植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

张仕喜

山东微感光电子有限公司  山东济南  250000

摘  要：植入式光纤传感器是现代工程建设中较为常用的一种监测装置，本文在阐述光纤传感器组成及光纤应变传递机制理论的基础上，通过实验验证的方式，分析植入式光纤传感器在隧道结构边界效应控制中的应用情况。期望能进一步提升植入式光纤传感器应用水平，准确控制隧道结构边界效益，促进隧道工程的有序发展。

关键词：隧道工程；结构；边界效应；分布式光纤

隧道工程建设是我国交通网络基础设施建设的重要内容，其在施工中需要考虑结构边界效应问题。现代工程建设模式下，为科学解决这一问题，施工人员会在隧道混凝土结构表面开槽植入光纤，这样隧道结构的应变情况会准确的传递到光线当中，这对于隧道结构边界效应控制具有积极作用。

一、光纤传感器组成及光纤应变传递机制原理

1、光纤传感器组成

作为光纤传感技术应用的关键装置，光纤传感器不仅包含了光源、敏感元件，而且涉及光探测器、信号处理系统，此外光纤也是其极为重要的组成部分。现代工程建设模式下，深化光纤传感器在隧道结构监测中的应用，能准确判断隧道结构边界效应，保证隧道结构整体稳定性。

2、光纤应变传递机制原理

隧道工程结构边界效应研究中，光纤传感器的应用较为广泛。该装置能通过光纤将来自光源的光送到调制器当中，该过程能实现待测量参数与进入调制区的光相互作用，引起光学性质发生变化，最后通过光信号调制和解调器解调作用，能实现光的强度、波长频率、相位偏振态等性质和北侧参数的有效分析。要注意的是，在隧道结构边界效应监测中，工程建设人员还需要通过各种方式是光纤与待测结构物结合，这样才能发挥光纤与待测结构物协同变形作用；该作用下，一旦待测结构物发生变形，则位于结构物内部的光纤也会发生变形，这影响了光信号的传输，通过对光信号的性质变化情况的分析，也能较为准确的反应检测对象结构的真实变形情况[1]。

二、基于植入式光纤传感器的隧道结构边界效应模型

1、植入式光纤传感器应用实际

在植入式光纤传感器中，其裸光纤的主要成分是二氧化硅，这种从材料本身属于脆性材料，即材料的抗剪能力较差，本身容易折断。考虑到隧道土工工程建设粗放性的特征，在其结构施工中，不论管线如何布设，均需要做好裸光纤部位的有效保护。结合实际可知，裸光纤保保护方式不同，在结构应变测量中，光纤传感器最终测量的应变结果也有一定的差异。就植入式光纤传感器而言，其需要在隧道混凝土结构表面开槽，然后植入光纤，随后选择与工程主体结构相同的材料进行回填密封，这样可实现裸光纤的有效保护。目前，植入式光纤传感器是裸光纤保护的常用方式，同时也是隧道结构边界效应测量的主要手段（见图1）。

图1 植入式光纤传感器

2、条件假设

基于植入式光纤传感器开展隧道结构边界效应测量时，为方便后期建模工作开展，确保隧道结构应变测量的准确性，还需要假设一定的条件。本研究中，为便于模型建设与研究，做以下三个方面的条件假设：其一，材料属性分析中应中，假设所有的材料均为线弹性，且在应变测量中，待测结构沿光纤方向承受均匀应变。其二，在裸光纤植入后，将涂覆层和纤芯看做是一个整体结构，然后将其统称为光纤层。在此要强调的是，由于光缆用作传感监测，故而所使用的光缆均为紧套应变光缆。这种光缆的涂覆层和纤芯牢固结合，即便是采用机械方式也很难将这些光缆剥离出来。隧道结构应变测量中，若使用其他传感光缆，一旦光缆的内部机构发生错动，则其保护套和涂覆层会出现脱离情况，但是在应变作用影响下，即便紧套应变光缆内部结构发生变化，其纤芯和涂覆层仍然能够紧密地结合在一起，基于这一特征，可将紧套应变光缆的涂覆层和纤芯看做是一个整体。其三，在植入式光纤使用中，除光纤与保护套外，还要求保护套与待测结构的交界面结合紧密，没有脱落问题。同时对于使用分布式、植入式光纤传感器的隧道，由于管线在光纤结构中埋入的长度较长，一般多处于几百米到几公里，同时回填材料-传感光缆界面的峰值抗剪强度很大，故而为简化计算，在条件建设中认为工程建设中不促进在光缆被从结构中拉脱的问题。

3、光纤应变传递的边界效应理论模型

结合上述假设条件，可建立包含待测结构、保护套、光纤层三层结构的应变传递模型（见图2）。该模型下，待测结构直接通过保护套与光纤产生应变传递，并且在应变力传递过程中，各个层之间不存在相互滑动问题。隧道结构应变边界效应具体分析中，科技结合该模型建立坐标系，其中X、r分别代表了光纤的轴线坐标和径向坐标，该坐标体系下，坐标原点为光纤层正中央。在后期模型分析阶段，设定限制条件为：光纤总长度为2L。基于该条件系统建立平衡方程，并结合方程解算推导光纤应变与待测结构应变的关系式。

