CN102168950A - 隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种隧道围岩变形分布式光纤监测方法。所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将传感光纤对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，并通过注入耦合剂形成土-管协调变形的测管将跟随围岩同步位移而发生变形，通过测量测管的变形，实现对围岩变形或位移的监测。本发明方法具有分布式、自动化数据采集、实时超前监测等特点，适用于隧道洞室、煤矿巷道等岩土工程领域围岩二维变形或位移的监测。

Description

隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法

技术领域

本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。

背景技术

我国正处于大规模基础建设时期，在交通、国防、水利等各个领域出现了大量的深埋、长大隧道工程，在设计理论、施工技术中出现了许多新的问题，施工面临的风险加剧。在隧道施工过程中，隧道开挖面前方围岩的力学性状不断地发生变化，提前探知围岩变形特征及发展趋势，获取隧道开挖面前方各变形阶段的地层位移信息，并采取超前预处理施工措施，对于充分调动围岩自承能力，节约投资、规避风险具有重要意义。

目前，在岩土工程监测技术领域，特别是与隧道工程施工期监测相关的技术方法主要有地中土体沉降监测技术、土体测斜技术、地表沉降监测技术等，仪器设备多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等。这些技术方法均具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控。常规的监测技术多数仍不能实现实时监测，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。因此，有必要研究开发适用于隧道工程的新型围岩变形超前实时监测方法和技术，以满足日益增长的隧道施工安全监测的要求和理论研究的需要。基于布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time DomainReflectormeter，缩写：BOTDR)的分布式传感技术是近年来国际上在光电信息领域兴起的一项尖端技术，它除了具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有分布式(超高密度连续测点)、实时在线测量、可直接测量光纤上任意点的应变和温度信息等优点；根据隧道围岩变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标。

BOTDR分布式光纤传感技术已用于通讯、土木、水利、能源、交通等领域，在桩基、隧道结构、边坡、基坑等监测方面也有大量工程应用。但是，由于地下工程具有隐蔽性、地质条件复杂，而且BOTDR设备昂贵，监测系统设计较为复杂，造成BOTDR技术还未应用于隧道围岩等典型的地下工程中。特别是在隧道围岩超前变形监测方面，还没有较完善的技术手段。

发明内容

针对隧道常规监测方法和手段的不足，本发明的目的在于，提出一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。

本发明实现其发明目的采取的技术方案是：

一种隧道围岩变形分布式光纤监测方法，所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将四条传感光纤十字形对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，将测管上呈十字形对称布设的传感光纤的应变分布进行配准、做差、积分运算后就得到光纤测管横向的二维变形分布；分布式光纤传感技术将测管上下方向上的两条传感光纤串接、左右方向上的两条传感光纤串接，分别构成一条传感线路，以便于同步监测和数据处理，配准是将传感光纤的应变分布正射投影到测管上、下、左、右四条测线的初始位置即基准线上，即将每条光纤上应变点的位置与测管表面上、下、左、右四条测线上相应点的初始位置一一对应；做差是指将测管上同一横截面上、下两条测线或者左、右两条测线的应变值相减，分别得到沿测管竖向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿测管长度进行两次积分运算得到测管上任意点相对于基点的位移；由上、下测线的差值应变分布可以计算得到测管的竖向位移，由左、右测线的差值应变分布可以计算得到测管的水平位移，从而得到测管的二维位移分布；为加快数据处理的速度，测管二维位移由数据处理与分析软件计算，依次进行配准、做差、积分运算；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的分布式监测。

本发明所述测管位移量的计算方法为：假设测管底端(基点)不发生偏转(既无转角也无位移)，则管身任意位置z处相对于基点的挠度(即位移)ω(z)为

$\mathrm{\ω}\left(z\right)={\∫}_0^z{\∫}_0^z\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dzdz}---\left(1\right)$

$={\∫}_0^z{\∫}_0^z-\frac{\mathrm{\Δ\ϵ}\left(z\right)}{D}\mathrm{dzdz}$

式中Δε(z)为测管上两条对称布设的光纤应变变化值(相对于初始应变的变化值)之差，ρ为曲率半径，D为测管直径；由此，根据公式(1)即可计算出测管呈十字形对称的两个方向的位移分布；如果测管上呈十字形对称粘贴的传感光纤按上、下、左、右四个方向排布，由上下两条光纤可以计算得到测管的竖向位移分布，由左右两条光纤可以计算得到测管水平向位移分布。

光纤应变的传感基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变变化量呈良好的线性关系。在脉冲光的入射端，通过对接收到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点布里渊频移的测量和定位，然后根据布里渊频移与应变变化之间的线性关系，可以得到分布式光纤测管的应变分布。

