第29卷第11期 岩 土 力 学 V ol.29 No.11 2008年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2008
文章编号：1000－7598－(2008) 11－3161－04
光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用
林传年13，刘泉声2，高 玮2，肖春喜2
，
（1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；
3. 湖北省沪蓉西高速公路建设指挥部，湖北 恩施 445000）
摘 要：在简述了光纤Bragg 光栅传感器基本工作原理的基础上，通过沪―蓉―西高速公路龙潭隧道支护锚杆轴力监测的工程应用，探讨研究了光纤传感技术用于岩土工程监测的几个重要环节——传感器选择、传感器安装、传感器标定及传感器埋设。通过现场监测获得了复杂地质条件下特长隧道支护锚杆轴力的变化特性，为光纤传感技术在岩土工程监测领域的应用积累了一定的经验。
关 键 词：光纤传感技术；光纤Bragg 光栅；隧道；锚杆轴力；监测 中图分类号：TP 212 文献标识码：A
LIN Chuan-nian1, 3, LIU Quan-sheng 2, GAO Wei 2, XIAO Chun-xi 2
Application of fiber optical sensing technology to
monitoring axial forces of anchor bolts
(1. School of Civil Engineering & Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics
and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;
3. Hu-Rong Expressway West Section Construction Headquarters of Hubei Province, Enshi 445000, China)
Abstract: The basic principle of fiber Bragg grating sensor is described. Through engineering application of fiber Bragg grating sensor to monitoring axial forces of anchor bolts for Longtan tunnel of Hu-Rong Expressway West Section, some important aspects of fiber optical sensing technology applications to geotechnical engineering monitoring, which are selection of sensors, installation of sensors, calibration of sensors and embedding of sensors, et al, are discussed. Through local monitoring, the characteristics of axial forces of anchor bolts are obtained. And some useful experiences with application of fiber optical sensing technology to geotechnical engineering are summarized.
Key words: fiber optical sensing; fiber Bragg grating(FBG); tunnel; bolt axial force; monitoring
1 引 言
目前国内在岩土工程监测中普遍采用传统的机电测试技术，但这些测试技术由于受到岩土工程特定因素的限制而不能发挥其特长，甚至难以满足岩土工程测试的要求。近几年来，随着光纤传感技术的问世，已在桥梁、大坝、隧道、建筑、公路等岩土工程的安全运行监测中得到了广泛的应用[1−5]， 光纤传感技术也越来越受到岩土工程界的关注。
与传统的传感器相比具有很多优势，因此其应用范围非常广泛。目前光纤应变传感器的主导产品是光纤Bragg 光栅，它是一种用紫外激光直接在单模光纤上刻有沿光纤轴向折射率变化光栅的新型光纤器件。光纤Bragg 光栅（fiber bragg grating，FBG ）传感技术[5
，6]
是通过对在光纤内部写入的光栅反射或
透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图1所示。
光纤Bragg 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n eff 任何使这2个参量发生改变的物理过程都将引起光纤Bragg 光栅波长的漂移，在所有引起光纤Bragg 光
2 光纤Bragg 光栅传感原理
光纤传感器能以高分辨率测量许多物理参数，
收稿日期：2006-12-14
基金项目：交通部西部交通建设科技项目“沪蓉国道主干线龙潭特长隧道特殊地质条件下的关键技术研究”（No.[1**********]8）。
