長期以來，地下工程施工過程中，坍塌事故時(shí)有發(fā)生，給國家和人民造成了巨大的損失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在造成地下工程坍塌事故的諸多原因中，地下工程頂板冒頂事故所占比例較高，事故死亡人數(shù)較多，這主要是冒頂事故難以有效防控而導(dǎo)致的。

地下工程施工的地質(zhì)體，正常情況下在重力和擠壓的狀態(tài)下處于地應(yīng)力平衡狀態(tài)，但是隨著人工施工，比如爆破、盾構(gòu)等，打破了地應(yīng)力平衡，對(duì)地應(yīng)力造成擾動(dòng)，使得地應(yīng)力重新分布，不可控釋放，從而導(dǎo)致地質(zhì)體變形和塌方。

行業(yè)痛點(diǎn)：

缺乏地應(yīng)力有效測(cè)量和評(píng)估，不能科學(xué)有效指導(dǎo)施工，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

 

現(xiàn)狀：國內(nèi)外對(duì)于開挖（采）過程中擾動(dòng)應(yīng)力的分布及其規(guī)律尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，僅局限于理論和數(shù)值模擬方面。若沒有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐，軟件模擬難以進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)越多，模型越準(zhǔn)確。

因此，原位測(cè)試是不可或缺的重要手段，是圍巖應(yīng)力狀態(tài)以及隧道施工開挖變化規(guī)律以及控制其力學(xué)行為的重要基礎(chǔ)。

目前，對(duì)于地應(yīng)力進(jìn)行原位測(cè)試大多采用進(jìn)口的應(yīng)力解除法空心包體來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但空心包體只能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量而非長期變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)，不能得到掘進(jìn)過程的應(yīng)力變化情況，而且進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，限制了工程上大量應(yīng)用。

        

地應(yīng)力是地下工程圍巖穩(wěn)定性及工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，關(guān)于地下工程作業(yè)安全，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈及大埋深作業(yè)環(huán)境中尤為重要。理想的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)是希望能獲得高可靠性、測(cè)量精準(zhǔn)、施工簡單和能實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測(cè)。

近幾年，由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，瑞科（廣州）儀器科技有限公司代理的光纖三維地應(yīng)力及多參數(shù)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地解決了這個(gè)問題，并在國內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目上成功應(yīng)用。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器探頭、采集解調(diào)終端、通信系統(tǒng)及電源組成。

傳感器部分

地應(yīng)力傳感器探頭技術(shù)特點(diǎn)：

基于光纖光柵的高精度三維地應(yīng)力應(yīng)變張量傳感器（下簡稱傳感器筒）是為滿足巖土工程、采礦工程中地應(yīng)力長期測(cè)試而專門研制的特種應(yīng)力應(yīng)變陣列測(cè)量傳感器，其采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、獨(dú)到的封裝保護(hù)方式、精準(zhǔn)的波長解調(diào)技術(shù)，可以滿足圍巖深部地應(yīng)力應(yīng)變的原位、精確、長期測(cè)量。

傳感器筒基于空心包體測(cè)量原理，結(jié)合并利用光纖光柵傳感技術(shù)本征絕緣、壽命長、易陣列復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，將多個(gè)應(yīng)變花封裝在空心包體的管壁上，傳感器既可以檢測(cè)鉆孔套芯應(yīng)力解除過程中的應(yīng)變響應(yīng)，也可以將傳感器放置鉆孔內(nèi)用混凝土注漿固化后長年測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間變化。

相對(duì)于傳統(tǒng)的單方向應(yīng)力、應(yīng)變或者位移監(jiān)測(cè)，該方法可以精準(zhǔn)獲取巖體內(nèi)的三維應(yīng)變張量信息。典型的，三組應(yīng)變花間隔 120°分布在應(yīng)變桶中間斷面的測(cè)環(huán)上，每個(gè)應(yīng)變花內(nèi)有呈 45°夾角的三個(gè)應(yīng)變傳感器，三組應(yīng)變花實(shí)時(shí)精確測(cè)量彈性筒上不同方位的應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)值。同時(shí)，空心包體管壁上封裝 1 個(gè)溫度傳感器，用來測(cè)試環(huán)境溫度并對(duì)應(yīng)變花進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。

