CN101738693A - 混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法，包括如下步骤：A)检查、清洗混凝土内部预埋的光纤管道；B)通过光纤气吹口向光纤管道内吹入传感光纤；C)选取一个灌浆段，将浆料注入其灌浆口，当浆料注满该灌浆段后，关闭该灌浆段的出浆口，在灌浆段内压力1.0MPa～1.5MPa下保持3～5分钟，使传感光纤固定在光纤管道内；D)循环操作步骤C)直至完成所有灌浆段的灌浆。本发明实现了长距离分布式传感光纤的快速、无损铺设，解决结构监测领域无法将分布式传感光纤埋入混凝土内部的难题，使分布式光纤传感技术更有效监测结构应变和温度，实现了结构长期、稳定的健康监测。

Description

混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测领域，尤其涉及一种混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法。

背景技术

分布式光纤传感技术根据布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，当光纤沿线应变或温度发生变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移。频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。分布式光纤传感技术属于目前国际上最前沿的尖端技术，它与传统监测技术相比具有如下优点：

(1)分布式：如将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率。

(2)长距离：现代的大型或超大型结构通常为数公里到数十公里，如隧道、大型桥梁、地铁等，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设既作为传感介质又作为传输体的光纤就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。

(3)耐久性：传统的土木工程应变监测一般采用应变片，由于应变片易受潮湿失效，不能满足大型工程长期监测的需要。而光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性。

(4)抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入传感光纤。

(5)轻细柔韧：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。

光纤作为应变、温度信号获取和传递的介质，具有精巧、纤细等特点，将分布式传感光纤粘贴在结构物表面难以得到在结构服役年限内可靠的监测数据，且光纤容易受到后期施工的破坏，将光纤传感器埋入环境相对稳定的混凝土内部可实现结构长期健康监测。将光纤传感器铺设到长达数百米甚至数公里的大型基础工程内部一直是工程应用中面临的关键问题。通信领域中采用气吹法可实现光纤的长距离铺设，然而土木工程健康监测领域中要求埋入的母管一方面能抵抗混凝土浇注过程中的冲击力，另一方面不能影响结构物的力学性能，因此选用小直径的硬质光纤管道，且光纤管道需依据结构物形状布置往往有很大转角，气吹阻力较大。应变传感光纤要求能有效的传递结构应变，因此不能采用通信领域中普遍采用的硬质护套层的光纤，传感光纤需为质地柔软的小直径紧套光纤。

真空辅助灌浆技术采用前吸(真空泵)后压(压浆机)的方法将水泥浆灌入预埋管道，该技术在预应力混凝土施工中应用广泛，属于大直径管道的短距离灌浆。然而敷设传感光纤的光纤管道直径仅为16mm，一次性灌浆长度要求100m～200m，且要保证铺设在其内部的玻璃质传感光纤完好无损。小直径、长距离光纤管道的灌浆过程中灌浆料和光纤管道内壁之间将产生很大的摩擦阻力，且摩擦引起的热量将显著降低灌浆料的流动性，因此，目前尚无法将敷设有传感光纤的长距离光纤管道灌浆密实，实现分布式长距离传感光纤的固定。

发明内容

本发明提供一种混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法，不仅施工便捷，而且解决了目前土木工程健康监测领域无法将分布式传感光纤埋入混凝土内部的难题，实现混凝土内部分布式传感光纤的长距离无损铺设。

一种混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法，包括如下步骤：

A)检查、清洗混凝土内部预埋的光纤管道，所述的光纤管道预留若干光纤气吹口，整个光纤管道分为若干灌浆段，每一个灌浆段均预留灌浆口和出浆口；

B)通过光纤气吹口向光纤管道内吹入传感光纤；

C)选取一个灌浆段，将浆料注入其灌浆口，当浆料注满该灌浆段后，关闭该灌浆段的出浆口，在灌浆段内压力1.0Mpa～1.5Mpa下保持3～5分钟，使传感光纤固定在光纤管道内；

D)循环操作步骤C)直至完成所有灌浆段的灌浆。

所述的光纤管道通过弧形的过渡段实现连接，该过渡段所在的灌浆段完成灌浆后，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离，再将处于过渡段部位的光纤收纳。

