目前，對于地應力進行原位測試大多采用進口的應力解除法空心包體來進行監測，但空心包體只能進行絕對測量而非長期變化趨勢監測，不能得到掘進過程的應力變化情況，而且進口產品價格昂貴，限制了工程上大量應用。

        

地應力是地下工程圍巖穩定性及工程設計的重要參數，關于地下工程作業安全，需要實時監測分析，在構造活動較強烈及大埋深作業環境中尤為重要。理想的地應力監測是希望能獲得高可靠性、測量精準、施工簡單和能實現長期監測。

近幾年，由中國科學院半導體研究所光電系統實驗室研發，瑞科（廣州）儀器科技有限公司代理的光纖三維地應力及多參數傳感監測系統很好地解決了這個問題，并在國內多個項目上成功應用。

該監測系統由傳感器探頭、采集解調終端、通信系統及電源組成。

傳感器部分

地應力傳感器探頭技術特點：

基于光纖光柵的高精度三維地應力應變張量傳感器（下簡稱傳感器筒）是為滿足巖土工程、采礦工程中地應力長期測試而專門研制的特種應力應變陣列測量傳感器，其采用獨特的結構設計、獨到的封裝保護方式、精準的波長解調技術，可以滿足圍巖深部地應力應變的原位、精確、長期測量。

傳感器筒基于空心包體測量原理，結合并利用光纖光柵傳感技術本征絕緣、壽命長、易陣列復用的優勢，將多個應變花封裝在空心包體的管壁上，傳感器既可以檢測鉆孔套芯應力解除過程中的應變響應，也可以將傳感器放置鉆孔內用混凝土注漿固化后長年測量應力應變隨時間變化。

相對于傳統的單方向應力、應變或者位移監測，該方法可以精準獲取巖體內的三維應變張量信息。典型的，三組應變花間隔 120°分布在應變桶中間斷面的測環上，每個應變花內有呈 45°夾角的三個應變傳感器，三組應變花實時精確測量彈性筒上不同方位的應變和應力數值。同時，空心包體管壁上封裝 1 個溫度傳感器，用來測試環境溫度并對應變花進行實時溫度補償。

該傳感器發揮光纖傳感的諸多優勢，具有耐腐蝕、抗電磁干擾、抗地下水、易施工等優點，且傳感器和測試終端距離可以超過數Km，極大方便現場集中監測，突破傳統電子傳感器的測試限制，實現各類地下工程的地應力應變的長期可靠測量，對隧道圍巖的應力應變分析、收斂變形監測、支護優化設計提供精確監測數據。產品經多次迭代優化后，容易安裝使用，可靠性高，目前安裝成功率 100%。

地應力傳感器分布

特制的光纖光柵串充當應變敏感元器件。3 個光纖光柵組合成 1 組三向應變花測點；3 個測點間隔 120°均布在1個圓環上，構成一個應變測環。具體位置說明：從傳感器尾部看去對準尾纖的為應變花A，逆時針方向間隔 120°依次是應變花 B、應變花 C。在每個應變花中，平行于傳感器筒軸向的光柵編號為 1，交叉傾斜方向的光柵編號為2，垂直與軸向的光柵的編號為 3，三個光柵同軸向的夾角依次是 0°、45°、90°。具體實物圖和示意圖如下圖所示：

以單測環傳感器為例，說明測環、測點、三向光柵應變傳感器的分布

單傳感器筒上 10 個光纖光柵的波長分配如下所示，在 1528-1568nm 范圍內，擬定波長從小到大依次是應變花A的A1（FBG1）、A2（FBG2）、A3（FBG3）、應變花 B 的 B1（FBG4）、B2（FBG5）、B3（FBG6）、應變花 C 的C1（FBG7）、C2（FBG8）、C3（FBG9）和溫度傳感器 T（FBG10）一共 10 個 FBG，以便后續分析建模和數據處理。

單測環傳感器為例，說明9個應變傳感器和1 個溫度傳感器的光譜分布特性

 

接續方式示意圖

地應力傳感器采用鎧裝方式進行加強保護，確保光纜可以耐受現場施工的苛刻考驗。專用鎧裝線纜直接插拔采集設備，現場不需熔接就可以直接使用，減輕惡劣施工現場的工作量和難度。采用注漿、接續一體的管接模式，便于施工現場調整接續長度或者更換傳感器等，具有施工便利、接續時間短、注漿阻力小等優勢，傳感器接續效果如下圖所示：

地應力傳感器接續方式示意圖

黑色為傳感器，藍色為接續注漿一體管，且可以切割任意長度，施工簡便

 

