一种GFRP光纤光栅应变光缆的制作方法

本实用新型属于地面沉降土体压缩监测应用领域。

背景技术：

城市地面沉降是在自然因素和人为因素作用下，由于地壳表层土压缩而导致城市区域性地面标高降低的一种城市环境地质现象。它是一种缓变的地质灾害，不仅对开发建设有严重的地质灾害隐患，而且对现有城市建设、市政基础设施、农业生产、人民生活等造成直接损害，也造成运力下降、挡潮和排水等间接损害。伴随着近年来地面沉降范围的扩大，程度的加深，它对人类生存环境的影响也越来越大，使得一些城市尤其是沿海城市人们的正常生活受到影响，造成的经济损失也是巨大的，这引起了人们的广泛关注。

开展地面沉降调查与监测，掌握地面沉降现状，是有效开展地面沉降防治工作的基础。目前常用的地面沉降监测方法及特点如下表1所示。

表1常用地面沉降监测方法及特点

结合各监测方法的特点，需探索一种集性能可靠、自动化程度高、观测精度高、数据量充足、监测效率高、施工简便和成本可控等为一体的新型传感监测技术。

光纤传感技术广泛应用于工程实践，如桥梁路面健康监测、大坝混凝土结构监测、隧道围岩监测、坡体变形监测等。其中准分布式光纤传感器即通过光纤将光栅串联起来，实现大范围内多点同时测量，在此模式下，光纤传感器中的光纤只“传”不“感”，只起到传输光波的作用。目前使用广泛且发展成熟的光纤布拉格光栅即为准分布式光纤传感器。准分布式光纤传感器具有监测精度高、频移清晰，采集精度高、采集设备类型多，费用合理等优点。结合地面沉降土体监测项目的特点及采用准分布式光纤光栅传感技术开展地面沉降土体监测的实践应用，准分布式光纤光栅传感技术成为地面沉降监测的一种新型监测方法。

针对所申请实用新型的领域，与本申请应用方向接近的专利号为 200620019599.4的一种差动式光纤Bragg光栅沉降仪，用于地表沉降变形测量，属光电子测量器件技术领域。由悬臂梁(2)，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅(3)，通过挂钩(5)和刃口(4)连接悬臂梁末端和沉降墩(6)，以及获取光纤Bragg光栅的Bragg波长的光纤光栅分析仪组成；两根光纤Bragg 光栅为同一型号的光敏光纤，悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁，端头固定于测量场地上的固定平台、末端有V型槽结构。其结构示意图如图1 所示。

使用时将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如边坡中的抗滑桩)，将沉降墩直接埋放于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg 波长发生移位，再用普通光纤光栅分析仪获得两根光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，将测量结果进行差动运算，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

现有技术设备是通过悬臂梁的弯曲变形量来计算沉降墩的垂直位移量，所以要求悬臂梁的变形是符合规则并可计算的，但是实际情况却很难控制，其实际测量起来还是有一定的误差存在。现有技术设备只能测量地表沉降变形情况，不能监测地下岩土体沉降分层压缩变形情况。

光纤光栅感测技术是一种准分布式测量方法，将多支传感器通过共用光纤实现光信号传输与监测信息采集。由于光纤光栅自身脆弱，常在光纤光栅外增加“外被”，以增强其抗拉伸和剪切性能。常见的“外被”材质有聚氨酯表层、聚四氟乙烯、玻璃纤维增强塑料(GFRP)等，这些“外被”表面均比较光滑，当其应用于土体纵向变形监测时，存在固定效果差，容易在土体中滑移的问题，继而影响监测效果。特别是GFRP光纤光栅应变光缆，其直径仅2mm，表面光滑，材质强度高、硬度大，不可弯折，应用于土层纵向位移监测时，与土体咬合力差，容易在土体中滑移。

