让地下工程更安全的光纤三维地应力及多参数传感监测系统

长期以来，地下工程施工过程中，坍塌事故时有发生，给国家和人民造成了巨大的损失。经统计发现，在造成地下工程坍塌事故的诸多原因中，地下工程顶板冒顶事故所占比例较高，事故死亡人数较多，这主要是冒顶事故难以有效防控而导致的。

地下工程施工的地质体，正常情况下在重力和挤压的状态下处于地应力平衡状态，但是随着人工施工，比如爆破、盾构等，打破了地应力平衡，对地应力造成扰动，使得地应力重新分布，不可控释放，从而导致地质体变形和塌方。

行业痛点：

缺乏地应力有效测量和评估，不能科学有效指导施工，造成人员伤亡和经济损失。

 

现状：国内外对于开挖（采）过程中扰动应力的分布及其规律尚未有统一认识，仅局限于理论和数值模拟方面。若没有现场数据支撑，软件模拟难以进行。测点越多，模型越准确。

因此，原位测试是不可或缺的重要手段，是围岩应力状态以及隧道施工开挖变化规律以及控制其力学行为的重要基础。

目前，对于地应力进行原位测试大多采用进口的应力解除法空心包体来进行监测，但空心包体只能进行绝对测量而非长期变化趋势监测，不能得到掘进过程的应力变化情况，而且进口产品价格昂贵，限制了工程上大量应用。

        

地应力是地下工程围岩稳定性及工程设计的重要参数，关于地下工程作业安全，需要实时监测分析，在构造活动较强烈及大埋深作业环境中尤为重要。理想的地应力监测是希望能获得高可靠性、测量精准、施工简单和能实现长期监测。

近几年，由中国科学院半导体研究所光电系统实验室研发，瑞科（广州）仪器科技有限公司代理的光纤三维地应力及多参数传感监测系统很好地解决了这个问题，并在国内多个项目上成功应用。

该监测系统由传感器探头、采集解调终端、通信系统及电源组成。

传感器部分

地应力传感器探头技术特点：

基于光纤光栅的高精度三维地应力应变张量传感器（下简称传感器筒）是为满足岩土工程、采矿工程中地应力长期测试而专门研制的特种应力应变阵列测量传感器，其采用独特的结构设计、独到的封装保护方式、精准的波长解调技术，可以满足围岩深部地应力应变的原位、精确、长期测量。

传感器筒基于空心包体测量原理，结合并利用光纤光栅传感技术本征绝缘、寿命长、易阵列复用的优势，将多个应变花封装在空心包体的管壁上，传感器既可以检测钻孔套芯应力解除过程中的应变响应，也可以将传感器放置钻孔内用混凝土注浆固化后长年测量应力应变随时间变化。

相对于传统的单方向应力、应变或者位移监测，该方法可以精准获取岩体内的三维应变张量信息。典型的，三组应变花间隔 120°分布在应变桶中间断面的测环上，每个应变花内有呈 45°夹角的三个应变传感器，三组应变花实时精确测量弹性筒上不同方位的应变和应力数值。同时，空心包体管壁上封装 1 个温度传感器，用来测试环境温度并对应变花进行实时温度补偿。

该传感器发挥光纤传感的诸多优势，具有耐腐蚀、抗电磁干扰、抗地下水、易施工等优点，且传感器和测试终端距离可以超过数Km，极大方便现场集中监测，突破传统电子传感器的测试限制，实现各类地下工程的地应力应变的长期可靠测量，对隧道围岩的应力应变分析、收敛变形监测、支护优化设计提供精确监测数据。产品经多次迭代优化后，容易安装使用，可靠性高，目前安装成功率 100%。

地应力传感器分布

特制的光纤光栅串充当应变敏感元器件。3 个光纤光栅组合成 1 组三向应变花测点；3 个测点间隔 120°均布在1个圆环上，构成一个应变测环。具体位置说明：从传感器尾部看去对准尾纤的为应变花A，逆时针方向间隔 120°依次是应变花 B、应变花 C。在每个应变花中，平行于传感器筒轴向的光栅编号为 1，交叉倾斜方向的光栅编号为2，垂直与轴向的光栅的编号为 3，三个光栅同轴向的夹角依次是 0°、45°、90°。具体实物图和示意图如下图所示：

以单测环传感器为例，说明测环、测点、三向光栅应变传感器的分布

单传感器筒上 10 个光纤光栅的波长分配如下所示，在 1528-1568nm 范围内，拟定波长从小到大依次是应变花A的A1（FBG1）、A2（FBG2）、A3（FBG3）、应变花 B 的 B1（FBG4）、B2（FBG5）、B3（FBG6）、应变花 C 的C1（FBG7）、C2（FBG8）、C3（FBG9）和温度传感器 T（FBG10）一共 10 个 FBG，以便后续分析建模和数据处理。

