浅谈定点式应变感测光缆在长距离输水隧洞中的安装

浅谈定点式应变感测光缆在长距离输水隧洞中的安装

赵鹏飞  吴宥余  王波

中国水利水电第五工程局有限公司   四川省成都市  610011

摘要：目前国内基于分布式光纤技术在引调水工程输水建筑物安全监测中极少使用，专门针对水工隧洞的病害成因和健康状态综合评价方面的研究也还比较少，光纤传感技术主要应用于长距离隧洞洞身结构安全监测，如何准确分析获取长输引水隧洞结构的健康状态，开展基于实时监测数据的健康诊断和预警技术的研究、探索和发展，分布式应变感测光缆能够有效实现水利隧洞长距离多点监测，相较于传统离散的点式监测更具优势，进一步研究在隧洞结构埋入定点式应变感测光缆后获得的监测数据与隧洞实际结构变化情况之间的对应关系，随着这一技术成熟，越来越多的工程将采用这一技术进行结构健康监测和健康诊断，应用前景非常广阔，以求更加精准的评估建筑物的构安全状况。

关键词：定点式  感应光缆  光纤  隧洞  检测

一 前言

随着人们对结构物健康状态监测的迫切需求，传感技术得到日益的关注和发展。光纤传感技术作为一种新的传感技术，其在结构健康状况监测中具有广泛的应用前景。本次旨在介绍光纤传感应变在输水隧洞中的安装检测方法。

二 工作原理

光纤传感技术是一种利用光纤的材料、结构及其光学特性进行检测的技术。光纤传感应变检测技术已经在许多领域得到了广泛的应用，光纤传感器主要是由光源、发射头、光纤、接收头和光电转换器等部分组成。它的工作原理是:当光源激发发射头时，发射头内部的激光将信号以光脉冲的形式传输至光纤中，然后由接收头接收反射回来的光，并转换成电信号输出，输入到光电转换器中进行信号处理，从而实现对应物理量的测量。

三 光纤光栅仪器优势

目前传统监测建筑物物理量变形的主要有电容差阻式、振弦式等传感器，技术成熟、工程实例运用经验丰富、生产成本低廉等特点，但是光纤光栅跟传统监测设备相比具有很多优势，如抗电磁干扰强、耐腐蚀性能好、零点漂移影响小、体积小、测量面积广、使用寿命长，分布式大区域空间连续监测等，具体优势如下：

1抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

2耐腐蚀,化学性能稳定:由于制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

3电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

4重量轻、体积小、外形可变。光纤除了具有重量轻、体积小的特点以外，还有可挠的优点，因此利用光纤可以制成外形各异、尺寸不相同的各种光纤光栅传感器。而且光纤光栅传感器易于埋入监测材料的内部，是智能结构应变监测中的首选应变传感器。

5传输损耗小：可实现长距离遥控监测。

6传输容量大：可实现大面积多点分布式测量。

7测量范围广：可测量温度、压强、应力应变、液位、位移、加速度等。

四 工程实例

本标段隧洞区间全线沿盾构段衬砌管片内弧面的顶部和腰部位置纵向布设2条定点式应变感测光缆(1.6m定点)，分别采用热镀锌钢U型槽护管(内宽10cm)保护，监测输水隧洞衬砌管片纵向变形，布置见下图。

五 安装方式

目前分布式光纤传感领域，在深基坑连续墙、高速公路隧洞、输水隧洞、高边坡、储油站等建筑物中使用，分布式光纤应变光缆的布设方式主要有两种：全面粘贴方式和定点布设方式，全面粘贴即以胶黏或预埋方式，将光纤传感器与被测结构进行锚固，形成全面的变形耦合；定点布设方式，则是通过一系列离散的锚固点将传感器与结构仅在锚固点区域进行变形耦合，本工程设计采用测量精度较高的定点式方式安装。

