原标题:光纤智慧锚索实现“实时体检”
工人日报-中工网记者 张翀 通讯员 朱晓
仲夏五月,平陆运河马道枢纽项目船闸建设现场,65米深大基坑里塔吊林立,千余名工人热火朝天地紧张作业。两边高高的边坡上,由中交二航局自主研发的2根光纤智慧锚索,像“定海神针”一样牢牢地埋在岩体里,实时监测锚索多种“健康”指标,及时发出边坡安全预警。“这种基于智慧锚索的边坡安全全寿命监测技术为国内首创,国际上首次应用。”项目总工张帆自豪地说道。
马道枢纽项目地处广西境内,5大高边坡防护面积达21.1万平方米,其中2号坡高达188米,是平陆运河全线最高边坡,比世界七大奇迹之一的埃及胡夫金字塔还高41.41米。边坡地质为炭质泥岩,遇水易软化,在多雨的南方极易垮塌,传统的做法是用锚索加固边坡。因此,锚索的有效预应力是影响加固工程成败的关键因素。
然而,国内现有技术只能监测锚索的端部应力情况,还监测不了锚索上每一个点的应力分布,并且温度等环境变化也会对锚索应力测量的准确性带来影响。项目团队决定攻下这个“卡脖子”难题,以实现边坡安全监测预警,保证项目边坡稳定与安全。
幸运的是,2021年,为监测广州鹤洞大桥斜拉索受力情况,二航局智慧缆索团队成功将光纤植入拉索的钢丝中,使之成为智慧钢丝,实时监测拉索的索力,保证大跨桥梁的安全。“不过,锚索和拉索的内部结构并不一样,我们决定‘借鉴’鹤洞大桥智慧拉索的成功经验,找到马道枢纽项目锚索的高精度监测方法。”智慧缆索团队组员杨建平说。
“锚索主要由直径15.2毫米钢绞线组成,可承受上万牛的拉力,而0.25毫米直径的光纤像头发丝一样细,承受几十牛的力就会被拉断。此外,光纤不对力敏感,对温度也同样敏感。我们不仅要解决两者协同变形的问题,还要解决温度修正的问题。”项目副总工邓志强说道。
生产锚索前,技术人员将其中心丝取出,在中心丝两侧各刻一个细小凹槽,把温度、应变光纤分别埋入凹槽里,涂胶固定,让光纤和中心丝合为一体“血脉相连”,最后按照锚索生产工艺正常生产出来的就是光纤智慧锚索。这种光纤凹槽埋入封装法,不仅可以保护生产过程中光纤不被锚索生产线破坏,又能保证现场恶劣环境下光纤的存活,最关键的是能确保光纤与钢绞线的变形量保持协调,实现锚室索力的精确测量。
“加工这样一根光纤智慧锚索看似很简单,实则涉及到很多技术细节,比如选用什么类型的光纤、中心丝如何开槽、光纤如何自动埋入槽内并固定、光纤信号如何接出、结构性能如何不削弱等。就好比做数学题一样,只知道答案而没有解题过程是不得分的。”杨建平感叹道。
经过长达两年的设计-验证-再设计-再验证的“试错”试验,为验证光纤智慧锚索在边坡加固工程中的应用效果,2024年2月,马道枢纽项目边坡成功植入了2根32米长的光纤智慧锚索。每根锚索均可实现自身沿长度方向每米的温度和应变测量,温度测量范围-20-80℃,应变测量范围0-8000微应变。
当智慧锚索监测到自身全长应变不一致,或者锚索在一天内累计变形超过2毫米时,说明锚固失效或边坡在滑动,技术人员的电脑端就会收到黄色预警,现场将停止边坡开挖。如果变形一直没有消失,预警等级则会逐日上升,提醒现场管理人员停止施工,迅速采取措施。
“平陆运河是世纪工程,设计使用寿命100年,对边坡地质的不良影响是一个长期监测的过程。光纤智慧锚索的应用,给这一世纪工程上了一道安全险证券股票配资,对西南地区的锚索支护工程受力监测也具有重要意义。”张帆表示。