单测环传感器为例，说明9个应变传感器和1 个温度传感器的光谱分布特性

 

接续方式示意图

地应力传感器采用铠装方式进行加强保护，确保光缆可以耐受现场施工的苛刻考验。专用铠装线缆直接插拔采集设备，现场不需熔接就可以直接使用，减轻恶劣施工现场的工作量和难度。采用注浆、接续一体的管接模式，便于施工现场调整接续长度或者更换传感器等，具有施工便利、接续时间短、注浆阻力小等优势，传感器接续效果如下图所示：

地应力传感器接续方式示意图

黑色为传感器，蓝色为接续注浆一体管，且可以切割任意长度，施工简便

 

地应力传感器探头特点

l 空心包体结构，灵敏度高

l 三应变花测量，全向感知

l 精准温度标定，实时温补

l 光纤无源器件，本征安全

 

技术参数

	参数	指标	备注
测 量 指 标	应变量程	-3000～+1500με
	应变分辨力	0.1με
	温度范围	-5～50℃
	温度精度	0.5℃
	温度分辨力	0.05℃
敏 感 器 件	单测环测点数量	3个	单测环9传感器
	应变传感器夹角	0°、45°、90°
	测环数量	1、2、3、4个	客户指定
	测环间隔	5～30cm	多测环时
外 观 尺 寸	测试感应面直径	50mm	防水耦合处理
	测试感应面长度	350mm
	传感器直径	63mm
	传感器长度	500mm
工 程 应 用	尾纤出纤方式	单纤铠缆
	尾纤长度	10～300m	客户商定
	出纤材质	TPU、PC	3.0mm 铠装光缆
	接头型号	FC/APC	现场无需熔接
	接续方式	管式接续	注浆接续一体管

 

本监测系统除了地应力光纤传感以外，还可以根据现场需要，配备以下光纤光栅传感器，组成多参数监测系统。

光纤光栅表面应变计

 

光纤光栅表面应变计是一种高精密的，有低温度敏感特性的光纤光栅应变传感器，比其他类型的应变计的温度系数低50%以上，加上内置温度传感器进行温度补偿修正，可大大提高测试精度，同时也可作为温度计测温使用。

 

技术参数

 

光纤光栅埋入式应变计

 

光纤光栅埋入式应变传感计是一种高精密的，有低温度敏感特性的光纤光栅应变传感器。它可将被测体本身的温度特性及传感器本身的温度特性通过自身结构实现补偿，通过微小的温度修正后能实现精确测试外力对被测体的影响。

 

技术参数

参数	数值	备注
中心波长	1528-1568 nm
量程	±1000με	可定制
应变测量精度	5‰με  F.S
温度测量精度	1°C
工作温度范围	-20~90°C
工作标距	125mm
温补方式	内置温补光栅
尺寸	Φ25*150mm
出纤方式	铠装光缆	3mm;6mm
连接头	订制或熔接

 

光纤光栅水压（气压）计

用于液体及气体压力的监测，适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物及土体内，测量结构物或土体内部的渗透(孔隙)水压力，也可通过压力测试出水位高低，可根据客户要求加工螺口，测试管道或容器的内部压力。特有的温度低敏感特性大大降低了温度对传感器测试的影响，加上内置温度传感器，可精确地对温度变化导致的偏差进行补偿修正。

技术参数

参数	数值	备注
中心波长	1528-1568 nm
测量范围	0.1~3 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作温度范围	-20~80℃
尺寸	Ø30*110 mm
尾缆	3；6 mm	铠装光缆

 

光纤光栅土压力计

适用于长期埋设在土体、水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物或土体内部的压力，如：大坝、尾矿库、基坑等。内置测温光栅，用于温度测试及温度补偿。

技术参数

参数	数值	备注
中心波长	1528-1568 nm
测量范围	0.5、1.0、2.0 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作温度范围	-20~90℃
尺寸	Ø150*20 mm

 

光纤光栅温度计

温度传感器是一种高精密的，可进行多个传感器串接组网后使用的传感器。它有体积小，灵敏度高，稳定性好，不易损坏，抗电磁干扰等优点，可使用在隧道火灾监测，油管测温，混凝土埋入测温及温度补偿等环境下。其有多种封装形式，可在不同环境下应用。

技术参数

参数	指标	备注
中心波长	1528-1568 nm
测量范围	-30 ℃～120 ℃	可定制
精度	±0.5℃
尺寸	φ8*60 mm Φ5.5*50 mm 3*3*28 mm（陶瓷）	小尺寸可定制
出纤方式	铠装光缆	3mm;6mm

 

