嵌入式光纤复合FRP智能锚杆在岩质高边坡监测中的应用

嵌入式光纤复合FRP智能锚杆在岩质高边坡监测中的应用

曾泽颖

华南理工大学建筑设计研究院有限公司  广州510641

摘要：危岩存在非规律的形状与边界条件，危岩剥落存在很大的安全隐患。因此，工程上十分有必要建立起能够对边坡落石进行实时在线监测的系统，有效降低危岩崩塌等岩土地质灾害造成人员伤亡或者财产损失等情况。本文针对深圳市新彩隧道口岩质高边坡危岩提出利用嵌入式光纤复合FRP锚杆建立在线实时监测边坡风化石系统，用于监测、在线预警岩质高边坡风化落石的形成与剥落。

关键词：光纤光栅；岩质边坡；FRP智能锚杆；实时监测

中国分类号：TU45文献标志码：A  文章编号：

Application of Embedded Fiber Optic Composite FRP Intelligent Anchor Rod in High Rock Slope Monitoring

ZENG Zeying

（Architectural Design & Research Institute of SCUT CO., Ltd., Guangzhou 510641, China）

Abstract: Dangerous rocks have irregular shapes and boundary conditions, and the peeling of dangerous rocks poses significant safety hazards. Therefore, it is necessary to establish a real-time online monitoring system for slope rockfall in engineering, effectively reducing the occurrence of casualties or property losses caused by rock and soil disasters such as dangerous rock collapses. This article proposes to use embedded fiber optic composite FRP anchor rods to establish an online real-time monitoring system for weathered rocks on high rock slopes at the entrance of Xincai Tunnel in Shenzhen. This system is used to monitor and warn of the formation and peeling of weathered rocks on high rock slopes.

Keywords: Fiber Bragg Grating; Rock slope; FRP intelligent anchor rod; Real time monitoring

0 引言

危岩崩塌作为典型的岩土地质灾害，其工程防治方法受到岩土工程师的广泛关注[1]。传统锚杆支护技术主要借助锚杆向地底稳定岩层传递支撑结构所受到的荷载[2]。但是在极端天气下，监测高边坡稳定性的难度很大，现阶段相关领域的研究产品并不多。

作为新型智能监测技术——光纤光栅传感技术相比传统监测技术更具突出的优点，已成为近年来监测领域的探索热点之一。近年来，德国学者Ecke等[3]在关于岩石锚杆的研究中，主要采用FBG光纤Bragg光栅传感器监测其应力变化。刘泉声等[4]在研究中过程中，FBG光纤光栅传感器制成适用于监测地下工程岩石动、静态应变的FBX地脚螺栓。国内，姜德生等[5]在关于监测水布垭工程锚固系统的过程中，使用了 FBG应变传感器有效监测了锚固系统的安全性能与锚杆锚固力。柴敬等[6]证实上述传感器能稳定、高精度的处理信号，适用于长期、长传输距离监测。欧进萍等[7]借助拉伸实验从应力分布以及感知等性等方面分析了内嵌光纤光栅FRP锚杆，并具体应用于监测实际工程的边坡安全，该技术可作为智能监测系统有效监测锚杆应力，且适宜长期使用。

嵌入式光纤复合FRP智能具有锚杆耐腐蚀、耐酸碱、灵敏度高的优点，能够有效监测应力应变，是现代传统锚杆测力器所缺乏的，特别是在感知关键点关键部位、分布式测量沿锚杆全长方面有出色表现。本文将综合此类智能监测传感器的优点，综合整治新隧道南侧洞口边坡安全隐患的特点，提出具体方案与在线监测系统，以实现能够实时监测的同时，可有效达到防治边坡风化落石的形成与剥落。

1光纤光栅监测原理及光纤复合FRP智能锚杆制作工艺

1.1 光纤光栅监测原理

图1为光纤光栅结构。通过分析，图中内、外层分别为纤芯结构、包层结构，前者的折射率略大。当光源发出的光束进入光纤光栅时，光束能够反射出具备反射条件的光，而剩余的光则会被透射出去。光纤光栅的折射率和周期对反射光起着决定作用，通常外界环境参量会改变光纤光栅的折射率和周期，引起反射波波长的移动，这能够感知监测外界环境参量

[8]。

图1光纤布拉格光栅结构示意图

Fig.1 Schematic Diagram of Fiber Bragg Grating Structure

1.2 光纤复合FRP智能锚杆的制作工艺

嵌入式光纤复合FRP智能锚杆通常由受电磁干扰小，信号传输效果好，以及自重轻和耐腐蚀性的ERP筋体作为杆体的主要材料制作而成。此种材料是通过将连续纤维浸入至热固性树脂之中，并将适量添加剂加入基体之中，通过相关工序（如拉拔、挤压等）。这个过程中，受热固化后，树脂成型形成ERP筋体[9]。综上FRP筋具备诸多优点，在智能锚杆中使用此种材料，能够解决很多传统锚杆所无法解决的问题。