不同于建筑物表面平铺式安装，在使用光纤光栅应变光缆测量土体变形量时需要将其纵向布设于待测土层中，保证应变光缆竖直、伸展，并且底部需牢固固定，对光纤光栅应变光缆的安装工艺提出了更高的要求。此外，光纤光栅十分脆弱，一根光纤光栅光缆中含有多支甚至数十支传感器，一旦某处受损中断，将导致其后端的光栅传感器因无法获取光信号而失效。

技术实现要素：

本实用新型针对GFRP材质的光纤光栅应变光缆，主要解决其应用于土体竖向变形测量时光缆本身与土体耦合效果差、易发生容易滑移，光缆底部固定困难，安装过程中光缆局部损伤导致大范围传感器失效的问题

一种GFRP光纤光栅应变光缆，其特征在于：包括GFRP光纤光栅应变光缆原链路和GFRP光纤光栅应变光缆回路，在GFRP光纤光栅应变光缆原链路上设置加固模块，具体为在光栅传感器两侧分散固定若干加固模块，在传感器光栅传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，光栅传感器两侧第一个加固模块与光栅传感器间距为10cm；加固模块为一体式橡胶管，外表面粗糙度Ra不低于0.4；使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端。

进一步，加固模块为一体式橡胶管，内径2.5mm、外径8mm、长度5cm。

进一步，GFRP光纤光栅应变光缆原链路和GFRP光纤光栅应变光缆回路均穿过配重，配重总体为圆柱形，中空，配重中部侧壁开窗；配重顶部设有短接钢管，短接钢管内壁为反丝扣，配重底部切割成齿状，且底部封堵；配重上部焊“连接管”，连接管下部开孔穿进钢管内部用于将应变光缆穿越配重内。

进一步，配重总长800mm，最大外径76mm；配重顶部设有150mm长、直径 50mm的短接钢管；配重底部100mm切割成齿状，且底部封堵。

进一步，连接管管径10mm，下部开孔穿进钢管内部，进入钢管内部长度30mm，穿入段需打磨圆滑。

更具体的：光纤光栅应变光缆加固目的在于增加局部光缆直径，增强光缆与土体耦合效果。加固针对光纤光栅应变光缆中光栅传感器所在段，加固采用分段加固的方式，在光栅传感器两侧分散固定若干加固模块，增加应变光缆与土体的耦合效果。具体加固步骤如下：1)在传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，光栅传感器两侧第一个加固模块与传感器间距为10cm。加固模块为一体式橡胶管，内径2.5mm、外径8mm、长度5cm，外表面粗糙，表面粗糙度Ra不低于0.4；2)安装过程需保证加固模块完整一体，加固过程中不能损伤加固模块；3)使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端，确保加固模块与应变光缆牢固连接。

光纤光栅应变光缆自身重量较轻(约5kg/km)，仅靠自身重量难以下放到钻孔内，需在应变光缆底部连接配重，增加光缆重量便于下放，保证光缆在竖向钻孔内保持铅直状态，并且能够牢固固定于土层中，为后续监测有效性提供保障。

应变光缆连接的配重尺寸、重量适宜，避免因配重尺寸过大卡孔或重量太大损伤应变光缆，同时在使用过程中不得出现光纤光栅应变光缆与钻孔壁摩擦损伤光缆。对于勘察钻常用的110mm孔径钻孔，要求配重总体为圆柱形，中空，总长 800mm，最大外径76mm；顶部设有150mm长、直径50mm的短接钢管(内壁为反丝扣)，用于与钻杆连接下放及安装后与钻杆快速脱离；底部100mm切割成齿状，且底部封堵，便于扎入土层中，固定配重底部，同时土层不进入中空的配重内；配重上部焊“连接管”，管径10mm，下部开孔穿进钢管内部，进入钢管内部长度 30mm，进入段需打磨圆滑，用于将应变光缆穿入配重内；配重中部侧壁开窗(长 150mm×宽70mm)，用于应变光缆原链路与回路连接及保护。