該傳感器發(fā)揮光纖傳感的諸多優(yōu)勢(shì)，具有耐腐蝕、抗電磁干擾、抗地下水、易施工等優(yōu)點(diǎn)，且傳感器和測(cè)試終端距離可以超過數(shù)Km，極大方便現(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)測(cè)，突破傳統(tǒng)電子傳感器的測(cè)試限制，實(shí)現(xiàn)各類地下工程的地應(yīng)力應(yīng)變的長期可靠測(cè)量，對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分析、收斂變形監(jiān)測(cè)、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供精確監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。產(chǎn)品經(jīng)多次迭代優(yōu)化后，容易安裝使用，可靠性高，目前安裝成功率 100%。

地應(yīng)力傳感器分布

特制的光纖光柵串充當(dāng)應(yīng)變敏感元器件。3 個(gè)光纖光柵組合成 1 組三向應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)；3 個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔 120°均布在1個(gè)圓環(huán)上，構(gòu)成一個(gè)應(yīng)變測(cè)環(huán)。具體位置說明：從傳感器尾部看去對(duì)準(zhǔn)尾纖的為應(yīng)變花A，逆時(shí)針方向間隔 120°依次是應(yīng)變花 B、應(yīng)變花 C。在每個(gè)應(yīng)變花中，平行于傳感器筒軸向的光柵編號(hào)為 1，交叉傾斜方向的光柵編號(hào)為2，垂直與軸向的光柵的編號(hào)為 3，三個(gè)光柵同軸向的夾角依次是 0°、45°、90°。具體實(shí)物圖和示意圖如下圖所示：

以單測(cè)環(huán)傳感器為例，說明測(cè)環(huán)、測(cè)點(diǎn)、三向光柵應(yīng)變傳感器的分布

單傳感器筒上 10 個(gè)光纖光柵的波長分配如下所示，在 1528-1568nm 范圍內(nèi)，擬定波長從小到大依次是應(yīng)變花A的A1（FBG1）、A2（FBG2）、A3（FBG3）、應(yīng)變花 B 的 B1（FBG4）、B2（FBG5）、B3（FBG6）、應(yīng)變花 C 的C1（FBG7）、C2（FBG8）、C3（FBG9）和溫度傳感器 T（FBG10）一共 10 個(gè) FBG，以便后續(xù)分析建模和數(shù)據(jù)處理。

單測(cè)環(huán)傳感器為例，說明9個(gè)應(yīng)變傳感器和1 個(gè)溫度傳感器的光譜分布特性

 

接續(xù)方式示意圖

地應(yīng)力傳感器采用鎧裝方式進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，確保光纜可以耐受現(xiàn)場(chǎng)施工的苛刻考驗(yàn)。專用鎧裝線纜直接插拔采集設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)不需熔接就可以直接使用，減輕惡劣施工現(xiàn)場(chǎng)的工作量和難度。采用注漿、接續(xù)一體的管接模式，便于施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整接續(xù)長度或者更換傳感器等，具有施工便利、接續(xù)時(shí)間短、注漿阻力小等優(yōu)勢(shì)，傳感器接續(xù)效果如下圖所示：

地應(yīng)力傳感器接續(xù)方式示意圖

黑色為傳感器，藍(lán)色為接續(xù)注漿一體管，且可以切割任意長度，施工簡便

 

地應(yīng)力傳感器探頭特點(diǎn)

l 空心包體結(jié)構(gòu)，靈敏度高

l 三應(yīng)變花測(cè)量，全向感知

l 精準(zhǔn)溫度標(biāo)定，實(shí)時(shí)溫補(bǔ)

l 光纖無源器件，本征安全

 

技術(shù)參數(shù)