地應力傳感器探頭特點

l 空心包體結構，靈敏度高

l 三應變花測量，全向感知

l 精準溫度標定，實時溫補

l 光纖無源器件，本征安全

 

技術參數

	參數	指標	備注
測 量 指 標	應變量程	-3000～+1500με
	應變分辨力	0.1με
	溫度范圍	-5～50℃
	溫度精度	0.5℃
	溫度分辨力	0.05℃
敏 感 器 件	單測環測點數量	3個	單測環9傳感器
	應變傳感器夾角	0°、45°、90°
	測環數量	1、2、3、4個	客戶指定
	測環間隔	5～30cm	多測環時
外 觀 尺 寸	測試感應面直徑	50mm	防水耦合處理
	測試感應面長度	350mm
	傳感器直徑	63mm
	傳感器長度	500mm
工 程 應 用	尾纖出纖方式	單纖鎧纜
	尾纖長度	10～300m	客戶商定
	出纖材質	TPU、PC	3.0mm 鎧裝光纜
	接頭型號	FC/APC	現場無需熔接
	接續方式	管式接續	注漿接續一體管

 

本監測系統除了地應力光纖傳感以外，還可以根據現場需要，配備以下光纖光柵傳感器，組成多參數監測系統。

光纖光柵表面應變計

 

光纖光柵表面應變計是一種高精密的，有低溫度敏感特性的光纖光柵應變傳感器，比其他類型的應變計的溫度系數低50%以上，加上內置溫度傳感器進行溫度補償修正，可大大提高測試精度，同時也可作為溫度計測溫使用。

 

技術參數

 

光纖光柵埋入式應變計

 

光纖光柵埋入式應變傳感計是一種高精密的，有低溫度敏感特性的光纖光柵應變傳感器。它可將被測體本身的溫度特性及傳感器本身的溫度特性通過自身結構實現補償，通過微小的溫度修正后能實現精確測試外力對被測體的影響。

 

技術參數

參數	數值	備注
中心波長	1528-1568 nm
量程	±1000με	可定制
應變測量精度	5‰με  F.S
溫度測量精度	1°C
工作溫度范圍	-20~90°C
工作標距	125mm
溫補方式	內置溫補光柵
尺寸	Φ25*150mm
出纖方式	鎧裝光纜	3mm;6mm
連接頭	訂制或熔接

 

光纖光柵水壓（氣壓）計

用于液體及氣體壓力的監測，適用于長期埋設在水工結構物或其它混凝土結構物及土體內，測量結構物或土體內部的滲透(孔隙)水壓力，也可通過壓力測試出水位高低，可根據客戶要求加工螺口，測試管道或容器的內部壓力。特有的溫度低敏感特性大大降低了溫度對傳感器測試的影響，加上內置溫度傳感器，可精確地對溫度變化導致的偏差進行補償修正。

技術參數

參數	數值	備注
中心波長	1528-1568 nm
測量范圍	0.1~3 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作溫度范圍	-20~80℃
尺寸	?30*110 mm
尾纜	3；6 mm	鎧裝光纜

 

光纖光柵土壓力計

適用于長期埋設在土體、水工結構物或其它混凝土結構物內，測量結構物或土體內部的壓力，如：大壩、尾礦庫、基坑等。內置測溫光柵，用于溫度測試及溫度補償。

技術參數

參數	數值	備注
中心波長	1528-1568 nm
測量范圍	0.5、1.0、2.0 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作溫度范圍	-20~90℃
尺寸	?150*20 mm

 

光纖光柵溫度計

溫度傳感器是一種高精密的，可進行多個傳感器串接組網后使用的傳感器。它有體積小，靈敏度高，穩定性好，不易損壞，抗電磁干擾等優點，可使用在隧道火災監測，油管測溫，混凝土埋入測溫及溫度補償等環境下。其有多種封裝形式，可在不同環境下應用。

技術參數

參數	指標	備注
中心波長	1528-1568 nm
測量范圍	-30 ℃～120 ℃	可定制
精度	±0.5℃
尺寸	φ8*60 mm Φ5.5*50 mm 3*3*28 mm（陶瓷）	小尺寸可定制
出纖方式	鎧裝光纜	3mm;6mm

 

采集解調終端

本監測系統采集解調終端采用光纖光纖光柵解調儀，共有三個不同的型號，分別是機架式光纖光柵解調儀、加強定制型光纖光柵解調儀和便攜式光纖光柵解調儀。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵。當寬頻譜的激光源入射到光纖光柵時，光纖光柵對應的波長就會被反射，光纖光柵解調儀就是利用這一原理準確測量光纖光柵反射波長的儀器。其核心工作就是對光柵的光譜進行尋峰計算，得到中心波長后反算物理量如應變、溫度、壓力等數值。