六 测试设备及工具

光纤应变分布测试仪；熔接机；切割刀；米勒钳；酒精棉；皮线开剥器；皮线光纤；热缩套管。

 其中光纤应变分布测试仪属于安装过程中必要设备，保证光纤光缆的生产、运输后到货检验、施工前后的检验、验收及后期维护等过程中，检测光纤光缆的应变分布是非常必要的，本工程采用OTDR6419光纤应变分布测试仪（技术指标如下）对整体光缆到货进行检验，确定安装拉伸量，安装后进行工序合格检验，并实时监测其变化趋势，当应变较大时，可通过阈值告警功能及时告警，通知相关人员及时处置，防止造成大的损失。

OTDR6419光纤应变分布测试仪 技术指标

七 熔接过程

1剥缆；剥光缆时，先将光缆两端捋直，一般在光缆10cm～20cm处使用美工刀剥除光缆保护层，穿过5mm不锈钢接续保护管（φ5mm*30cm）及三倍带胶热缩管（φ7.9mm，最小收缩后2.7mm)。

2清洁；用专业纸巾沾上酒精，对光纤进行擦拭清洁。将清洁棉花撕成面平整的小块，粘少许酒精，夹住已经剥覆的光纤，顺光纤轴向擦拭，用力要适度，清洁完毕后给需要熔接的两根光纤套上带不锈钢针的光纤热缩套管，光纤热缩管主要用于在玻璃丝对接好后套在连接处，经过加热形成新的保护层。

3切割；首先清洁切刀和调整切刀位置，切刀的摆放要平稳，切割时，动作要自然，平稳，勿重，勿轻。避免断纤、斜角、毛刺及裂痕等不良端面产生。

4熔纤；将玻璃丝固定，按SET确认键开始熔接。可以从光纤熔接器的显示屏中可以看到两端玻璃丝的对接情况，如果对的不是太歪的话仪器会自动调节对正，当然我们也可以通过按钮X、Y手动调节位置。等待几秒钟后就完成了光纤的熔接工作。熔接机在熔接环境中放置至少15分钟。

5加热；移出光纤用熔接机加热炉加热，这时候就可以使用刚刚套上的光纤热缩套管进行固定了。将套好光纤热缩套管的光纤放到加热器中按“HEAT”加热键开始加热，过10秒钟后就可以拿出来了，至此完成了一个线芯的熔接工作。

6保护；将熔接好的光纤采用专用工具对不锈钢接续保护管（φ5mm*30cm）两端进行加压密封，然后对三倍带胶热缩管加热进行热缩密封，最后在两端涂刷胶水，形成抗拉伸、防水保护。

7测试；光纤熔接时，熔接机显示的熔接损耗按≤0.01dB/km控制;光纤熔接后，采用OTDR进行光损耗测试，损耗按≤0.5dB/km控制;每条测线布设完成后，采用OTDR进行光损耗测试，全线损耗按≤15dB控制。在光纤连接过程中，需随时对线路质量进行测试，发现异常情况，应及时检查并排除故障。

八 安装工作

1定位标向，根据设计图纸安装位置，采用激光水平尺标线仪投线仪对安装点进行定位，定位距离间距≤10m为宜，然后每两个安装点采用墨斗（宜选红色）进行测点连接，同时以测点或者连接线为中线，两边根据不锈钢弧形盖板尺寸定位出活动固定卡片的位置放线（上下线宜选黑色）。以此类推对所有测点定位定向。

2固定夹具，定点夹具采用不锈钢片状凹槽结构设计，定点光缆的定点采用ABS有机材料圆柱状凸齿结构设计，两者通过嵌入咬合式固定，保证夹具固定的稳定性，二者之间不会滑移，铆钉尺寸根据所选材料配套。

3定点光缆首点安装，每个区段确定第一个定点安装位置，光缆头部冗余足够长度≥10m(熔接引线/跳线) 。

4预拉安装，定点光缆间隔之间预拉力分别为4000±1000με和6000±1000με，按照这两种预拉力间隔控制预拉。采用手提秤法控制水平预拉拉伸量（光缆需要在自由放松状态下预拉，切记在不同受力状态下，进行预拉安装），根据预拉量确定固定夹具安装位置，并快速安装固定夹具，然后安装下一点，以此类推安装剩余所有定点。