	參數(shù)	指標(biāo)	備注
測(cè) 量 指 標(biāo)	應(yīng)變量程	-3000～+1500με
	應(yīng)變分辨力	0.1με
	溫度范圍	-5～50℃
	溫度精度	0.5℃
	溫度分辨力	0.05℃
敏 感 器 件	單測(cè)環(huán)測(cè)點(diǎn)數(shù)量	3個(gè)	單測(cè)環(huán)9傳感器
	應(yīng)變傳感器夾角	0°、45°、90°
	測(cè)環(huán)數(shù)量	1、2、3、4個(gè)	客戶指定
	測(cè)環(huán)間隔	5～30cm	多測(cè)環(huán)時(shí)
外 觀 尺 寸	測(cè)試感應(yīng)面直徑	50mm	防水耦合處理
	測(cè)試感應(yīng)面長度	350mm
	傳感器直徑	63mm
	傳感器長度	500mm
工 程 應(yīng) 用	尾纖出纖方式	單纖鎧纜
	尾纖長度	10～300m	客戶商定
	出纖材質(zhì)	TPU、PC	3.0mm 鎧裝光纜
	接頭型號(hào)	FC/APC	現(xiàn)場(chǎng)無需熔接
	接續(xù)方式	管式接續(xù)	注漿接續(xù)一體管

 

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了地應(yīng)力光纖傳感以外，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，配備以下光纖光柵傳感器，組成多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)

 

光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)是一種高精密的，有低溫度敏感特性的光纖光柵應(yīng)變傳感器，比其他類型的應(yīng)變計(jì)的溫度系數(shù)低50%以上，加上內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，可大大提高測(cè)試精度，同時(shí)也可作為溫度計(jì)測(cè)溫使用。

 

技術(shù)參數(shù)

 

光纖光柵埋入式應(yīng)變計(jì)

 

光纖光柵埋入式應(yīng)變傳感計(jì)是一種高精密的，有低溫度敏感特性的光纖光柵應(yīng)變傳感器。它可將被測(cè)體本身的溫度特性及傳感器本身的溫度特性通過自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，通過微小的溫度修正后能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)試外力對(duì)被測(cè)體的影響。

 

技術(shù)參數(shù)

參數(shù)	數(shù)值	備注
中心波長	1528-1568 nm
量程	±1000με	可定制
應(yīng)變測(cè)量精度	5‰με  F.S
溫度測(cè)量精度	1°C
工作溫度范圍	-20~90°C
工作標(biāo)距	125mm
溫補(bǔ)方式	內(nèi)置溫補(bǔ)光柵
尺寸	Φ25*150mm
出纖方式	鎧裝光纜	3mm;6mm
連接頭	訂制或熔接

 

光纖光柵水壓（氣壓）計(jì)

用于液體及氣體壓力的監(jiān)測(cè)，適用于長期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝土結(jié)構(gòu)物及土體內(nèi)，測(cè)量結(jié)構(gòu)物或土體內(nèi)部的滲透(孔隙)水壓力，也可通過壓力測(cè)試出水位高低，可根據(jù)客戶要求加工螺口，測(cè)試管道或容器的內(nèi)部壓力。特有的溫度低敏感特性大大降低了溫度對(duì)傳感器測(cè)試的影響，加上內(nèi)置溫度傳感器，可精確地對(duì)溫度變化導(dǎo)致的偏差進(jìn)行補(bǔ)償修正。

技術(shù)參數(shù)

參數(shù)	數(shù)值	備注
中心波長	1528-1568 nm
測(cè)量范圍	0.1~3 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作溫度范圍	-20~80℃
尺寸	?30*110 mm
尾纜	3；6 mm	鎧裝光纜

 

光纖光柵土壓力計(jì)

適用于長期埋設(shè)在土體、水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)，測(cè)量結(jié)構(gòu)物或土體內(nèi)部的壓力，如：大壩、尾礦庫、基坑等。內(nèi)置測(cè)溫光柵，用于溫度測(cè)試及溫度補(bǔ)償。

