CN102384725A - 隧道收敛变形分布式光纤监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

隧道收敛变形分布式光纤监测方法，采用分布式光纤收敛变形监测传感器的设置方法，其特征是将传感光纤布置在与盾构隧道混凝土管片内侧曲面形状一致的基体片材表面构成分布式光纤收敛变形传感器，并将该传感器两端分别固定在混凝土管片内侧，截面是矩形、U形、半圆或弧线状或圆环状，传感光纤有平行的两路，一路为紧套光纤，用于测量沿传感器径向的应变；传感光纤布置在片材传感器表面，利用布里渊光时域分布式光纤传感（BOTDA）方法，通过标定传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性，将其转换为隧道断面的收敛状态变化信息进行隧道断面收敛值的测量。本发明对隧道任意代表性断面的收敛状态进行监测测量精度提升大。

Description

隧道收敛变形分布式光纤监测方法及系统

技术领域

本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的盾构隧道断面收敛变形的检测方法和系统。

背景技术

隧道衬砌结构在施工及营运中会产生形变，为确保隧道的安全，对其断面收敛变形的监测就显得尤为重要。目前分布式光纤传感技术在隧道收敛测量系统中有两种光纤布置方式，第一种为全面接触式，第二种为定点接触式。采用第一种方式，要用环氧树脂等胶粘材料，将光纤黏贴在隧道管片内壁上，所获取的沿隧道断面光纤应变的变化规律，要反演出隧道断面的收敛变化情况相对而言比较困难，并且，胶粘材料的耐久性有限，隧道内又比较潮湿，会导致传感光纤与管片脱粘，影响测量效果。采用第二种定点接触的方式，需要在管片内侧预埋挂钩，然后将传感光纤两端分别张紧固定在挂钩上，当管片发生变形或位移时，挂钩随管片发生移动，挂钩间传感光纤的变形反映出挂钩间两点的收敛变形情况。然而，光缆张紧固定后长时间往往会发生松弛与徐变，而这部分变形往往难以定量考虑，因此会影响到实际测量的结果，造成误判。因此上述两种分布式光纤传感技术的应用方法都存在一定的弊端，在隧道收敛变形监测方面还需研究新的方法和手段。

发明内容

本发明的目的在于，针对既有的隧道代表性断面的收敛状态监测方法所存在的问题，提出一种基于布里渊光时域分布式光纤传感技术BOTDA的盾构式隧道断面收敛变形的测量方法及监测系统。

本发明的目的是这样实现的：隧道收敛变形分布式光纤监测方法，分布式光纤收敛变形监测传感器的设置方法是：将传感光纤布置在与盾构隧道混凝土管片内侧曲面形状一致的基体片材表面构成分布式光纤收敛变形传感器，并将该传感器两端分别固定在混凝土管片内侧，利用布里渊光时域分布式光纤传感（BOTDA）方法，通过标定传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性，将其转换为隧道断面的收敛状态变化信息进行隧道断面收敛值的测量。传感光纤有平行的两路，一路为紧套光纤，用于测量沿传感器径向的应变；但由于光纤同时对温度变化也敏感，因此，需要同时布设温度传感线路。这里，采用松套光纤作为温度传感线路。

具体而言：根据测试要求选定盾构隧道代表性断面，将与混凝土管片内侧曲面形状一致的片材（截面是矩形U形、半圆或弧线状或圆环状）紧贴隧道表面混凝土管片固定，传感光纤布置在 片材传感器表面，并将该传感器两端或多个固定点将传感器分别固定在混凝土管片内侧，光纤两端的由激光发射器分别给光纤注入一束脉冲光和一束连续光，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。

通过标定传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性，进行隧道断面收敛值的测量。一旦隧道断面产生收敛变形，装设在其上的 片材也会随之产生形变，进而附着在片材上的传感光纤发生感应，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能，进而计算出隧道断面收敛变形。

