1.广东省工程勘察院 广州 510000
摘要：光纤光栅技术（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是一种新型的工程安全监测技术，本文提出将该技术应用于地铁隧道安全监测的新思路。通过实例探讨在地铁隧道沉降监测中光纤光栅监测的可行性。研究表明，与传统方法相比，光纤光栅具有测量精度高，能够满足一定距离内地铁隧道安全监测的要求。
关键词：光纤光栅；地铁隧道；沉降监测
引言
地铁建设促进了经济发展和城市地下空间的利用，但与其他地下公共设施一样，地铁隧道大多建在柔软的第四纪沉积土层中，很容易位于复杂的地质，狭窄的道路，密集的地下管线和交通中。繁忙的市区和地铁沿线的城市建设将不可避免地导致地铁隧道结构的纵向沉降。一定程度的沉降可以视为正常现象，但如果沉降超过一定限度，特别是不均匀沉降会造成地铁隧道结构变形，给地铁的正常运行带来隐患，甚至造成难以想象的安全事故。因此，为了保证地铁隧道主体结构和周围环境的安全，在隧道的正常运行和沿线建筑物的建设中，地铁隧道的实时有效沉降监测必须进行结算监测数据应及时反馈，预测结算趋势，提前采取措施预防事故发生。地铁隧道沉降监测对隧道安全监测具有重要意义。
FBG是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。
由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以本文利用这一特性对某地铁线路的沉降情况进行检测，并利用互联网、传感器、无线通讯技术实现了地铁隧道的实时监测，以保障地铁的运营安全。
1 光纤光栅技术的原理
1.1 应力的测试
所谓的光纤光栅是指由光纤纤芯中的周期性折射率变化形成的光栅效应。光纤光栅是根据光纤的光敏特性制成的，是直接利用石英光纤的光波导结构在光纤上形成光波导结构而形成的光纤波导装置。它的功能主要是在核心内形成一个窄带滤波器或镜像。以工程结构的应变监测为例，负载从结构转移到芯体的光栅区域，导致光栅区域内的光栅节距变化，这又导致芯体的折射率通过测量反射波长来改变，反过来导致反射波长的变化。然后可以使用该变化来确定测量结构中的应变变化。当光栅区域的应变发生变化时，反射波长会发生变化。在光纤的弹性范围内，波长偏移量与应变成线性关系，即根据波长漂移获得应变变化。光纤光栅传感技术是长距离自动监测的理想选择。 在大型结构测试中，安装了大量不同中心波长的FBG传感器，FBG传感器通过光纤连接在一起形成光纤传感网络，采用波分复用技术形成 准分布式光纤光栅传感系统。通过执行多点测量并通过计算机远程监控传感信号，可以实现对大型建筑物内部状态的连续实时准分布式监控。
1.2 应力与位移关系
与普通的机械和电子传感器相比，光纤传感器在信号传输过程中具有长距离，低损耗，耐腐蚀和电绝缘性能。它们还可以用作物理参数，例如应变，位移，湿度和温度。因此，与其他传统传感技术相比，光纤传感技术的优势非常明显。其中，光纤光栅传感器通过移动布拉格波长来检测外部参数，将检测到的信息转换为响应波长，并且还受到电源波动和系统损耗的影响。将测量的应变量转换为位移量是本研究的关键步骤。要解决的技术思路如下：构建光纤光栅捕集管。FBG传感器嵌入铝合金管中构成光纤光栅沉降管。当沉降管经受拉伸和弯曲时，表面会产生相应的应变，安装在沉降管表面的光纤光栅可以测量该应变值，并通过应变值计算光纤光栅沉降管的变形。为了消除地铁隧道内温度变化对变形的影响，将光纤光栅传感器埋在光纤光栅沉降管同一点的上下表面。
2 地铁隧道监测
2.1 项目概述
该项目采用光纤光栅沉淀管技术进行监测。地铁运营线附近正在建设一个新的项目。地铁下行线的外围水平距离为10.5m，基坑开挖深度9.5m左右。施工方法为基础施工方法，建筑物主体为框架结构。本工程的基坑开挖，降水和围护工程将影响地铁的安置。监测的范围为本工程附近地铁隧道管段截面长度为315m，安装了69个FBG沉管。
2.2 光纤光栅沉降管