技術(shù)參數(shù)

參數(shù)	數(shù)值	備注
中心波長	1528-1568 nm
測(cè)量范圍	0.5、1.0、2.0 Mpa	可定制
精度	5‰ F.S
工作溫度范圍	-20~90℃
尺寸	?150*20 mm

 

光纖光柵溫度計(jì)

溫度傳感器是一種高精密的，可進(jìn)行多個(gè)傳感器串接組網(wǎng)后使用的傳感器。它有體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，不易損壞，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可使用在隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)，油管測(cè)溫，混凝土埋入測(cè)溫及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)境下。其有多種封裝形式，可在不同環(huán)境下應(yīng)用。

技術(shù)參數(shù)

參數(shù)	指標(biāo)	備注
中心波長	1528-1568 nm
測(cè)量范圍	-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
出纖方式	鎧裝光纜	3mm;6mm

 

采集解調(diào)終端

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集解調(diào)終端采用光纖光纖光柵解調(diào)儀，共有三個(gè)不同的型號(hào)，分別是機(jī)架式光纖光柵解調(diào)儀、加強(qiáng)定制型光纖光柵解調(diào)儀和便攜式光纖光柵解調(diào)儀。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵。當(dāng)寬頻譜的激光源入射到光纖光柵時(shí)，光纖光柵對(duì)應(yīng)的波長就會(huì)被反射，光纖光柵解調(diào)儀就是利用這一原理準(zhǔn)確測(cè)量光纖光柵反射波長的儀器。其核心工作就是對(duì)光柵的光譜進(jìn)行尋峰計(jì)算，得到中心波長后反算物理量如應(yīng)變、溫度、壓力等數(shù)值。

光纖光柵的基本原理及整個(gè)系統(tǒng)的工作原理

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品采用當(dāng)今最先進(jìn)的光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)，固件采用模塊式設(shè)計(jì)，方便客戶根據(jù)不同需求、工程特點(diǎn)配置適合的測(cè)量通道、軟件功能；整機(jī)具有可靠性高、使用方便、實(shí)時(shí)通信等優(yōu)點(diǎn)。

 

機(jī)架式光纖光柵解調(diào)儀是可調(diào)諧激光多通道解調(diào)設(shè)備，采樣頻率范圍廣，可測(cè)試各類變量傳感器，通道數(shù)目最高可達(dá) 16 個(gè)，可并行連接多至 512 個(gè)光纖光柵傳感器，滿足超大規(guī)模光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)使用，支持 19 寸機(jī)架安裝。設(shè)備自帶電容觸摸屏，支持鍵盤鼠標(biāo)、手指操控和遠(yuǎn)程桌面等各種操作方式。通信方式兼容性強(qiáng)，支持多種通訊協(xié)議（UDP,Modbus,485），主從設(shè)備通訊便捷。

16 通道機(jī)柜網(wǎng)絡(luò)一體型解調(diào)設(shè)備

加強(qiáng)定制型光纖光柵解調(diào)儀根據(jù)客戶的需求，如抗電磁干擾、防水防塵、抗震、無線傳輸?shù)雀鞣N要求，采取定制化的方案，對(duì)機(jī)箱加固、密封、防腐、抗震等專門進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)等特種環(huán)境的高性能穩(wěn)定工作。

加強(qiáng)定制型光纖光柵解調(diào)儀

便攜式光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)精巧，使用靈活，操作簡便，適合工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)測(cè)試。該系統(tǒng)集成光纖傳感器波長和功率光譜數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)于一體，可廣泛用于各類工程的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

8 通道工程現(xiàn)場(chǎng)便攜式光纖光柵解調(diào)儀

 

采集解調(diào)終端

l 便攜解調(diào)終端，極低功耗、便于攜帶

l 臺(tái)式解調(diào)終端，多路通道、性能強(qiáng)悍

l 配套軟件專業(yè)，功能齊全、操控簡單

l 多種通信方式，數(shù)據(jù)云傳、遠(yuǎn)程躁控

 

