使用BOTDR技术进行隧道监测的光纤护套效应

基于BOTDR的布里渊应变监测技术已在岩土工程领域得到了初步的应用,但一系列的试验及工程应用表明,不同类型的光缆得到的测试结果呈现较大的差别性,原因就是光纤护套效应。以BOTDR的光纤应变监测技术为基础,并通过精准定位(温度刺激)、应变测量范围(漂移量)及温度测量等一系列试验,对新型应变光缆、套装光缆以及铠装光缆的工程性能进行了对比试验研究,得到了光纤护套效应对巷道监测结果的影响,甄别了适用于不同工程应用的光缆类型,并保证监测结果与实际变形及温差变化的一致性。这些研究工作初步解决了使用BOTDR技术进行巷道应变监测的光缆选型的问题,为基于BOTDR的应变监测技术的工程应用提供了理论基础。

用于巷道沉降变形监测的光纤锯齿状布设技术与原理

矿山巷道、交通隧道等工程的顶板沉降变形监测是不可缺少的安全保障手段之一,现有的直线分布式光纤布设技术监测巷道沉降变形存在灵敏度较低的问题。将光纤沿巷道顶板的纵向铅垂平面布设成锯齿形状,构建相应的计算模型,给出具体的布设参数,获得了基于AV6419型号的光纤应变测试仪的监测精度和量测范围。试验结果表明,将光纤由直线式布设改变为锯齿状布设时不仅满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场分布式信息能力的要求,而且通过巷道纵向分布式光纤的布设实现了监测巷道径向变形(如顶板沉降)的目的。计算模型监测的灵敏度相比于直线式有大幅度提高,为基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术的应用与推广提供了新的方法和思路。

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内(同一工况)设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA(布里渊散射光频域分析)技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明:6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3000×10-6外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2000×10-6;光纤在长距离(>>146 mm)埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。

定点式布设光纤在隧道结构健康监测中的预拉应变损失研究

基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤监测技术已在岩土工程领域得到初步应用。应变监测结果显示:将光纤进行预拉布设后,随着时间的推移,光纤预拉段会产生一定的应变损失。应变损失的产生主要是由光纤的疲劳特性所造成的。显然,光纤因疲劳产生的应变损失对于工程监测是极其不利的,在实际监测中需要将其剔除。针对分布式光纤监测技术,选取HY料新型紧套应变光纤、聚氨酯紧套光纤2种应变光纤,在实验室进行了点固定式预拉布设(10 000×10-6),并进行了8个月的应变损失监测。对比分析2种光纤的预拉应变损失的差异,获得了光纤应变损失随时间的变化规律,以及预拉状态下的光纤在温度和湿度升高状态下应变损失的速率变化。研究了运用分布式光纤监测技术进行隧道变形监测的点固定式预拉布设方法,可为工程应用提供理论基础和施工指导。

考虑巷道周边有非均匀作用力的基尔希解修正

地下工程中的巷道(隧道)围岩大部分情况下会受到两向不等压的地应力作用,通常都需要进行支护。已有研究结果表明,围岩受到两向不等压的地应力作用时会导致巷道周边不同点处的径向位移不再相等,导致支护结构对围岩的反作用力也是非均匀的。原基尔希解为仅仅考虑了围岩受到两向不等压地应力作用的解析结果,因此,有必要研究支护结构的反作用力对巷道围岩的应力场、位移场产生的影响,对原基尔希解进行修正与完善。采用了与基尔希解相同的求解思路,首先,对巷道周边非均匀作用力的分布形式进行了合理假设与分解,将其分解为对称条件和非对称条件的叠加。其中,对称条件下的应力解采用弹性力学中拉梅解的求解方法,非对称条件下的应力解采用弹性力学中的半逆解法求解。将二者进行叠加即求得非均匀力作用于巷道围岩周边的弹性应力解的解析式,再与原基尔希解进行叠加即可得到基尔希解的修正解。其次,利用巷道围岩的几何方程和本构方程推导出了巷道周边处的径向位移和环向位移。最后,通过工程实例的计算,对比分析了λ和q0的变化对σr、σθ和巷道周边径向位移ur的影响,为下一步塑性区的求解提供理论基础。