在浆料处于初凝期后、终凝期前，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离。

步骤B)中，吹入光纤前在光纤管道内壁涂敷润滑剂。涂敷润滑剂时，将外表涂有润滑剂的由弹性材料制成的第一引导部件气吹通过光纤管道，使润滑剂涂敷在光纤管道内壁。所述的第一引导部件为海绵制成的部件，其形状并没有严格限制，但至少可以通过光纤管道并与光纤管道内壁有所接触，优选采用海绵球。

步骤B)中，向光纤管道内吹入传感光纤时光纤的端部安装牵引部件，气吹弹性材料制成的第二引导部件使其通过牵引部件与光纤管道内壁的间隙，用以调整牵引部件的角度及位置。所述的第二引导部件为海绵制成的部件，其形状并没有严格限制，但至少可以通过牵引部件与光纤管道内壁的间隙。

步骤C)中，浆料通过浆料输入管进入光纤管道，该浆料输入管设有压力调节支路，所述的浆料配合比为水泥∶水∶高效减水剂(FDN型)∶缓凝剂(MNC-HH)∶膨胀剂(UEA-8)∶引气剂(MNC-AE2)＝1000g∶400g∶11g∶2g∶80g∶0.15g。

步骤C)中，浆料输入管内的浆料压力为0.5Mpa～1.5Mpa。

步骤C)中，灌浆前，用水将灌浆段内壁润湿。

步骤C)中，将浆料注入其灌浆口时，在出浆口抽真空，即采用真空辅助灌浆技术。

为将长距离分布式传感光纤埋入混凝土内部，在主体混凝土浇注过程中将光纤管道埋入混凝土内部。工程结构如隧道、冷却塔等光纤管道布置需采用环形布置，因此纵横交错光纤管道需通过预埋线盒连接成整体监测网络。同时，不同于通信领域，土木工程施工属于粗放性施工，预埋光纤管道难以避免出现损伤。本发明针对各种损伤提出了相应的处理方法，如采取备用光纤管道、施工过程光纤管道实时气吹检查、气吹第一引导部件润滑管道壁、气吹第二引导部件调整牵引部件方向及角度等措施。

在正式气吹敷设传感光纤前需检查线路的连通情况，采用在预埋光纤管道一端气吹弹性材料制成的海绵球，如果海绵球能从光纤管道另一端弹出则说明线路良好。每段线路检查完成后将各段光纤管道通过快速气动接头连接，再次从光纤管道一端气吹海绵球，直至从光纤管道另一端弹出的海绵球洁净，完成光纤管道清洗。

完成线路检查、清洗及连接后，根据光纤外径，选取对应的管塞、缆塞。为减小光纤和管壁之间的摩擦，将适量的润滑剂加入光纤管道内，然后气吹入第二引导部件，用高压气体推动第二引导部件贯通整个管道，使润滑剂均匀地涂抹在管道的内壁上。

将光纤穿过缆塞、气吹机的驱动仓直至光纤管道，再在光纤端部安装合适的牵引部件(子弹头)，减小端部弯折的可能。

用手将气吹机内的微缆来回抽动，检查气吹机内驱动轮和压缆轮是否对光纤产生足够的摩擦力，将气吹机合拢正式气吹。打开空气压缩机，通知出缆端操作人员开始送气，打开气吹机马达，控制合适的气吹速度。当光纤至光纤管道端部时降低速度，并通知终端操作人员光纤将至。光纤到达后，继续气吹，并进行盘线整理光纤，该位置作为下一个吹纤口继续完成下一段光纤的气吹铺设。

在长距离分布式传感光纤气吹敷设过程中，预埋光纤管道转角过大、光纤管道压扁弯折等现象均会造成气吹光纤受阻。可通过再次气吹第二引导部件以增加光纤端部的牵引力，使光纤顺利穿过光纤管道压扁弯折处。同时也可调整一次性气吹长度，在线盒处将气动接头打开，在该位置倒盘作为新的气吹起点。

将各敷设有传感光纤的光纤管道通过气动接头连接，保证连接牢固及良好的密实性。安装光纤管道灌浆口及出浆口，在灌浆口设置灌浆压力调节支路，防止灌浆时压力过大破坏连接的气动接头，并用软木塞和紧固器固定出口端传感光纤。正式灌浆前，在出浆口连接真空泵并关闭灌浆口阀门检查线路的密实性。线路密实性满足要求后，拆除出浆口的真空泵并在灌浆口往光纤管道内部灌水以湿润整个管道，以免干燥的光纤管道引起浆体的流动性的大幅度下降无法达到预期灌浆长度。