技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目	性能參數(shù)或功能	備注
解調(diào)范圍	1528～1568nm
解調(diào)精度	±1pm
解調(diào)速度	1Hz、2Hz、1000Hz
通道個(gè)數(shù)	4、8、16	最多32
波長穩(wěn)定性	1pm@24h	部分達(dá)到0.3pm
分辨力	0.1pm
功耗	小于80W	便攜式小于10W
通信方式	RJ45 RS232 USB	可選配光纖傳輸方式
操作系統(tǒng)	Windows	Win10 系統(tǒng)
操作方式	鍵盤鼠標(biāo)、手指觸摸、遠(yuǎn)程桌面	10寸電容屏、操控精準(zhǔn)、可外接鍵盤鼠標(biāo)
光纖接口	FC/APC
供電方式	AC220V/12V	便攜式可提供12V充電寶、自持5小時(shí)
應(yīng)用功能	數(shù)據(jù)查詢、圖表顯示	數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、云功能可以定制

 

可靠的標(biāo)定過程和數(shù)據(jù)

傳感器具備應(yīng)變精確測(cè)量的能力，應(yīng)變測(cè)量精度1微應(yīng)變，測(cè)量范圍 5000 微應(yīng)變，且具備實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)哪芰?。傳感器?jīng)過特殊的材料選擇和工藝方法以及穩(wěn)定性處理手段，其長期穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于常規(guī)應(yīng)變傳感器。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)具備全鏈條設(shè)計(jì)能力，掌握關(guān)鍵技術(shù)和校準(zhǔn)標(biāo)定手段，關(guān)鍵測(cè)量儀器都有CNAS認(rèn)證證書且在有效期內(nèi)，確保科研成果中的每個(gè)應(yīng)變傳感器都精準(zhǔn)的參數(shù)，以確?？蛻舻玫娇煽康?、經(jīng)得起檢驗(yàn)的真實(shí)原位數(shù)據(jù)。如下圖所示傳感器對(duì)應(yīng)變和溫度的響應(yīng)曲線，該圖表和原始數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料同步交付給用戶，便于后期精確計(jì)算：

均布載荷壓力驗(yàn)證及溫度標(biāo)定過程

 

現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)應(yīng)用示意圖

團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高可靠雙電源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)自持時(shí)間超過 1 周；系統(tǒng)可以通過光纜、網(wǎng)線、無線等方式進(jìn)行實(shí)施通訊，通信協(xié)議可以按照用戶的需求進(jìn)行定制，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送云端并進(jìn)行顯示、報(bào)警能力。

 

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

l 選址方便 突破傳統(tǒng)電測(cè)量距離限制，光纖監(jiān)測(cè)終端可任意布置

l 數(shù)據(jù)精確 每個(gè)感測(cè)FBG都經(jīng)過精確的壓力和溫度標(biāo)定，精準(zhǔn)可靠

l 施工方便 接續(xù)注漿簡單，工人現(xiàn)場(chǎng)簡單培訓(xùn)后每天安裝4-6個(gè)鉆孔

l 皮實(shí)可靠 探頭和光纜加強(qiáng)保護(hù)，抗垃抗壓抗捧， 耐高溫高濕工況

l 成功率高 極高的安裝成功率，大幅降低施工成本，提高應(yīng)用效能

 

應(yīng)用領(lǐng)域

l 能源、交通、礦業(yè)、水電、核設(shè)施等領(lǐng)域相關(guān)巖土工程

l 地下工程建設(shè)過程中擾動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警

l 重要地下工程運(yùn)維過程地應(yīng)力長期測(cè)量與監(jiān)測(cè)預(yù)警

l 地球物理基礎(chǔ)科研， 如活動(dòng)斷裂帶地應(yīng)力分布長期變化觀測(cè)分析

l 實(shí)驗(yàn)室試樣精確標(biāo)定測(cè)試

西北某高鐵隧道工程

西南某水電站工程

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室

 

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