作者简介：林传年，男，1966年生，博士，1985年毕业于武汉地质学院水文地质专业，北京交通大学隧道中心在站博士后，主要从事隧道工程、地质工程方面的研究工作。E-mail: [email protected]
3162 岩 土 力 学 2008年
栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有光弹效应使得有效折射率n eff 也随外界应变状态的变化而变化。由于拉、压应力都能对其产生Bragg 波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，动态范围大且线性度好。另一方面，为了克服温度对测量的影响，应变测量在测量系统中可以采用同种温度环境下的FBG 温度传感器进行补偿。
（2）光纤Bragg 光栅应变传感器的安装 传感器的安装工艺必须保证锚杆在应力场作用下所产生的应变完全能由传感器表征出来，同时还要满足长期监测的要求。光纤Bragg 光栅传感器的安装方法与传统的应变片安装方法基本相同，其基本要点为：①表面处理。用打磨机对测点处钢筋进行小面积抛光，然后用砂纸打磨，使测点处表面平整光滑；用脱脂棉球沾丙酮或酒精将打磨处擦洗干净，避免粉尘、油污对表面的污染；②粘贴。传感器沿着钢筋待测应变方向―轴向布置，采用分组的102胶粘贴，粘贴时轻轻挤压传感器以利排除空气，使得传感器与测点处的钢筋平整紧密接触；③点 焊。用点焊机将传感器的安装片脚牢牢地焊在锚杆上；④保护。为了避免安装锚杆时水泥沙浆划伤传感器，可采用硅胶704、热收缩管进行密封、起到防潮、缓冲保护的作用。
（3）光纤光栅应变传感器的标定
传感器的标定可在拉伸机上进行，也可以自备设备，这些设备包括光纤光栅解调器、应变仪、压力泵、压力表、穿心千斤顶、楔形夹具等。图3为同一根锚杆不同位置上的光纤光栅在不同拉力作用下传感的波长与应变的关系曲线。
图3 波长与应变的关系
Fig.3 Relations between wave lengths and strains
拉力
图1 光纤光栅传感器的传感原理 Fig.1 Sensing principles of FBG
3 光纤传感技术用于锚杆轴力监测的
几个关键问题
光纤Bragg 光栅应变传感器用于锚杆轴力监测必须注意以下几个关键问题：
（1）Bragg 应变传感器的精度和量程
岩土工程检测对传感器的测量范围、精度要 求、稳定性必须考虑。对试验锚杆而言，应预估锚杆的轴力，推算出锚杆的应变范围，选择精度 高、线性度好、长期稳定、量程适中的应变传感器，图2为武汉理工大学光科股份有限公司研制的光纤光栅应变传感器，其精度达到1 µε，长期稳定性为±5 µε，测量范围在0～8 000 µε之间，其精度和稳定性对于岩土工程而言已满足需要，本次研究采用该种传感器。
有了波长与应变的关系曲线，就可以根据下式计算出锚杆各点的应变值：
ε=K [(λε测−λε初) −(λT 测−λT 初)] （1）
式中：λε测和λT 测分别为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的测量值；λε初和λT 初分别为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的初始
值；K 为标定系数。 3.4 锚杆埋设
在地下隧道施工的过程中，往往由于施工和人
图2 Bragg光栅应变传感器 Fig.2 Bragg grating strain sensor
第11期 林传年等：光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用 3163
为的因素，导致光纤传感器和传输光纤的损伤，因此，在锚杆安装前应将连接传感器的传输光纤沿螺纹钢两边的筋肋布置，并用快速固化胶粘结，使锚杆、光纤传感器、传输光纤成为一体。根据锚杆直径及锚固剂直径合理选择钻孔直径，钻孔直径一般应比锚杆直径大5～6 mm为宜，锚固剂应选取纸 质包装的高强快速锚固药卷，这种药卷浸水后挺度好，并且初凝和终凝时间比较适合，有利于锚杆的安装和锚固。根据锚杆孔深，充填式锚固剂的数量N 公式为
K =k L (D 2−φ2) l −1d −2 （2）
图5 锚杆分布示意图
Fig.5 Distribution sketch of anchor bolts
式中：L 为锚固长度（mm ）；D 为钻孔直径（mm ）；
φ为锚杆直径（mm ）；l 为锚固药卷的长度（mm ）；
d 为锚固药卷的直径（mm ）；k 为充填系数（一般在1.05～1.10之间）。
外露的传输光纤应用耐冲击的材料屏蔽，如PPR 管或小口径钢管，并沿硐壁固定布置，传输光纤终端采用终端盒保护。
4 工程应用
4.1 工程背景
龙潭隧道是沪―蓉国道湖北境内白氏坪至恩施高速公路上的一条隧道，隧道进口位于湖北长阳县贺家坪镇头道河北坡下，出口位于长阳县榔坪镇青岩沟与龙潭沟交汇口处，呈近东西向展布，设计为上下分离式隧道，净宽2 × 9.75 m，净高5 m，右幅全长8 599 m，左幅全长8 693 m，最大埋深约500 m ，是目前国内第2条特长隧道。龙潭隧道处于岩溶和岩溶水发育、断层破碎带的影响、软岩和硬 岩并存的复杂地质条件下，并具有洞身长、埋深 大、地应力高的特点，为了长期监测锚杆的受力状况，在龙潭隧道选择了3个监测断面进行量测，试验锚杆分别选用长2.5，3 m和3.5 m的φ22 mm螺纹钢制成，4片光纤光栅应变片等间距分布在锚杆上，如图4所示。图5为试验锚杆在监测断面上的布置。
