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光纤光栅传感器在长距离引水隧洞工程

的应用

摘要：目前，国内水利工程中的长距离引水隧洞较多，传统的振弦式和差阻

式等监测仪器已很难满足长距离引水隧洞安全监测的需求。结合珠江三角洲水资

源配置工程，针对利用盾构施工技术的长距离引水隧洞远距离传输工程，其部分

安全监测采用光纤光栅传感新技术，介绍了光纤光栅传感器的特点以及现场实施

要点，工程应用效果良好，成果表明光纤光栅仪器能满足长隧洞监测的需要。

关键词：引水隧洞；盾构施工；光纤光栅传感器；监测；应用

1、工程概况

珠江三角洲水资源配置工程安全某标段由干线高新沙水库至沙溪高位水池段

（范围为GS8+215.465～（含）沙溪高位水池）组成。主要建筑物包括：输水干

线隧洞段（桩号GS8+215.465～GS28+091.945）、1段钢管外包混凝土埋管（桩

号GS28+091.945～GS28+339.155）、1座沙溪高位水池、1座沙溪分水口量水间；

检修或渗漏排水井、基坑等。

1.

盾构区间隧洞内管片仪器布置及埋设

2.1仪器布置

输水干线隧洞段设计共布设监测断面13个，其中一般监测断面3个，每个

断面安装2支振弦式渗压计、2支振弦式土压力计、7支振弦式测缝计及7支光

纤光栅螺栓应力计；传统的振弦式综合监测断面7个，每个断面安装2支振弦式

渗压计、3支振弦式钢筋计、7支振弦式测缝计及7支光纤光栅螺栓应力计；光

纤光栅综合监测断面3个，每个断面安装2支光纤光栅渗压计、3支光纤光栅钢

筋计、7支光纤光栅测缝计及7支光纤光栅螺栓应力计，采用仪器均为光纤光栅

传感器，详见图2-1.1～2。

图2-1.1一般监测断面盾构管片衬砌环监测布置图

图2-1.2综合监测断面盾构管片衬砌环监测布置图

2.2安装埋设

1）光纤光栅钢筋计安装

在钢筋笼绑扎时,钢筋计应连接在指定的受力钢筋并保持在同-轴线上，受力

钢筋的绑扎接头应距仪器1.5m以上。钢筋计的连接可采用坡口焊或螺纹连接,如

采用坡口焊，焊接时及焊接后，应在仪器部位浇水冷却，使仪器温度不超过60℃，

但不得在焊缝处浇水。连接后应进行检测,接头应满足钢筋的强度要求。仪器线

缆应沿钢筋用尼龙扎线绑扎好引至管片(安装测缝计)预留凹槽内保护,避免管片

混凝土振捣时损坏仪器尾缆。

2）光纤光栅渗压计安装

安装在管片外侧的渗压计，在管片预制前根据渗压计尺寸制作好渗压计安装

不锈钢套筒部件，在预制衬砌管片时预埋渗压计不锈钢套筒,用于衬砌管片拼接

完成后安装衬砌管片外侧的渗压计。渗压计在管片壁后注浆完成后即安装渗压计，

渗压计透水端应穿过管片外弧面20cm，避免管片的壁后注浆封堵渗压计透水端头。

渗压计不锈钢套筒和渗压计安装完成后应做好封堵止水措施，以确保不会出现内

外水连通的现象。

3）光纤光栅测缝计安装

测缝计应垂直于管片接缝面安装。在预制衬砌管片时,根据测缝计安装位置

在两块相邻管片预留凹槽，具体尺寸根据仪器安装要求及安装完成后仪器部分不

外凸的原则确定。在预制衬砌管片时，在管片内安装固定测缝计的锚杆,避免后

期在管片上钻孔安装锚杆对管片产生破坏。在管片拼装完成后,对沟槽内外露钢

筋进行除锈及涂抹防腐层后再安装采用土工布包裹的测缝计，并考虑采用保护盒

对测缝计和尾缆进行密封保护。

4）光纤光栅螺栓应力计安装

确定拟安装螺栓应力计的螺栓，在螺栓安装前，对螺栓进行刻槽并安装螺栓

应力计。螺栓应力计和尾缆出线安装槽尺寸：宽度3mm深度3mm，螺栓应力计尾

缆穿过螺母出线孔的尺寸：φ3mm。引线不能超出螺栓的外弧面，防止螺栓拧紧

时直接破坏引线。刻槽的槽内保证光滑，严禁有楞刺等不规整槽型。螺栓应力计

的封装应在监测仪器设备厂家进行，螺栓安装过程中应注意对螺栓应力计和尾缆

做好保护。

3、FBG传感器工作原理

光纤光栅传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块

长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。由

光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的

周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量

变化前后反