光纖光柵的基本原理及整個系統的工作原理

本監測系統產品采用當今最先進的光纖技術、計算機技術及信號處理技術，固件采用模塊式設計，方便客戶根據不同需求、工程特點配置適合的測量通道、軟件功能；整機具有可靠性高、使用方便、實時通信等優點。

 

機架式光纖光柵解調儀是可調諧激光多通道解調設備，采樣頻率范圍廣，可測試各類變量傳感器，通道數目最高可達 16 個，可并行連接多至 512 個光纖光柵傳感器，滿足超大規模光纖監測系統組網使用，支持 19 寸機架安裝。設備自帶電容觸摸屏，支持鍵盤鼠標、手指操控和遠程桌面等各種操作方式。通信方式兼容性強，支持多種通訊協議（UDP,Modbus,485），主從設備通訊便捷。

16 通道機柜網絡一體型解調設備

加強定制型光纖光柵解調儀根據客戶的需求，如抗電磁干擾、防水防塵、抗震、無線傳輸等各種要求，采取定制化的方案，對機箱加固、密封、防腐、抗震等專門進行優化改進，實現海洋監測等特種環境的高性能穩定工作。

加強定制型光纖光柵解調儀

便攜式光纖光柵解調儀設計精巧，使用靈活，操作簡便，適合工程項目現場移動測試。該系統集成光纖傳感器波長和功率光譜數據采集、顯示、存儲于一體，可廣泛用于各類工程的現場檢測。

8 通道工程現場便攜式光纖光柵解調儀

 

采集解調終端

l 便攜解調終端，極低功耗、便于攜帶

l 臺式解調終端，多路通道、性能強悍

l 配套軟件專業，功能齊全、操控簡單

l 多種通信方式，數據云傳、遠程躁控

 

技術參數

項目	性能參數或功能	備注
解調范圍	1528～1568nm
解調精度	±1pm
解調速度	1Hz、2Hz、1000Hz
通道個數	4、8、16	最多32
波長穩定性	1pm@24h	部分達到0.3pm
分辨力	0.1pm
功耗	小于80W	便攜式小于10W
通信方式	RJ45 RS232 USB	可選配光纖傳輸方式
操作系統	Windows	Win10 系統
操作方式	鍵盤鼠標、手指觸摸、遠程桌面	10寸電容屏、操控精準、可外接鍵盤鼠標
光纖接口	FC/APC
供電方式	AC220V/12V	便攜式可提供12V充電寶、自持5小時
應用功能	數據查詢、圖表顯示	數據轉發、云功能可以定制

 

可靠的標定過程和數據

傳感器具備應變精確測量的能力，應變測量精度1微應變，測量范圍 5000 微應變，且具備實時溫度補償的能力。傳感器經過特殊的材料選擇和工藝方法以及穩定性處理手段，其長期穩定性遠高于常規應變傳感器。

研發團隊具備全鏈條設計能力，掌握關鍵技術和校準標定手段，關鍵測量儀器都有CNAS認證證書且在有效期內，確?？蒲谐晒械拿總€應變傳感器都精準的參數，以確?？蛻舻玫娇煽康?、經得起檢驗的真實原位數據。如下圖所示傳感器對應變和溫度的響應曲線，該圖表和原始數據作為基礎資料同步交付給用戶，便于后期精確計算：

均布載荷壓力驗證及溫度標定過程

 

現場組網應用示意圖

團隊開發了高可靠雙電源監測網絡系統，確保系統自持時間超過 1 周；系統可以通過光纜、網線、無線等方式進行實施通訊，通信協議可以按照用戶的需求進行定制，具有數據實時傳送云端并進行顯示、報警能力。

 

產品優勢

l 選址方便 突破傳統電測量距離限制，光纖監測終端可任意布置

l 數據精確 每個感測FBG都經過精確的壓力和溫度標定，精準可靠

l 施工方便 接續注漿簡單，工人現場簡單培訓后每天安裝4-6個鉆孔

l 皮實可靠 探頭和光纜加強保護，抗垃抗壓抗捧， 耐高溫高濕工況

l 成功率高 極高的安裝成功率，大幅降低施工成本，提高應用效能

 

應用領域

l 能源、交通、礦業、水電、核設施等領域相關巖土工程

l 地下工程建設過程中擾動應力實時監測預警

l 重要地下工程運維過程地應力長期測量與監測預警

l 地球物理基礎科研， 如活動斷裂帶地應力分布長期變化觀測分析

l 實驗室試樣精確標定測試

西北某高鐵隧道工程

西南某水電站工程

中國錦屏地下實驗室

 

如需進一步了解更多信息，請聯系瑞科（廣州）儀器科技有限公司。