5冗余检修段预留，每间隔300m的位置正常冗余光缆，用来工作井之间的接续及施工期检修，冗余段10m～15m，应盘圈固定，弯曲半径≥5cm。

6定点涂抹环氧树脂再固定，为防止夹具受运营振动产生松动带来的测试误差，在每个夹具位置处再点环氧树脂胶水，进一步固定，固化24h左右即可达到完全固化。

（7）定点信息记录及过程检测，每个区段安装过程中按要求进行过程检测，安装完成后对定点光缆安装信息记录并成册存档。

（8）覆盖保护，采用无污染免钉胶黏贴固定不锈钢弧形盖板覆盖保护，缝隙位置采用玻璃胶涂抹，防止自密实混凝土进入盖板内部固结影响光缆测试精度。

九 安装注意事项

1光缆放线时严禁强拉硬拽，避免光缆被拉断破坏，并确保光缆自由放开后初始应变在3000 με左右；

2安装后的应变大、小应变控制在3000 με和7000 με左右为宜。

3根据现场试验，拉伸配重0.5kg和1kg比较适合（初始应变3000με的前提下），但现场安装需要根据初始应变情况适当调整拉伸配重。

4遇管片螺栓孔，采用同级配混凝土回填、或者做冗长点、条件不足情况下，建议跳过前后两点，并做好记录后期备查。

5做好光缆接头防水措施，不锈钢弧形盖板跟管片接触密实。

十 过程检测

定点式应变感测光缆安装前采用红光笔测试光缆通断，同时采用冷接子测试每个定点应变实际参数，调试预拉伸量参数，然后安装300m，用 OTDR6419光纤应变分布测试仪测式已安装的区域，合格进行下道工序，不合格拆除重新调试安装，然后再进行测试，合格后进行下道工序。

本次以OTDR6419光纤应变分布测试仪检测报告图片为例分析安装是否合格，分别以隧洞纵向两个方向距离3.05742km、0.2456km以内完成安装的定点式光缆进行检测，3.05742km范围内最大应变是6793.1με，全部合格；0.2456km范围内最大应变是10307.6με，其中5个点应变严重偏大，全部不在4000±1000με和6000±1000με之间，鉴于此情况，该小段拆除整改重新预拉安装。

安装后 OTDR6419光纤应变分布测试仪 检测报告（合格）

安装后 OTDR6419光纤应变分布测试仪 检测报告（不合格）

十一 总结

随着现在盾构施工技术的成熟，现在越来越多的大型水利工程、地铁、高速公路等工程的长距离隧洞采用盾法机进行施工，隧洞经过区域有居民小区、市政中心、桥梁、地质条件复杂等情况，传统的电容差阻式、振弦式等类型传感器等传感器很难满足监测要求，光纤可以大面积同时进行工程建筑建筑的多个部位进行监测，分布式光纤具有高灵敏度，精度较高、抗干扰能力强、耐久性长等特点，现在很多隧洞、桥梁、高边坡、石油石化储油、地下工程都在运用，光纤可以有效的防止灾害和事故的发生，对保护人们的生命、财产安全起到了很大的作用，望以后在工程中大力推广运用，以求更加精准的评估建筑物的结构安全状况。

参考文献：

[1]李川，张以谟，赵永贵等.光纤光栅：原理、技术与传感应用[M].北京：科学出版社，2005.161-174；

[2]SL764-2018 水工隧洞安全监测技术规范；

[3]《分布式光纤应变测试系统参数测试方法》（编制说明）；

[4]《海底光缆规范》(GB/T18480-2001);

[5]《光纤接头盒 第一部分:室外断面接头保护盒》(YD/T814.1-2013);