光纤光栅具有窄带反射特性，普通F-P激光芯经受腔表面增强和光纤光栅束，形成光纤光栅外腔激光器。输出波长和线宽由光纤光栅精确确定，实现单纵模运行。使用光纤光栅作为频率选择元件的外腔半导体激光器具有波长稳定性和良好可控性的优点。其折射率的温度稳定性优于半导体材料。地铁隧道位于地下，且项目的结构很复杂。监测的难度和监测项目的数量很大。目前，地下空间结构的健康监测主要依靠全站仪，倾角仪和应变仪等监测方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆操作繁琐，远程监控的累积误差很大，难以适应一些复杂的监控环境。特别是在地铁隧道结构安全监测中，由于传统监测方法精度不高，环境适应能力弱，难以给出真实的地铁隧道变形结果，且缺乏长距离，地铁隧道沉降自动化。监控意味着确保地铁隧道的安全。FBG沉降管的设计对整个测量系统的成败起着关键作用。基于FBG技术开发的新型隧道沉降监测技术必须满足以下的技术要求才能达到隧道工程的实际应用的条件：相对沉降测量精度值为1mm；自动监测时间为1min/次；监控区域距离监控中心最大距离值为5km；它可以解决隧道内温度变化对精度的影响。根据地铁隧道的实际情况，每个光纤光栅沉管的长度设计值为4m，便于隧道的安装和运输。基于光纤光栅位移传感器构建地铁隧道沉降监测网络。每个监测点的传感器通过光纤串联连接到光缆终端盒，由光纤光栅信号解调器解调，并将信号输入到告警管理计算机进行进一步分析。其中，监控点的类型已经在系统软件中手动配置，分为两种类型：区间隧道监控点和地下监控点与隧道交汇点。监控系统同时进行区间隧道整体结算监控和地下车站差异监控。
2.3 数据采集
在FBG沉降管上预留一个标准接口，该接口通向一根双芯光缆，并收集沉降管中间的光缆接线盒，两根48芯光缆从光缆接线盒引出到监控室，每根核心光纤在监测室中编号并且和沉降管的每一个编号一一对应。利用计算机技术对原始数据进行计算和处理，得到地铁隧道纵向位移等信息，并通过无线通讯网络直接传输至控制中心，如果遇到数据超过预警值会及时报警，提醒相应的技术人员并快速做出响应，保障地铁运营和人员的安全。
2.4 数据处理
数据通过光栅光纤传感器传回之后，需要对数据进行处理，从而得到我们所需要的监测结果。数据处理的精度直接影响到监测的准确性和有效性，是测量之中的重中之重。
数据处理主要分为三个步骤：数据预处理，数据求解和数据后处理。
数据预处理：根据行号和测量时间读取测量的txt文件的数据，元数据确定每个沉降管对应的数据，并将其转换为沉降管应变数据；
数据求解：光栅光纤传感器在测量过程中不可避免的会受到外界的干扰，数据求解需要将干扰的数据剥离开来从而获得“干净”的能够反映监测变形的数据，这一过程称为数据的降噪。降噪主要通过计算机算法来实现，目前常用的降噪手段多种多样，我们需要通过数据训练选择合适的降噪手段获得“干净”的数据，分析得出沉降管监测数据。
数据的后处理主要是指根据监测数据做出符合甲方和规范要求的数据报表，包括监测当日数据、日变化量、变化速率等参数。
2.5 监测的结果
2.5.1地铁的振动效应与测试结果
监测数据显示，当火车行进通过沉降管时，所有FBG传感器的中心波长发生瞬时变化。当火车行驶时，波长保持比初始值增加2-4 pm。火车通过后，FBG传感器的波长逐渐下降为初始值。2016年8月6日开始进行FBG沉降管的测量，作为隧道沉降的起始值。与此同时，使用人工水准仪测量方法沿着光纤光栅的沉降管节点进行沉降监测。
与人工水平测量方法进行对比，两者数据基本保持一致，数量级相当，说明光纤光栅测量与二等水准测量精度相当，可以满足地铁隧道安全监测的精度要求。
3 结束语
光纤光栅技术具有重要的应用价值和广阔的应用前景，通过本项目，验证了使用光纤光栅技术进行地铁隧道监测的可行性。在未来需要进一步研究在地铁沉降监测中超远程光纤光栅技术的可靠性与稳定性。
参考文献：
[1]庄一兵.地铁穿越工程地质环境监护技术方法与应用[J].上海地质.2010（04）
[2]朱万明，杨柏宁，唐继民.基于频谱分析的地铁列车运行隧道振动加速度研究[J]. 上海地质.2010（03）
[3]赵星光，邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用[J].岩石力学与工程学报. 2007（03）
[4]丁勇，施斌，隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报.2005（04）
第一作者简介：李新求，1979年5月23日生，男，汉族，广东韶关人，工程师，主要从事自动化变形监测系统设计与应用研究。
论文作者:李新求1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：光栅论文; 光纤论文; 隧道论文; 地铁论文; 数据论文; 波长论文; 传感器论文; 《基层建设》2018年第23期论文;