GFRP光纤光栅应变光缆外被材质硬，大弯曲情况下容易发生折断。为防止光纤光栅应变光缆因损坏造成后端光栅传感器失效，在应变光缆底端增设光缆回路，回路与原测试链路使用软连接，用于提高底部连接的柔性，提高光纤光栅使用使用寿命。

回路与原链路同时安装，二者通过连接管共同穿入配重内，回路与原链路固定于配重空腔内壁上。应变光缆原链路底端与应变光缆回路使用单芯铠装光缆连接，单芯铠装光缆固定于配重空腔内壁上，配重空腔内充填发泡胶，做好防水、防挤压、防移动保护。

本申请相对现有技术而言所具有的优点和效果，建议从技术层面和应用层面分别说明。

1、光纤光栅应变光缆加固模块材质为橡胶，软硬适中，既不会过硬损伤光缆，又不会过软降低光缆与土壤的耦合效果。橡胶模块使用数量与间隔可根据实际需要灵活调整，加固方式便捷。

2、光纤光栅应变光缆底部连接配重有助于应变光缆顺利下放，固定光缆以及光缆保持铅直状态。

3、回路设计能够有效提升光纤光栅应变光缆的存活率，避免因光缆局部损伤造成大范围传感器失效。软连接成本低廉，操作简易，既能够保证原有光缆强度不降低，又能增加连接段柔性，有助于连接段增强保护。

附图说明

图1是加固后的光纤光栅应变光缆与配重连接示意图。

1.GFRP光纤光栅应变光缆原链路；2.GFRP光纤光栅应变光缆回路；3.加固模块；4.光栅传感器；5.连接管；6.短接钢管；7.内部反丝扣；8.配重中空段；9.侧壁开窗；10.配重底部齿状，11配重底部挡板

图2是GFRP光纤光栅光缆加固示意图。(单位mm)

图3(a)是配重侧视图。

图3(b)是配重俯视图。(单位mm)

1.GFRP光纤光栅应变光缆原链路；2.GFRP光纤光栅应变光缆回路；12.单芯铠装光缆

图4是GFRP光纤光栅光缆回路连接示意图。

图5是光纤光栅应变光缆安装工艺流程示意图。

具体实施方式

1、为保护光栅测量效果，在光栅传感器两端1m范围内增加固定模块，加大应变光缆与土层耦合效果。

2、为保证应变光缆监测数据的完整性，防止光缆中断部分传感器失效，光纤光栅应变光缆底部采用软连接形成一个回路保护。

工艺包括GFRP材质的光纤光栅应变光缆加固、光纤光栅光缆底部与配重连接及保护、光纤光栅光缆回路连接及保护三部分，以及GFRP光纤光栅应变光缆应用于土体压缩沉降监测的安装工艺。

光纤光栅应变光缆加固

光纤光栅应变光缆加固目的在于增加局部光缆直径，增强光缆与土体耦合效果。加固针对光纤光栅应变光缆中光栅传感器所在段，加固采用分段加固的方式，在光栅传感器两侧分散固定若干加固模块，增加应变光缆与土体的耦合效果。具体加固步骤如下：1)在传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，光栅传感器两侧第一个加固模块与传感器间距为10cm。加固模块为一体式橡胶管，内径2.5mm、外径8mm、长度5cm，外表面粗糙，表面粗糙度Ra不低于0.4；2)安装过程需保证加固模块完整一体，加固过程中不能损伤加固模块；3)使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端，确保加固模块与应变光缆牢固连接。

附图1、图2。

光纤光栅光缆底部与配重连接及保护

光纤光栅应变光缆自身重量较轻(约5kg/km)，仅靠自身重量难以下放到钻孔内，需在应变光缆底部连接配重，增加光缆重量便于下放，保证光缆在竖向钻孔内保持铅直状态，并且能够牢固固定于土层中，为后续监测有效性提供保障。