在生产ERP筋体的过程中，在各束盘中孔位置嵌入光纤（Bragg光栅）。此时纤维束与树脂受到挤压热作用，能够成型，具体工艺如图2所示[10]。

筋体制备完成后，从体积上看，玻璃纤维、环氧树脂的占比分别为66%、33%。 在制作ERP筋体的时，能够与光纤热固成型。在整个受力过程中，光纤与筋体实现协同变形。

图2 嵌入式光纤复合FRP智能锚杆筋体制作示意图

Fig. 2 Schematic Diagram of the Production of Embedded Fiber Optic Composite FRP Intelligent Anchor Rod Reinforcement

2光纤复合FRP智能锚杆在工程中的应用

2.1工程概况

如图3所示的深圳市新彩隧道的基本情况：隧道建成后，其相对高差可达到142m，同时埋深达到50m的有1212m长。早期，人们人工开山采石导致隧道进洞口南侧边坡形成了整体在55-80°，平均值在63°的坡度。该洞顶平台长90m，宽长18m。洞顶平台的地面标高整体在75-78m之间，公路路面为63m。洞顶平台与公路路面、陡坡段顶部的高差分别在12-15m之间和95-98m之间，与公路路面高差最大值可达到110m。该隧道边坡相对高差较大，坡面随时可能有落石，从而威胁公路隧道来往车辆、乘客安全。根据初步统计显示，至少出现3处崩塌危岩带，如图4所示中的A区域、B区域和C区域。

2.2 工程措施研究

综合洞口现场环境，拟采用如下方法主动防治新彩隧道南侧边坡坡体：首先是通过混凝土灌浆的方式对钢筋网进行喷射处理；其次是主动防护网。一般情况下，针对存在很多破碎面的岩质边坡，特别是在岩体会破碎的情况下，则为了保证危岩完整性，应该选择压力灌浆。一般在岩体的中部、上部布置注浆孔，具体可结合岩体的破损情况进行分析决定具体位置。注浆孔的孔径通常在60-130mm间，梅花状，倾斜30°-70°且传过岩体的裂隙面。注浆孔的孔径通常在60-130mm，具体可结合裂缝的发展情况，控制灌浆压力，使其相关值在40～110Kpa之间。针对危岩体裂隙较多时，则可用混凝土喷射裂隙，封闭加固裂隙之处。主动防护网，需要先对防护网支撑绳进行固定处理，主要操作方法是在边坡坡面钻孔打入锚杆，形成预紧力并作用于支撑绳，这样就能够以紧固栅网作用于坡面，这有利于预防局部岩体移动的情况。此外，主动防护网能够裹缚剥落的风化岩块。此种防护方案适用于各种坡度的形状，不会破坏或者改变植被生长与原始地形。

被动防治措施也常常作为边坡坡体防护的有效手段，如SNS被动柔性防护网、钢结构棚洞和防护林防护等。其中SNS被动柔性防护最大特点是柔性高，可以拦截落石。落石防护林的主要原理形成粗糙度更高的坡底平台，从而降低落石的运动速度，影响其回弹高度。

2.3 FRP锚杆智能监测系统分析

2.3.1 嵌入式光纤复合FRP锚杆智能监测系统集成原理

通过该系统对边坡坡面风化落石进行实时监测，并形成相关数据。它的基本原理是：主动防护网包裹所风化落石，ERP锚杆（主要作用是固定防护网）受到较大的轴向受力，由此即可监测报警岩质边坡风落的情况。在边坡下设置控制室，在传输电缆的作用下，在控制宽带光源的情况下向光纤Bragg光栅传感器传输宽带光源。反射回传光纤光栅调解器后解调光信号，计算机系统收集相关信号。在收集好数据后，向云端上传数据，并具体分析、处理数据，专用软件在输出监测结果的同时，形成报警信号[11,12]。借助局域网将监测和报警信息传输至交警部门、隧道管理所，这样就能在线远程监测与管理。从构成上看，该系统主要包含如下几部分：其一现场感应测试设备；其二控制室设备；其三终端设备组成，如图5所示。

图5 嵌入式光纤复合FRP锚杆智能监测系统示意图

Fig. 5 Schematic Diagram of the Embedded Optical Fiber Composite FRP Anchor Rod Intelligent Monitoring System

2.3.2 嵌入式光纤复合FRP智能锚杆的布置

结合边坡的实际情况，具体将挂网监测区细分为三个区域。综合新彩隧道坡面面积与边坡岩体特点，并充分分析嵌入式光纤复合FRP的灵敏度，具体可将监测区细分为三块。一般可通过挂主动防护网的方式进行监测区防护。

设置锚杆的各个参数，首先是将锚固力大小设置为60kN，将锚杆纵横间距大小设置为2.5m×2.5m，设锚杆的孔径110mm。通过式（1）来计算其下坠力，经计算后，危岩带下坠力及锚杆数量如表1所示。

式中：表示洞顶岩体质量，其通过计算，可取，为重力加速度。

表1 各危岩带下坠力计锚杆数量表

Tab. 1 Quantity Table of Anchor Rods for Falling Force Measurement in Each Dangerous Rock Zone