完成灌浆前的准备工作后将真空泵再次连接到出浆口并试吸真空：关闭压浆端阀门，仅开通抽真空端和真空泵上的阀门，启动真空泵约10分钟，真空负压力达到约-0.08MPa，关闭真空泵。然后启动压浆机，压出残存在压浆机及喉管内的水分、气泡，并检查所排出的浆体的稠度，待满意的浆体从喉管排出后，暂停压浆机，并将压浆喉管通过快换接头接到光纤管道灌浆端的快换接头上。保持真空泵运作状态，开启压浆端阀门，并将已搅拌好的浆料往管内压注，待灌浆料从出浆端往负压容器的透明喉管压出时，检查压出浆体的稠度，直至稠度较浓且流动顺畅后，关闭出浆端阀门，暂停压浆机，在此过程中控制压力调节支路出浆量的大小使得光纤微管内的压力保持在1.0Mpa～1.5Mpa左右。完成整条光纤管道灌浆后再次开动压浆机，保持压力在1.0Mpa并持压3分钟，最后关闭压浆机及压浆端阀门，完成整个灌浆过程。在浆料处于初凝期后、终凝期前，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离，再将处于过渡段部位的光纤收纳。

使用灌浆装置完成敷设有传感光纤的长距离光纤管道的灌浆，灌浆装置包括压浆机，真空泵及本发明设计的灌浆口和出浆口。灌浆口及出浆口由一系列球阀、镀锌钢管、铝塑复合管、变径接头、直接接头组成，并使用橡胶塞和紧固件固定传感光纤及封闭灌浆线路。灌浆过程中采用侧向灌浆的方式及设置压力调节支路来缓解和控制灌浆压力，防止压力过大造成灌浆堵塞或连接用气动接头破坏。

本发明实现了长距离分布式传感光纤的快速、无损铺设，解决结构监测领域无法将分布式传感光纤埋入混凝土内部的难题，使分布式光纤传感技术更有效监测结构应变和温度，实现了结构长期、稳定的健康监测。

附图说明

图1为隧道内预埋光纤管道的布置图。

图2为光纤管道通过弧形的过渡段实现转折的示意图。

图3为本发明铺设方法中进行气吹时的设备布置示意图。

图4为本发明铺设方法中进行灌浆时的设备布置示意图。

图5为灌浆段的灌浆口部位的结构示意图。

图6为灌浆段的出浆口部位的结构示意图。

具体实施方式

光纤管道铺设

某高速公路隧道全长790m，光纤管道的走向布设如图1所示，其中可分为环向分布式传感光纤管道1以及为连接各环向传感光纤管道1的纵向传感光纤管道2，环向传感光纤管道1和纵向传感光纤管道2的连接部位可参见图2所示。

光纤管道采用内径12mm、外径16mm的铝塑复合管，选用的传感光纤直径为3mm。

光纤管道预留若干光纤气吹口，整个光纤管道分为若干灌浆段，每一个灌浆段均预留灌浆口和出浆口；光纤气吹口也可以作为灌浆口和出浆口使用。

环向传感光纤管道1和纵向传感光纤管道2的连接部位存在较大转角，气吹难道大，同时为控制整个线路的光损，需尽量减少熔接接头数量，因此每卷传感光纤需连续气吹。在隧道主体施工过程中，已经将用于气吹的光纤管道预埋在二衬混凝土内部，并固定在线盒内部。参见图2，图中可见环向传感光纤管道1和纵向传感光纤管道2均通入预埋线盒3，环向传感光纤管道1的端头与纵向传感光纤管道2的端头分别通过活接4a和活接4b与弧形的过渡段光纤管道5在转折部位连接。

清洗、检查

用空气压缩机在光纤管道内部气吹空气以检查光纤管道是否存活，然而传感光纤直径为3mm，如果管道弯折程度较为严重则将卡住光纤，无法完成气吹工序。因此在正式气吹之前，需用空气压缩机气吹海绵球，检查光纤管道的完好程度。