应变光缆连接的配重尺寸、重量适宜，避免因配重尺寸过大卡孔或重量太大损伤应变光缆，同时在使用过程中不得出现光纤光栅应变光缆与钻孔壁摩擦损伤光缆。对于勘察钻常用的110mm孔径钻孔，要求配重总体为圆柱形，中空，总长 800mm，最大外径76mm；顶部设有150mm长、直径50mm的短接钢管(内壁为反丝扣)，用于与钻杆连接下放及安装后与钻杆快速脱离；底部100mm切割成齿状，且底部封堵，便于扎入土层中，固定配重底部，同时土层不进入中空的配重内；背面焊“连接管”，管径10mm，下部开孔穿进钢管内部，并打磨圆滑，进入钢管内部长度30mm，用于将应变光缆穿越配重内；配重中部侧壁开窗(长150mm×宽 70mm)，用于应变光缆原链路与回路连接及保护。

附图3。

光纤光栅光缆回路连接及保护

GFRP光纤光栅应变光缆外被材质硬，大弯曲情况下容易发生折断。为防止光纤光栅应变光缆因损坏造成后端光栅传感器失效，在应变光缆底端增设光缆回路，回路与原测试链路使用软连接，用于提高底部连接的柔性，提高光纤光栅使用使用寿命。

回路与原链路同时安装，二者通过连接管共同穿入前端配重内，回路与原链路固定于配重空腔内壁上。光纤光栅应变光缆回路的软连接使用单芯铠装光缆，单芯铠装光缆两端分别连接回路和原链路底端，连接处要使用铜管、热缩套保护。使用粘弹体胶带将单芯铠装光缆是固定于配重空腔内壁上，空腔内充填发泡胶，做好防水、防挤压、防移动保护。

附图4。

光纤光栅应变光缆安装工艺

光纤光栅应变光缆监测装置安装工艺流程如附图4所示。

前期准备

(1)钻孔施工

根据监测设计需要，进行钻孔施工。钻孔孔径不小于110mm。钻孔施工后需进行洗孔，降低钻孔内泥浆浓度，同时将钻孔内已有碎石排出。

(2)光栅传感器两端加固

在光纤光栅应变光缆中每支光栅传感器两侧安装固定加固模块。

(3)应变光缆前端配重连接

将应变光缆和光缆回路与配重连接，并做好应变光缆与回路光缆的连接与保护。

(4)架设线缆架

待钻孔施工完毕、传感器下放前，在孔口附近架设线缆架，一切工装准备就绪。下放前测试应变光缆，确保传感器有效。

(5)应变光缆下放

钻孔施工完毕，简单洗孔、测孔后，应立即下放应变光缆，以免钻孔坍塌影响安装。光缆前端配重与钻杆连接，通过钻杆将光缆顺入孔底。在孔口增加钻杆时，孔口处的钻杆卡钳不可扭转，以免应变光缆受扭损伤。下放时，光缆尽量保持垂直，控制应变光缆下放速度，保持匀速缓慢下放。待配重到达孔底后，使用钻机通过钻杆将前端配重压入土层30-40cm。做好孔口尾端应变光缆固定，防止应变光缆滑脱。该环节结束时需测试应变光缆，检验传感器是否正常。

(6)钻杆脱离、提取钻杆

按钻机钻进方向手动缓慢旋转钻杆2圈，同时监控光栅传感器数据，查看钻杆脱离过程中光栅传感器数据变化情况。判断钻杆与配重脱离后，缓慢上提钻杆。初始上提速度要特别缓慢，同时监控数据变化情况，判断缓慢上提对传感器无异常大幅值干扰后，方可按照下放速度缓慢提取钻杆，提钻全程需监控数据变化情况。

(7)应变光缆预拉伸

待钻杆全部取出后，拉伸应变光缆顶部，实现对全孔各支光栅传感器预拉伸，以增大传感器测量范围。

(8)光缆孔口固定、钻孔回填

预拉伸结束后，将应变光缆固定于孔口处，及时回填干粘土球。

(9)数据测试

回填结束后检测各支传感器是否有效，并记录各支传感器数据。