4.2 锚杆轴力随测点埋深的变化
图6为3个量测断面同为左边墙上的锚杆轴力随测点不同埋深的变化曲线。从图中可以看出，3个量测断面的锚杆轴力分布型式不同，一种为最大轴力出现在锚杆的前端，并随测点的埋深逐渐减小的分布型式，如图6中C 所示。这类锚杆外侧壁不仅受剪切力作用，而且还受法向力作用。另一种轴力分布型式为最大轴力不在锚杆两端，而是在锚杆的中间部位，锚杆轴力为拉应力，如图6中曲线A 、B 所示。这类锚杆所受外力主要为外侧壁的剪切 力。在龙潭隧道布置的 13 根锚杆中，锚杆轴力呈 中间大，两头小的分布型式占多数。
图6 锚杆轴力随测点不同埋深的变化曲线
Fig.6 Curves of axial forces along depth of anchor bolts
4.3 锚杆轴力随开挖过程的变化
不同的开挖过程，将引起锚杆轴力的变化， 图7给出了Zk72+743量测断面在采用台阶法预留核心土的开挖方式情况下，靠近孔口2个测点轴力变化的特性。从图中可以看出，当下台阶开挖面通过监测断面时，随着下台阶的开挖，锚杆轴力产生较大的突变并呈台阶式增加，当下台阶开挖面远离监测断面后，轴力变化为平缓增加，再逐渐趋于稳定，这种变化的特性出现在量测断面的边墙上，并且距孔口越近的测点影响越大。图8为处在同一个量测断面的拱顶部位同一根锚杆上4个不同埋深的
传输光缆
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
光纤光栅光纤光栅传感器 传感器
测点轴力变化，可见下台阶的开挖引起靠近洞壁测点轴力的变化较大，而远离孔口的3个测点轴力的变化较小，这说明下台阶的开挖仅引起拱顶部位浅层锚杆轴力的变化。
图4 FBG传感器在锚杆上的分布
Fig.4
Distribution of FBG sensors on bolt
3164 岩 土 力 学 2008年
0.7 m1.4m
图7 下台阶开挖引起的锚杆轴力变化曲线 Fig.7 Curves of axial forces of anchor
bolts by excavation
试验锚杆中的布置、埋设、传输光纤的保护等问 题，为今后工程应用积累了宝贵的经验。随着国内光纤传感技术的不断发展，相信不久的将来光纤传感器将会取代传统的传感器，将成为开拓岩土工程监控量测领域的一条新途径。
参 考 文 献
[1] 姜德生，何伟. 光纤光栅传感器的应用概况[R]. 武汉：
武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地，2003.
[2] 刘泉声，徐光苗，张志凌. 光纤测量技术在岩土工程中
的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2003，23（2）：310－314.
LIU Quan-sheng, XU Guang-miao, ZHANG Zhi-ling. Applications of fiber optic sensors to geotechnical engineering monitoring[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 23(2): 310－314. [3] 刘雄. 光纤传感技术在岩石力学与工程中的应用研究
[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18（5）：497－502. LIU Xiong. On the application of fiber optic sensor to geotechnic and geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(5): 497－502.
[4] 马水山，王志旺，李瑞有，等. 光纤传感器及其在岩土
工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20 （增）：1 692－1 694.
MA Shui-shan, WANG Zhi-wang, LI Rui-you, et al. Fiber optic sensor and its applications to geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(Supp.): 1 692－1 694. [5] 姜德生，左军，信思金，等. 光纤Bragg 光栅传感器在
水布垭工程锚杆上的应用[J]. 传感器技术，2005，24（1）：2－7.
JIANG De-sheng, ZUO Jun, XIN Si-jing, et al. Application of FBG sensors to anchor rod in project Shuibuya[J]. Journal of Transducer Technology, 2005, 24(1): 2－7.
[6] 郭玉彬，葛璜. 光纤Bragg 光栅的研究[J]. 光学精密工
程，1999，7（1）：31－38.
GUO Yu-bin, GE Huang. Fabrication of fiber Bragg grating[J]. Optics and Precision Engineering, 1999, 7(1): 31－38.