本发明的最大特点是提供了一种利用分布式光纤传感技术实现隧道围岩变形分布式超前监测的方法。这种方法的第一个优点是可以实现分布式监测(高密度测点间距可达5cm)，克服传统监测手段测点不连续的缺陷；第二个优点是通过钻孔将光纤测管预先埋入工作面前方的隧道围岩中，监测隧道开挖过程中隧道围岩的动态，实现超前监测；第三个优点是利用光纤的特性，将多个监测孔串接，实现远距离、分布式监测，大幅提高监测效率，降低监测成本；第四个优点是通过编制的计算软件实现自动化数据采集和数据分析，可以比较迅速地获得围岩二维位移分布及其变化规律，满足高频度(可达48次/d)监测的需要；第五个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在潮湿、酸、碱等恶劣环境下使用。

附图说明

图1是监测原理示意图

图2是分布式光纤测管截面图。

图3是测管连接示意图。

图4是测管接头横截面图。

图5是封孔装置中的套管示意图。

图6是封孔装置中的盖板示意图。

图7是封孔装置装配示意图。

图中，1、PP-R管，2、光纤，3、测量管Ⅰ，4、铆钉，5、测量管Ⅱ，6、内接管，7、固定螺丝孔，8、排气孔，9、橡胶垫片，10、光纤引出孔，11、注浆孔，12、固定螺栓。

具体实施方式

结合实施例对本发明加以说明：

一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备BOTDR、数据处理与分析软件构成；通过将通体涂抹胶粘剂的传感光纤以全面粘贴的方式对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测量光纤的应变分布，根据悬臂梁力学模型，假定测管一端位移已知，计算测管沿线横向(与测管长度方向相垂直)二维变形分布；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调，通过测量测管的二维变形分布，实现对隧道围岩二维位移分布的监测；测管二维变形由数据处理与分析软件计算，实现围岩变形的实时、分布式监测。

所述隧道围岩变形分布式光纤监测方法；测管基体采用PP-R管，在PP-R管外侧呈十字形对称切出四个凹槽，在凹槽内粘贴四条传感光纤，制成分布式光纤监测管；将制作好的测管置于隧道围岩的钻孔之中，钻孔由回转式钻机成孔，钻孔直径稍大于测管外径，以能放入测管为准；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，由四条传感光纤中两条相对的光纤应变分布计算测管的二维变形分布；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的分布式监测，克服传统监测手段测点不连续的缺陷，大幅提高监测效率，降低监测成本网。

本发明光纤测管实施的步骤如下：

a)管身切槽：将PP-R管固定，在其外壁标记四条直线，四条直线在管横截面上呈十字形对称分布，然后用切割机沿四条直线在PP-R管表面切一矩形槽，开槽宽度2.5mm，深2mm；

b)光纤粘贴：在PP-R管1表面四个矩形槽内粘贴传感光纤2，传感光纤为直径2mm的聚氨酯单模光纤；粘结剂为环氧树脂，粘贴方式为全面粘贴；

c)管身保护：传感光纤粘贴完成之后，沿管身粘贴强力胶带，然后再在测管上包裹热塑膜，用电热风枪均匀加热，使热塑膜收缩后紧密贴裹在PP-R管之上；

d)测管安装：测管封装保护完成之后，将其推入已施工完成的钻孔内；钻孔易采用回旋钻进，钻孔直径略大于测管直径，以可以顺利安装测管为准；

e)测管连接：将第一根测管Ⅰ3推入钻孔后，在钻孔孔口处连接第二根测管Ⅱ5，连接时要求两根测管表面的4个矩形槽一一对齐，接头采用PP-R材质的内接管6(内接管外壁涂抹102胶水)。两根测管矩形槽对齐后，在测管接头处打孔并用铆钉4将两根PP-R管固定，之后沿PP-R管的矩形槽继续布设传感光纤；重复上述b)～d)步骤，直至所需长度的分布式光纤测管封装完成，并全部安装在钻孔内；

f)耦合注浆：安装钻孔封孔装置，采用注浆机注入配制好的耦合剂浆液至浆液充满测管与孔壁之间空隙；

g)传感光纤引出：将PP-R管上的传感光纤由钻孔封孔装置盖板上的光纤引出孔10(钻孔封孔装置的盖板见图5、6)引出钻孔；

h)线路集成：将多个测管的传感光纤连接，组成分布式光纤监测网。

上述隧道围岩变形分布式光纤超前监测装置，光纤本身既是传感器，也是其他传感器信息传输的媒介。

上述隧道围岩变形分布式光纤超前监测装置，背向散射光的采集设备是一台BOTDR仪器，它可以获得光纤上任意点的布里渊散射光频移，计算后得到光纤的应变分布；通过自行编制的数据处理与分析软件实现数据的及时分析和测管二维位移分布的计算。

