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- 光纤布拉格光栅(FBG) 在隧道施工监测中的应用
FBG 是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λB 与纤芯的有效折射率neff 和刻制的栅距（周长）Λ 有关，即
λB = 2neff Λ ， (1)
应变和温度是两个能直接引起λB 产生漂移的物理量（见图1）。在拉、压应变作用下引起的中心波长漂移BS Δλ 可表示为
BS B e Δλ = λ (1 − P )Δε ， (2)
式中，Δε 是轴向应变，Pe 为有效光弹系数；由于光纤材料的热膨胀和热光效应所引起的中心波长漂移ΔλBT可表示为
BT BΔλ = λ (α +ζ )ΔΤ ， (3)
式中，α 为热膨胀系数，ζ 为热光系数。FBG 的中心波长漂移ΔλB 可由式（2）和式（3）叠加表示为
BT B e B Δλ /λ = (1− P )Δελ (α +ζ )ΔΤ ， (4)
当ΔλB<<λB，式（4）可以简化为
B T λ K ε K T ε Δ = ⋅Δ + ⋅Δ ， (5)
式中，Kε 为应变传感灵敏度系数，KT 为光纤光栅温度传感灵敏度系数。对于纤芯为纯石英的光纤情况Kε 为1 pm/με 左右，KT 为10 pm/℃左右。由于光纤材质，写入工艺和封装材料都会影响FBG 的Kε 和KT 的大小，FBG 传感器在应用前必须对以上参数进行标定。FBG 中心波长的获取是FBG 解调技术的关键，干涉法、滤波法、可调窄带光源法和色散法等解调方法的提出大大提高了FBG 中心波长的提取速率和精度，现今工程界通用的FBG 解调仪波长解调精度达1 pm，信号提取速率为数百Hz，足以满足一般工程的测试要求。
图1 FBG 测试原理图
FBG 采用波长编码，这不仅使系统免受噪声和功率波动的干扰,也容易实现在同一根光纤的任意位置上写入不同中心波长的FBG 进行波分复用（WDM）（见图1），并可根据实际需求利用分光器件、光开关、光回路器等光学元件集成多个支路上的FBG 一起并用的空分复用（SDM）及不同位置上相同中心波长的FBG 串用的时分复用（TDM）网络，也可将几种复用技术一起混用集成大型传感网络系统。
某在建隧道主体埋深17.5～30.1 m，穿越地层主要为风化的白垩系上统的泥质粉沙岩，局部进入第四系松散层。结合实际围岩条件，选用台阶法进行先拱顶、再侧帮、后仰拱的分步爆破开挖。初期支护采用钢拱架挂钢筋网后喷射混凝土，变形稳定后进行二衬支护。为了掌握初衬的应力、应变在整个开挖过程中的变化规律，探讨支护体与围岩间相互作用过程，评价支护效果、围岩应力大小及为下一步施工提供指导依据，试用了改进后的FBG 传感器对该隧道施工时喷射混凝土的应变、温度及拱架主筋的内力进行了监测。
本次监测研究共设2个监测断面，每个断面铺设6－8个FBG钢筋应力计监测支护拱架主筋的内力，2个FBG混凝土应变计测试喷射混凝土的应变，1个FBG温度传感器测试混凝土的温度变化，为其他传感器温度补偿作参照。
图2 监测断面传感器布置图
该断面支护钢拱架主筋应力和混凝土应变监测结果表明：
a）该断面初衬混凝土应变和拱架主筋内力监测值都较小，混凝土应变在50～200 με，拱架主筋的内力也只有10～20 kN，说明该断面初衬支护体结构安全，围岩作用相对较小。一方面因为监测断面处隧道埋深较浅，围岩应力较小；另一方面该处围岩为弱风化的泥质粉砂岩，成拱后承担其部分自重压力。
b）拱顶的变形和内力整体较侧帮支护体大，但是都在6月10日后基本趋稳，可以进行二衬支护。
c）分步式台阶开挖过程对先期支护结构影响较大：侧帮开挖时加大扰动范围的同时也使得拱顶松动下沉，待侧帮支护后围岩作用力又逐渐增大，表现出拱顶应变出现短暂回弹后又增加的现象；仰拱开挖时
先期支护拱圈再次下沉而松动，待断面封闭再向前推进，支护体内力因围压部分转移而有所减小并趋稳。可以看出，侧帮开挖对先期支护产生的威胁最大，底部开挖浇注封闭后加快了松动围岩的稳定。
d）根据以上分析，该隧道可通过减小每级台长，尽早封闭支护拱圈来减小开挖对围岩造成的松动。