时间 /d
图9 二衬施作后锚杆轴力-时间的变化
Fig.9 Curves of axial forces anchor bolts before and after
second support built
5 结 语
光纤传感技术用于隧道支护锚杆监测是一种新的监测技术。通过现场实际应用，不仅获得了锚杆轴力变化特性，还探索了光纤Bragg 应变传感器在
第29卷第11期 岩 土 力 学 V ol.29 No.11 2008年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2008
文章编号：1000－7598－(2008) 11－3161－04
光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用
林传年13，刘泉声2，高 玮2，肖春喜2
，
（1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；
3. 湖北省沪蓉西高速公路建设指挥部，湖北 恩施 445000）
摘 要：在简述了光纤Bragg 光栅传感器基本工作原理的基础上，通过沪―蓉―西高速公路龙潭隧道支护锚杆轴力监测的工程应用，探讨研究了光纤传感技术用于岩土工程监测的几个重要环节——传感器选择、传感器安装、传感器标定及传感器埋设。通过现场监测获得了复杂地质条件下特长隧道支护锚杆轴力的变化特性，为光纤传感技术在岩土工程监测领域的应用积累了一定的经验。
关 键 词：光纤传感技术；光纤Bragg 光栅；隧道；锚杆轴力；监测 中图分类号：TP 212 文献标识码：A
LIN Chuan-nian1, 3, LIU Quan-sheng 2, GAO Wei 2, XIAO Chun-xi 2
Application of fiber optical sensing technology to
monitoring axial forces of anchor bolts
(1. School of Civil Engineering & Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics
and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;
3. Hu-Rong Expressway West Section Construction Headquarters of Hubei Province, Enshi 445000, China)
Abstract: The basic principle of fiber Bragg grating sensor is described. Through engineering application of fiber Bragg grating sensor to monitoring axial forces of anchor bolts for Longtan tunnel of Hu-Rong Expressway West Section, some important aspects of fiber optical sensing technology applications to geotechnical engineering monitoring, which are selection of sensors, installation of sensors, calibration of sensors and embedding of sensors, et al, are discussed. Through local monitoring, the characteristics of axial forces of anchor bolts are obtained. And some useful experiences with application of fiber optical sensing technology to geotechnical engineering are summarized.
Key words: fiber optical sensing; fiber Bragg grating(FBG); tunnel; bolt axial force; monitoring
1 引 言
目前国内在岩土工程监测中普遍采用传统的机电测试技术，但这些测试技术由于受到岩土工程特定因素的限制而不能发挥其特长，甚至难以满足岩土工程测试的要求。近几年来，随着光纤传感技术的问世，已在桥梁、大坝、隧道、建筑、公路等岩土工程的安全运行监测中得到了广泛的应用[1−5]， 光纤传感技术也越来越受到岩土工程界的关注。
与传统的传感器相比具有很多优势，因此其应用范围非常广泛。目前光纤应变传感器的主导产品是光纤Bragg 光栅，它是一种用紫外激光直接在单模光纤上刻有沿光纤轴向折射率变化光栅的新型光纤器件。光纤Bragg 光栅（fiber bragg grating，FBG ）传感技术[5
，6]
是通过对在光纤内部写入的光栅反射或
透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图1所示。
光纤Bragg 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n eff 任何使这2个参量发生改变的物理过程都将引起光纤Bragg 光栅波长的漂移，在所有引起光纤Bragg 光
2 光纤Bragg 光栅传感原理
光纤传感器能以高分辨率测量许多物理参数，
收稿日期：2006-12-14