上述钻孔封孔装置由套管和盖板两部分组成，套管内径略大于测管外径，套管外径略大于钻孔直径；通过锤击的方式将套管打入到钻孔内，套管与盖板通过螺丝固定，两者之间放置橡胶垫圈9，防止漏浆；盖板中间开孔，直径略小于测管直径，用于将四条传感光纤从钻孔中引出；注浆孔11用于向钻孔内注浆；排气孔8用于注浆过程中的排气以及检验孔内浆液是否注满。封孔装置的套管和盖板见图5和图6，套管与盖板的装配关系见图7。

Claims (4)

1.一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将四条传感光纤十字形对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，将测管上呈十字形对称布设的传感光纤的应变分布进行配准、做差、积分运算后就得到光纤测管横向的二维变形分布；分布式光纤传感技术将测管上下方向上的两条传感光纤串接、左右方向上的两条传感光纤串接，分别构成一条传感线路，以便于同步监测和数据处理，配准是将传感光纤的应变分布正射投影到测管上、下、左、右四条测线的初始位置即基准线上，即将每条光纤上应变点的位置与测管表面上、下、左、右四条测线上相应点的初始位置一一对应；做差是指将测管上同一横截面上、下两条测线或者左、右两条测线的应变值相减，分别得到沿测管竖向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿测管长度进行两次计分运算得到测管上任意点相对于基点的位移；由上、下测线的差值应变分布可以计算得到测管的竖向位移，由左、右测线的差值应变分布可以计算得到测管的水平位移，从而得到测管的二维位移分布；为加快数据处理的速度，测管二维位移由数据处理与分析软件计算，依次进行配准、做差、积分运算；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的实时、分布式监测。

2.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述测管位移量的计算方法为：假设测管底端(基点)不发生偏转(既无转角也无位移)，则管身任意位置z处(图1)相对于基点O的位移ω(z)为：

$\mathrm{\ω}\left(z\right)={\∫}_0^z{\∫}_0^z\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dzdz}---\left(1\right)$

$={\∫}_0^z{\∫}_0^z-\frac{\mathrm{\Δ\ϵ}\left(z\right)}{D}\mathrm{dzdz}$

式中Δε(z)为测管上两条对称布设光纤的差值应变分布，ρ为曲率半径，D为测管直径。

3.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述光纤测管安装在隧道开挖工作面前方，用于监测隧道开挖过程中围岩位移。

4.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述超前监测方法中测管实施的步骤如下：

a)管身切槽：将PP-R管(1)固定，在其外壁标记四条直线，四条直线在管横截面上呈十字形对称分布，然后用切割机沿四条直线在PP-R管表面切一矩形槽，开槽宽度2.5mm，深2mm；

b)光纤粘贴：在PP-R管表面四个矩形槽内粘贴传感光纤(2)，传感光纤为直径2mm的聚氨酯单模光纤；粘结剂为环氧树脂，粘贴方式为全面粘贴；

c)管身保护：传感光纤粘贴完成之后，沿管身粘贴强力胶带，然后再在测管上包裹热塑膜，用电热风枪均匀加热，使热塑膜收缩后紧密贴裹在PP-R管之上；

d)测管安装：测管封装保护完成之后，将其推入已施工完成的钻孔内；钻孔易采用回旋钻进，钻孔直径略大于测管直径，以可以顺利安装测管为准；

e)测管连接：将第一根测管Ⅰ(3)推入钻孔后，在钻孔孔口处连接第二根测管Ⅱ(5)，连接时要求两根测管表面的4个矩形槽一一对齐，接头采用PP-R材质的内接管(6)；两根测管矩形槽对齐后，在测管接头处打孔并用铆钉(4)将两根PP-R管固定，之后沿PP-R管的矩形槽继续布设传感光纤；重复上述b)～d)步骤，直至所需长度的分布式光纤测管封装完成，并全部安装在钻孔内；

f)耦合注浆：安装钻孔封孔装置，采用注浆机注入配制好的耦合剂浆液至浆液充满测管与孔壁之间空隙；

g)传感光纤引出：将PP-R管上的传感光纤由钻孔封孔装置盖板上的光纤引出孔(10)引出钻孔；

h)线路集成：将多个测管的传感光纤连接，组成分布式光纤监测网。

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