气吹光纤

隧道主体施工历经一年，长期灰尘、潮湿施工环境使得前期铺设的光纤管道存在大量进灰、进水等现象，这都将增大气吹的摩擦阻力，因此在正式气吹之前需用第二引导部件和特制润滑剂清洗光纤管道。将外表涂有润滑剂的第二引导部件气吹通过光纤管道，使润滑剂涂敷在光纤管道内壁。

光纤在气吹过程中是通过高压的空气将光纤铺设到光纤管道内部，因此需将光纤管道连接成一个封闭环境。各光纤管道都固定在线盒内部，为使曲率半径较大以减小气吹压力，通过长为1m的连接管5连接环向传感光纤管道1与纵向传感光纤管道2。

本发明铺设方法中进行气吹时的设备布置如图3所示，气吹过程中利用空气压缩机6产生高压气体，由光缆气吹机8将传感光纤7气吹入预埋在隧道二衬混凝土内部的光纤管道9内。

局部的光纤管道由于在施工过程中常受人为踩踏等影响，弯折较为明显。光纤端部牵引部件容易卡在光纤管道内部，使得气吹阻力增加，一旦光纤顺利通过弯折位置，气吹将重新变得顺畅，不再影响后续气吹。因此在该位置选择打开活接4a、活接4b并手动牵引光纤，使其顺利通过弯折位置，完成整段线路的传感光纤气吹。每捆传感光纤长度为500m，如气吹长度没有达到整卷长度则在线盒3处打开活接4a、活接4b，将光纤盘绕在此并作为新的气吹起点10。

由于光纤管道个别位置弯折较大，造成光纤端头的牵引部件卡在管径变化处，采用常规的气吹工序无法将卡住的传感光纤通过管径变化处。因此本发明通过在光纤管道内多次气吹第一引导部件，调整牵引部件方向和角度，且在光纤端部增加局部牵引力，使光纤能顺利通过管径变化处。

按照本发明的气吹方法，将长约1.3km的分布式传感光纤气吹入预埋在该隧道内的光纤管道，采用光纤分析仪OTDR测量光纤的长度及损耗，仪器显示长度为1.3km，光纤未出现明显损耗。

灌浆管线连接

参见图4、5、6，隧道二衬混凝土内部光纤管道15预埋在二衬混凝土内部，每段长度(是指每条环向光纤管道)可根据结构性质确定，每段之间通过接头连接。

灌浆口12连接：灌浆口12的设计及连接保证灌浆成功的关键，其中浆体流入口端：有用于调解压浆机11出浆浓度的六分球阀28a、六分开丝镀锌钢管和快速活动接头27组成的系统连接到压浆机端口，并通过用于封闭及打开灌浆线路的六分球阀28b及变径接头26连入用于分流与解压的四分镀锌钢管三通接头25。压力调节支路：用于控制回流浆体速度及整个线路压力的四分球阀30、四分镀锌管、四分铝塑管直接29a、四分铝塑管直接29b及合适长度铝塑管连入四分镀锌钢管三通接头25。传感光纤固定装置：传感光纤31穿过剖开后橡胶塞25，并用紧固件24将其固定在铝塑管内部。浆体流入端、压力调节支路及传感光纤固定装置各自完成连接后接入铝塑管三通接头22以形成整个完整的灌浆口装置。

出浆口13连接：出浆口装置包括浆体流出端及传感光纤固定装置。其中浆体流出端：用于封闭及打开线路的六分球阀32、开丝镀锌钢管33、变径接头34及四分镀锌管直接35连入用于分流的四分镀锌钢管三通接头36。传感光纤固定装置：传感光纤39穿过剖开后橡胶塞37，并用紧固件38将其固定在铝塑管内部。浆体流入端及传感光纤固定装置各自完成连接后接入四分镀锌钢管三通接头36以形成整个完整的出浆口装置。

气密性检查：在正式真空辅助压浆前，用真空泵14试吸真空：关闭压浆端阀门28b，仅开通抽真空端阀门32，启动真空泵14约10分钟，真空负压力表17达到约-0.08MPa，关闭真空泵14，保压2分钟，真空负压力下降很小(约-0.004MPa)，表明孔道密封良好。