基金项目：交通部西部交通建设科技项目“沪蓉国道主干线龙潭特长隧道特殊地质条件下的关键技术研究”（No.[1**********]8）。
作者简介：林传年，男，1966年生，博士，1985年毕业于武汉地质学院水文地质专业，北京交通大学隧道中心在站博士后，主要从事隧道工程、地质工程方面的研究工作。E-mail: [email protected]
3162 岩 土 力 学 2008年
栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有光弹效应使得有效折射率n eff 也随外界应变状态的变化而变化。由于拉、压应力都能对其产生Bragg 波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，动态范围大且线性度好。另一方面，为了克服温度对测量的影响，应变测量在测量系统中可以采用同种温度环境下的FBG 温度传感器进行补偿。
（2）光纤Bragg 光栅应变传感器的安装 传感器的安装工艺必须保证锚杆在应力场作用下所产生的应变完全能由传感器表征出来，同时还要满足长期监测的要求。光纤Bragg 光栅传感器的安装方法与传统的应变片安装方法基本相同，其基本要点为：①表面处理。用打磨机对测点处钢筋进行小面积抛光，然后用砂纸打磨，使测点处表面平整光滑；用脱脂棉球沾丙酮或酒精将打磨处擦洗干净，避免粉尘、油污对表面的污染；②粘贴。传感器沿着钢筋待测应变方向―轴向布置，采用分组的102胶粘贴，粘贴时轻轻挤压传感器以利排除空气，使得传感器与测点处的钢筋平整紧密接触；③点 焊。用点焊机将传感器的安装片脚牢牢地焊在锚杆上；④保护。为了避免安装锚杆时水泥沙浆划伤传感器，可采用硅胶704、热收缩管进行密封、起到防潮、缓冲保护的作用。
（3）光纤光栅应变传感器的标定
传感器的标定可在拉伸机上进行，也可以自备设备，这些设备包括光纤光栅解调器、应变仪、压力泵、压力表、穿心千斤顶、楔形夹具等。图3为同一根锚杆不同位置上的光纤光栅在不同拉力作用下传感的波长与应变的关系曲线。
图3 波长与应变的关系
Fig.3 Relations between wave lengths and strains
拉力
图1 光纤光栅传感器的传感原理 Fig.1 Sensing principles of FBG
3 光纤传感技术用于锚杆轴力监测的
几个关键问题
光纤Bragg 光栅应变传感器用于锚杆轴力监测必须注意以下几个关键问题：
（1）Bragg 应变传感器的精度和量程
岩土工程检测对传感器的测量范围、精度要 求、稳定性必须考虑。对试验锚杆而言，应预估锚杆的轴力，推算出锚杆的应变范围，选择精度 高、线性度好、长期稳定、量程适中的应变传感器，图2为武汉理工大学光科股份有限公司研制的光纤光栅应变传感器，其精度达到1 µε，长期稳定性为±5 µε，测量范围在0～8 000 µε之间，其精度和稳定性对于岩土工程而言已满足需要，本次研究采用该种传感器。
有了波长与应变的关系曲线，就可以根据下式计算出锚杆各点的应变值：
ε=K [(λε测−λε初) −(λT 测−λT 初)] （1）
式中：λε测和λT 测分别为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的测量值；λε初和λT 初分别为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的初始
值；K 为标定系数。 3.4 锚杆埋设
在地下隧道施工的过程中，往往由于施工和人
图2 Bragg光栅应变传感器 Fig.2 Bragg grating strain sensor
第11期 林传年等：光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用 3163
为的因素，导致光纤传感器和传输光纤的损伤，因此，在锚杆安装前应将连接传感器的传输光纤沿螺纹钢两边的筋肋布置，并用快速固化胶粘结，使锚杆、光纤传感器、传输光纤成为一体。根据锚杆直径及锚固剂直径合理选择钻孔直径，钻孔直径一般应比锚杆直径大5～6 mm为宜，锚固剂应选取纸 质包装的高强快速锚固药卷，这种药卷浸水后挺度好，并且初凝和终凝时间比较适合，有利于锚杆的安装和锚固。根据锚杆孔深，充填式锚固剂的数量N 公式为
K =k L (D 2−φ2) l −1d −2 （2）
图5 锚杆分布示意图
Fig.5 Distribution sketch of anchor bolts
式中：L 为锚固长度（mm ）；D 为钻孔直径（mm ）；
φ为锚杆直径（mm ）；l 为锚固药卷的长度（mm ）；
d 为锚固药卷的直径（mm ）；k 为充填系数（一般在1.05～1.10之间）。
外露的传输光纤应用耐冲击的材料屏蔽，如PPR 管或小口径钢管，并沿硐壁固定布置，传输光纤终端采用终端盒保护。
4 工程应用
4.1 工程背景
龙潭隧道是沪―蓉国道湖北境内白氏坪至恩施高速公路上的一条隧道，隧道进口位于湖北长阳县贺家坪镇头道河北坡下，出口位于长阳县榔坪镇青岩沟与龙潭沟交汇口处，呈近东西向展布，设计为上下分离式隧道，净宽2 × 9.75 m，净高5 m，右幅全长8 599 m，左幅全长8 693 m，最大埋深约500 m ，是目前国内第2条特长隧道。龙潭隧道处于岩溶和岩溶水发育、断层破碎带的影响、软岩和硬 岩并存的复杂地质条件下，并具有洞身长、埋深 大、地应力高的特点，为了长期监测锚杆的受力状况，在龙潭隧道选择了3个监测断面进行量测，试验锚杆分别选用长2.5，3 m和3.5 m的φ22 mm螺纹钢制成，4片光纤光栅应变片等间距分布在锚杆上，如图4所示。图5为试验锚杆在监测断面上的布置。
4.2 锚杆轴力随测点埋深的变化