需要的锚杆共有2404根，由FRP智能锚杆代替其中的64根。具体按照图6布置智能锚杆。其中A,B,C区域分别有11根、10根、43根。按照间距5-10m的标准机动布置。在清理坡面后，结合实际情况对点位进行控制。对其锚杆锚固长度可由按下式进行计算。

①从锚固体，拔出锚杆体时，按式（2）计算；

②锚固体及其周围岩土体锚固情况，按式（3）计算；

式中：表示锚杆轴向受力抗拔力；表示危岩体荷载分项系数;表示锚杆数量;和均表示工作条件系数，其中前者表示应锚固体与地层粘结的比值；后者表示锚杆与砂浆粘结强度的比值；表示锚杆直径; 表示钻孔直径;与均表示粘线强度设计值，其中分别指锚固砂浆与锚杆、砂浆与岩土体的比值；与表示锚固长度最大值的取值。

最终形成表2的计算结果。

表2 锚杆锚固长度计算结果表

Tab. 2 Calculation Results of Anchor Bolt Anchorage Length

图6 FRP智能锚杆传感网络布置图

Fig. 6 Layout of FRP Intelligent Anchor Rod Sensor Network

2.3.3 边坡风化落石监测系统工作流程

该系统监测后能够向客户端计算机实时传输边坡数据，这个过程中主要运用了光纤光栅解调器。客户端计算机在接收到上述信息后，可运用配套软件进行处理。完成处理后，向服务器传递数据。

在工作中，系统有丰富的功能，比如可报警记录、呈现现场监测视频，进行系统管理等。监测系统能直观的呈现边坡防护情况，比如当下处于报警状态，还是正常状态等，确保人员得以及时了解监测点拉绳、ERP智锚杆、主动防护网等方面的情况，并动态体现替换FRP智能锚杆边坡受力。

监测系统在区域报警后，会结合区域报警等级进行显示，可显示的内容包括文字与颜色等。在完成边坡落石监测报警系统的创设工作后，可反馈监测数据，对现场进行预警分级标定。

3 结论

本文结合深圳市新彩隧道口岩质洞口危岩案例及嵌入式光纤复合FRP智能锚杆的特点，具体分析建立实时监测报警系统以监测风化落石的情况。通过相关研究分析，主要取得以下结论：

（1）内嵌光纤复合FRP锚杆的耐腐蚀性优越，综合实时在线监测岩质高这坡风化落石及锚杆全长分布光纤Bragg光栅具有测量多点应变的特点，在沿海地区适宜边坡防护工程安全评价及预警。

（2）综合案例隧道洞口的实际情况，即陡质边坡高，利用内嵌光纤复合FRP锚杆，其主体为主动防护网，并具体建立了报警系统，能够有效监测风化落石的情况。通过该系统能够实时监测锚杆受力，所得出的数据可用于分析防护网是否充分发挥作用，即对风化落石的包裹情况，继而对岩质边坡风化落石实时监测，了解其松动与变形的情况。实践表明，本文研究中所提到的方法，监测岩质高边坡风化落石效果显著，已成为当前主流监测手段。这一监测方法有很多优点，比如能有效避免干扰监测信号的因素，耐腐蚀，灵敏度高、精度高，且适用于长距离传输信号。

参考文献

[1].王蓉. 危岩发育机理与工程防治原理研究[D]. 重庆：重庆交通学院, 2003.

[2].何礼彪,杨梅枝,苗艳文. 工程建设中岩土锚杆支护原理及类型选择分析[J].工程技术研究,2022,7(07):59-62.

[3].Ecke W. Strain monitoring in steel rock bolts using FBG sensor arrays[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2000, 4074:298-304.

[4].刘泉声,徐光苗,张志凌. 光纤测量技术在岩土工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23.(2):310-314.

[5].姜德生,梁磊,南秋明,等. 新型光纤Bragg光栅锚索预应力监测系统[J]. 武汉理工大学学报, 2003, 25.(07):15-17.

[6].柴敬,兰曙光,李继平,等. 光纤Bragg光栅锚杆应力应变监测系统[J]. 西安科技大学学报, 2005, 25.(1):1-4.

[7].欧进萍,周智,武湛君,等.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术[J].土木工程学报,2004(01):45-49+64.

[8].廖光萌,何建新,朱玉琴,等.光纤光栅传感器及其应用[J].装备环境工程,2022,19(11):142-149.

[9].Barley A D . The single bore multiple anchor system[C]// Ground Anchorages & Anchored Structures International Conference Organised by the Institution of Civil Engineers & Held in London. 1997.

[10].闫凯. 光纤光栅FRP智能锚头和某人防工程的安全监测技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2007.

[11].刘金山. 铁路落石塌方监测报警光纤光栅系统应用方案研究[J]. 铁道勘测与设计, 2006.(4):13-17.

[12].朱慧慧,魏亚东,孔国锋. 煤矿机械设备动态监测关键技术研究与应用[J]. 电子测试, 2015.(16):8-9+13.