采集解调终端

本监测系统采集解调终端采用光纤光纤光栅解调仪，共有三个不同的型号，分别是机架式光纤光栅解调仪、加强定制型光纤光栅解调仪和便携式光纤光栅解调仪。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅。当宽频谱的激光源入射到光纤光栅时，光纤光栅对应的波长就会被反射，光纤光栅解调仪就是利用这一原理准确测量光纤光栅反射波长的仪器。其核心工作就是对光栅的光谱进行寻峰计算，得到中心波长后反算物理量如应变、温度、压力等数值。

光纤光栅的基本原理及整个系统的工作原理

本监测系统产品采用当今最先进的光纤技术、计算机技术及信号处理技术，固件采用模块式设计，方便客户根据不同需求、工程特点配置适合的测量通道、软件功能；整机具有可靠性高、使用方便、实时通信等优点。

 

机架式光纤光栅解调仪是可调谐激光多通道解调设备，采样频率范围广，可测试各类变量传感器，通道数目最高可达 16 个，可并行连接多至 512 个光纤光栅传感器，满足超大规模光纤监测系统组网使用，支持 19 寸机架安装。设备自带电容触摸屏，支持键盘鼠标、手指操控和远程桌面等各种操作方式。通信方式兼容性强，支持多种通讯协议（UDP,Modbus,485），主从设备通讯便捷。

16 通道机柜网络一体型解调设备

加强定制型光纤光栅解调仪根据客户的需求，如抗电磁干扰、防水防尘、抗震、无线传输等各种要求，采取定制化的方案，对机箱加固、密封、防腐、抗震等专门进行优化改进，实现海洋监测等特种环境的高性能稳定工作。

加强定制型光纤光栅解调仪

便携式光纤光栅解调仪设计精巧，使用灵活，操作简便，适合工程项目现场移动测试。该系统集成光纤传感器波长和功率光谱数据采集、显示、存储于一体，可广泛用于各类工程的现场检测。

8 通道工程现场便携式光纤光栅解调仪

 

采集解调终端

l 便携解调终端，极低功耗、便于携带

l 台式解调终端，多路通道、性能强悍

l 配套软件专业，功能齐全、操控简单

l 多种通信方式，数据云传、远程躁控

 

技术参数

项目	性能参数或功能	备注
解调范围	1528～1568nm
解调精度	±1pm
解调速度	1Hz、2Hz、1000Hz
通道个数	4、8、16	最多32
波长稳定性	1pm@24h	部分达到0.3pm
分辨力	0.1pm
功耗	小于80W	便携式小于10W
通信方式	RJ45 RS232 USB	可选配光纤传输方式
操作系统	Windows	Win10 系统
操作方式	键盘鼠标、手指触摸、远程桌面	10寸电容屏、操控精准、可外接键盘鼠标
光纤接口	FC/APC
供电方式	AC220V/12V	便携式可提供12V充电宝、自持5小时
应用功能	数据查询、图表显示	数据转发、云功能可以定制

 

可靠的标定过程和数据

传感器具备应变精确测量的能力，应变测量精度1微应变，测量范围 5000 微应变，且具备实时温度补偿的能力。传感器经过特殊的材料选择和工艺方法以及稳定性处理手段，其长期稳定性远高于常规应变传感器。

研发团队具备全链条设计能力，掌握关键技术和校准标定手段，关键测量仪器都有CNAS认证证书且在有效期内，确保科研成果中的每个应变传感器都精准的参数，以确保客户得到可靠的、经得起检验的真实原位数据。如下图所示传感器对应变和温度的响应曲线，该图表和原始数据作为基础资料同步交付给用户，便于后期精确计算：

均布载荷压力验证及温度标定过程

 

现场组网应用示意图

团队开发了高可靠双电源监测网络系统，确保系统自持时间超过 1 周；系统可以通过光缆、网线、无线等方式进行实施通讯，通信协议可以按照用户的需求进行定制，具有数据实时传送云端并进行显示、报警能力。

 

产品优势

l 选址方便 突破传统电测量距离限制，光纤监测终端可任意布置

l 数据精确 每个感测FBG都经过精确的压力和温度标定，精准可靠

l 施工方便 接续注浆简单，工人现场简单培训后每天安装4-6个钻孔

l 皮实可靠 探头和光缆加强保护，抗垃抗压抗捧， 耐高温高湿工况

l 成功率高 极高的安装成功率，大幅降低施工成本，提高应用效能

 

应用领域

l 能源、交通、矿业、水电、核设施等领域相关岩土工程

l 地下工程建设过程中扰动应力实时监测预警

l 重要地下工程运维过程地应力长期测量与监测预警

l 地球物理基础科研， 如活动断裂带地应力分布长期变化观测分析

l 实验室试样精确标定测试

西北某高铁隧道工程

西南某水电站工程

中国锦屏地下实验室

 

如需进一步了解更多信息，请联系瑞科（广州）仪器科技有限公司。