图6为3个量测断面同为左边墙上的锚杆轴力随测点不同埋深的变化曲线。从图中可以看出，3个量测断面的锚杆轴力分布型式不同，一种为最大轴力出现在锚杆的前端，并随测点的埋深逐渐减小的分布型式，如图6中C 所示。这类锚杆外侧壁不仅受剪切力作用，而且还受法向力作用。另一种轴力分布型式为最大轴力不在锚杆两端，而是在锚杆的中间部位，锚杆轴力为拉应力，如图6中曲线A 、B 所示。这类锚杆所受外力主要为外侧壁的剪切 力。在龙潭隧道布置的 13 根锚杆中，锚杆轴力呈 中间大，两头小的分布型式占多数。
图6 锚杆轴力随测点不同埋深的变化曲线
Fig.6 Curves of axial forces along depth of anchor bolts
4.3 锚杆轴力随开挖过程的变化
不同的开挖过程，将引起锚杆轴力的变化， 图7给出了Zk72+743量测断面在采用台阶法预留核心土的开挖方式情况下，靠近孔口2个测点轴力变化的特性。从图中可以看出，当下台阶开挖面通过监测断面时，随着下台阶的开挖，锚杆轴力产生较大的突变并呈台阶式增加，当下台阶开挖面远离监测断面后，轴力变化为平缓增加，再逐渐趋于稳定，这种变化的特性出现在量测断面的边墙上，并且距孔口越近的测点影响越大。图8为处在同一个量测断面的拱顶部位同一根锚杆上4个不同埋深的
传输光缆
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
光纤光栅光纤光栅传感器 传感器
测点轴力变化，可见下台阶的开挖引起靠近洞壁测点轴力的变化较大，而远离孔口的3个测点轴力的变化较小，这说明下台阶的开挖仅引起拱顶部位浅层锚杆轴力的变化。
图4 FBG传感器在锚杆上的分布
Fig.4
Distribution of FBG sensors on bolt
3164 岩 土 力 学 2008年
0.7 m1.4m
图7 下台阶开挖引起的锚杆轴力变化曲线 Fig.7 Curves of axial forces of anchor
bolts by excavation
试验锚杆中的布置、埋设、传输光纤的保护等问 题，为今后工程应用积累了宝贵的经验。随着国内光纤传感技术的不断发展，相信不久的将来光纤传感器将会取代传统的传感器，将成为开拓岩土工程监控量测领域的一条新途径。
参 考 文 献
[1] 姜德生，何伟. 光纤光栅传感器的应用概况[R]. 武汉：
武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地，2003.
[2] 刘泉声，徐光苗，张志凌. 光纤测量技术在岩土工程中
的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2003，23（2）：310－314.
LIU Quan-sheng, XU Guang-miao, ZHANG Zhi-ling. Applications of fiber optic sensors to geotechnical engineering monitoring[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 23(2): 310－314. [3] 刘雄. 光纤传感技术在岩石力学与工程中的应用研究
[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18（5）：497－502. LIU Xiong. On the application of fiber optic sensor to geotechnic and geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(5): 497－502.
[4] 马水山，王志旺，李瑞有，等. 光纤传感器及其在岩土
工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20 （增）：1 692－1 694.
MA Shui-shan, WANG Zhi-wang, LI Rui-you, et al. Fiber optic sensor and its applications to geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(Supp.): 1 692－1 694. [5] 姜德生，左军，信思金，等. 光纤Bragg 光栅传感器在
水布垭工程锚杆上的应用[J]. 传感器技术，2005，24（1）：2－7.
JIANG De-sheng, ZUO Jun, XIN Si-jing, et al. Application of FBG sensors to anchor rod in project Shuibuya[J]. Journal of Transducer Technology, 2005, 24(1): 2－7.
[6] 郭玉彬，葛璜. 光纤Bragg 光栅的研究[J]. 光学精密工
程，1999，7（1）：31－38.
GUO Yu-bin, GE Huang. Fabrication of fiber Bragg grating[J]. Optics and Precision Engineering, 1999, 7(1): 31－38.
时间 /d
图9 二衬施作后锚杆轴力-时间的变化
Fig.9 Curves of axial forces anchor bolts before and after
second support built
5 结 语
光纤传感技术用于隧道支护锚杆监测是一种新的监测技术。通过现场实际应用，不仅获得了锚杆轴力变化特性，还探索了光纤Bragg 应变传感器在