光纤管道湿润

拆除出浆口的真空泵14并在灌浆口使用压浆机11往光纤管道内部灌水以湿润整个管道，以免干燥的光纤管道引起浆体的流动性的大幅度下降无法达到预期灌浆长度。

浆体拌制及性能测定

拌浆前先加水空转2min，使搅拌机充分湿润，倒净积水，然后将称量好的水倒入搅拌机，再加入添加剂和水泥，配合比如下为水泥∶水∶高效减水剂(FDN型)∶缓凝剂(MNC-HH)∶膨胀剂(UEA-8)∶引气剂(MNC-AE2)＝1000g∶400g∶11g∶2g∶80g∶0.15g，搅拌5min，最后将浆体倒入罩有过滤网的储浆筒20，同时为保证浆体流动度保持在220mm～280mm之间，需不断搅拌浆体。如发现测得的浆体由于时间原因无法达到要求的流动度，需放弃该浆体，不允许再加水搅拌，否则容易造成浆体离析，并采用锥形圆模测量浆体的流动性。

光纤管道灌浆

启动压浆机11，压出残存在压浆机11、压浆管内18、浆体回流管19中的水分、气泡，并检查所排出的浆体的稠度，待满意的浆体从喉管排出后，暂停压浆机11，并将压浆管通过快速活动接头27接到光纤管道灌浆端的快换接头上。保持真空泵14运作状态，开启压浆端六分球阀28a、六分球阀28b，并将已搅拌好的浆料往管内压注，且采用压力调节支路阀门30控制灌浆压力表16读数在1.0MPa～1.5MPa。待灌浆料从出浆端往负压容器的出浆管21压出时，检查压出浆体的稠度，直至稠度较浓且流动顺畅后，关闭出浆端的四分球阀30，暂停压浆机11，完成压浆。

再次打开压浆机11及压浆端六分球阀28a、六分球阀28b，保持压力在1.0Mpa并持压3分钟，最后关闭压浆机11及压浆端六分球阀28b，完成压浆密实。注浆完成后拆除同灌浆机11和真空泵14直接相连的接头等装置，并及时清洗，以便下次使用。在浆料处于初凝期后、终凝期前，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离，再将处于过渡段部位的光纤收纳，以用于后续隧道健康监测时使用局部加热方式将传感光纤定位到隧道二衬混凝土。

Claims (9)

1.一种混凝土内部分布式传感光纤的铺设方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)检查、清洗混凝土内部预埋的光纤管道，所述的光纤管道预留若干光纤气吹口，整个光纤管道分为若干灌浆段，每一个灌浆段均预留灌浆口和出浆口；

B)通过光纤气吹口向光纤管道内吹入传感光纤；

C)选取一个灌浆段，将浆料注入其灌浆口，当浆料注满该灌浆段后，关闭该灌浆段的出浆口，在灌浆段内压力1.0Mpa～1.5Mpa下保持3～5分钟，使传感光纤固定在光纤管道内；

D)循环操作步骤C)直至完成所有灌浆段的灌浆。

2.如权利要求1所述的铺设方法，其特征在于，所述的光纤管道通过弧形的过渡段实现转折，该过渡段所在的灌浆段完成灌浆后，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离。

3.如权利要求2所述的铺设方法，其特征在于，在浆料处于初凝期后、终凝期前，将过渡段的管道壁及内部的浆料剥离。

4.如权利要求1所述的铺设方法，其特征在于，步骤B)中，吹入光纤前在光纤管道内壁涂敷润滑剂。

5.如权利要求4所述的铺设方法，其特征在于，步骤B)中，涂敷润滑剂时，将外表涂有润滑剂的由弹性材料制成的第一引导部件气吹通过光纤管道，使润滑剂涂敷在光纤管道内壁。

6.如权利要求1所述的铺设方法，其特征在于，步骤B)中向光纤管道内吹入光纤时，光纤端部安装牵引部件，气吹弹性材料制成的第二引导部件使该第二引导部件通过牵引部件与光纤管道内壁的间隙，用以调整牵引部件的角度及位置。

7.如权利要求1～6任一项所述的铺设方法，其特征在于，步骤C)中，浆料通过灌浆管进入光纤管道，该浆料输入管设有压力调节支路。

8.如权利要求78所述的铺设方法，其特征在于，步骤C)中，浆料输入管内的浆料压力为0.5Mpa～1.5Mpa。

9.如权利要求8所述的铺设方法，其特征在于，步骤C)中，灌浆前，用水将灌浆段内壁润湿。

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