图2 光纤纤芯、保护套和待测结构力学模型

三、基于植入式光纤传感器的隧道结构边界效应模型和结构应变分析

1、建立应力平衡方程

完成光纤纤芯、保护套和待测结构力学模型建设后，先应结合具体模型，建立光纤层的平衡方程。在该平衡方程建设中，人们仅需要考虑两个层面的要素，一是轴向应力情况，二是剪应力情况，若剪切应力分布均匀，且光纤微元提长度为dx，则光纤传感器在水平方向上的力平衡方程可表示为：

对上式进行简化，可得到

上式中，代表了沿光纤层表面的剪应力，而σg（x）和rg分别代表了轴向正应力和光纤层的半径。

就管线保护套而言，其存在一定的内表面剪应力，并且该作用力与光纤层表面的剪应力相互作用，两者是一对作用了和反作用力，其受力图如图3所示。在管线保护套微元体平衡方程建设及分析中，人们应注重三个层面要素系统分析，一是保护套外表面到结构模型中x坐标轴的垂直距离；二是要系统考虑保护套层表面的剪应力；三是要重视轴向正应力情况的有效分析，以此来保证管线保护套微元体平衡方程建设的科学性和保护套受力情况分析的合理性。

图3 保护套微元提受力

2、建立位移平衡方程

利用植入式光纤传感器测量隧道结构应变情况时，虽然在分析阶段人们将紧套应变光缆的涂覆层和纤芯看作是一个整体，但是不可否认的是，在结构应变力的作用下，光纤或多或少会发生一定的位移变化，并且这种光纤的位移变化与待测结构的位移存在一定差异，深层次分析这种差异原因，可知保护套中的剪应变是引起这种差异的主要原因。

设计光纤为位移为ug(x)，待测结构位移为ur(x),则可光纤位移与剪应变表示为：

，

上式中，r(x，r）代表了保护套层的剪应变。在此背景下，若保护套的剪切模量通过G代替，则剪应变与剪应力的关系还可以表示为

3、光纤与待测结构应变分析

为准确分析光纤与待测结构应变情况，先需要准确掌握保护套内任何一点的剪应力情况，然后分析光纤层的轴向正应力情况以及应变形式；该环节中，应重点考虑光纤层的弹性模量和轴向应变情况，同时应将待测结构各部分的应变看作均匀分布，这样才能达到简化计算的方式，最终获得待测结构应变和光纤层应变之间的微分方程，实现光纤与待测结构应变情况的有效分析。光纤与待测结构应变方程如下：

基于上式建立待测结构-保护套－光纤层复合体的有限元模型，其具体模型可入图4所示。

图4 光纤与待测结构有限元模型

该模型下，系统设计光纤和保护套、待测结构物理性质条件，对主要的物理指标参数进行赋值，本次研究中，具体赋值对象不仅包含光纤层弹性模量、保护套层弹性模量，而且涉及待测结构弹性模量、保护套层泊松比，此外保护套层外径、光纤层外径和长度等都是极为主要的赋值对象。此次赋值中，光纤层外径为600mm，管线层长度为40mm。然后在待测结构两端分别施加0.5 MP的轴向拉应力，在此过程中，要求除保护套层外，光纤层也不受力，得到的复合体的轴向应变分布图（见图5）。

图5 复合体的轴向应变分布图

上图展现了在受到0.5 MP的轴向拉应力时，植入式光纤的应变情况。由上图可知，光纤的应变传递区域存在边界效应，并且从应变分布情况来看，光纤中部和待测结构的应变分布相互抑制，同时在两端地区，光纤的应变较小，而结构的应变较大。深层次分析这一现象可知，剪滞效应是造成光纤两端的应变小的重要原因。具体表现为：保护层本身存在一定的剪应力，这样在受到结构作用力时保护层的纵向位移会发生变化，尤其是在高度方向上，保护层纵向位移会出现不均匀的现象。为实现这种不均匀现象的深层次分析，通过有限元软件的左艳红，对端部的变形效果作放大出来，可知在剪滞作用下，整个模型端部的不均匀其与整体表现为漏斗性，这表明在模型端部区域，待测结构的变形虽然产生了一定的影响，但是这种影响并没有完全传递到纤芯中，此时端部的纤芯极有可能仍保持原来的状态，即纤芯没有随着待测结构的变形而拉伸。

结语

植入式光纤传感器在隧道结构应变监测中应用广泛，本研究指出，在植入式光纤传感器应用中中，其还存在一定的边界效应，该效应表现为：在隧道结构应变监测中，结构两端为光纤的低效率应变传递区，不能完全传递试验梁的应变；而中部为光纤的高效率应变传递区，能够完全传递试验梁的应变。

参考文献:

[1]侯公羽,李子祥,胡涛,等.植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究[J].岩土力学,2020,41(8):2839-2850.