应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变及温度间的线性相关关系，可得待测基桩表面的应变分布和温度分布，进行温度补偿，可得隧道断面的应变分布，进而计算收敛形变。通过对隧道断面混凝土管片应变变化异常规律进行分析，从而确定隧道在运营使用过程中收敛变形程度等定量信息。

盾构隧道收敛变形分布式光纤监测系统，由分布式光纤传感器，光纤传感器的光纤呈线路分布、布里渊背向散射光数据采集设备、相应计算机分析软件等部分构成。传感装置采用双股单模传感光纤；布里渊背向散射光数据采集设备采用布里渊光时域反射计，得到传感光纤的应变分布；利用布里渊光时域分布式光纤传感方法BOTDA提供的GPIB通信接口和网络接口接计算机，BOTDA的工作状态既可以通过手工控制，也可以受计算机控制，实现完全自动化的数据采样和处理；得到的数据文件既可以存贮在BOTDA内置的硬盘上，也可以通过BOTDA的通信接口传送至计算机内，由数据分析软件对这些数据文件进行分析和计算。

本发明的有益效果是：提供了一种利用分布式光纤传感技术实现盾构式隧道断面收敛变形监测的系统。该系统的第一个优点是比之前方法更精确的实现对隧道断面收敛变形的监测；第二个优点是由于使用了片材传感元件从而避免了隧道潮湿而造成的全面粘贴传感光纤的脱落或松弛；第三个优点是避免了固定传感光纤松弛徐变引起的测量误差；第四个优点是可以将多个光纤收敛计串接，实现分布式监测；第五个优点是基于BOTDA技术所实现的远程、在线、自动检测，可以比较迅速地获得隧道断面的收敛变形数据，并在异常情况下报警。

附图说明

图1是光纤传感器（收敛计）的表面传感光纤布置示意图；

图2管片分布式光纤收敛计使用方式；

图3是本发明的系统框图；

图4是本发明算法流程图；

图5a是断面选点各时段的应变值实例。

图5b是断面某时期内收敛形变值实例。

具体实施方式

下面结合附图和本发明技术方案的具体实施过程，对本发明作进一步的详细描述。图中光纤传感器1、螺栓2、双芯光纤3、混凝土管片4、光纤传感器片材5、空隙6、铠装光纤7。

本发明是一个盾构隧道收敛变形分布式光纤监测方法和系统，包括以下实施步骤：

1）使用螺栓将片材的两端沿混凝土管片固定，并使 片材和混凝土管片之间留有一定空隙，使片材有形变的空间；

2）沿片材传感器表面的两道凹槽分别并行布设两条传感光纤，一条为紧套光纤，另一条为松套光纤，分别对测斜管外表面的应变和温度进行测量；

3）将两道凹槽内的紧套光纤和松套光纤分别在 片材传感器表面的两道凹槽末端处熔接并引出，在引出的光纤上熔接尾纤进行单独测量，或将若干个分布式光纤收敛计相互熔接，串接在一条光纤线路上，并最终接至BOTDA；

4）使用BOTDA测量传感光纤的应变分布和温度分布，获得 片材表面的应变分布。BOTDA仪器本身具有操作面板，因此，仪器的采样过程可以手动控制。另外，仪器本身具有特定网络接口，因此，仪器可以和计算机连接，由计算机对采样过程进行控制； 

5）BOTDA采到的数据可以存储在计算机的内部，也可以通过仪器的网络接口和计算机连接，利用计算机强大的运算功能对数据进行计算和分析，获得传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性，从而得到隧道断面收敛值。

本发明的传感光纤有两路，一路为紧套光纤，用于测量沿片材的应变。但由于光纤同时对温度变化也敏感，因此，需要同时布设温度传感线路。这里，采用松套光纤作为温度传感线路。光纤两端的激光发射器分别给光纤注入一束脉冲光和一束连续光，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤变、 温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率。

根据公式ΔνB(z)=C1·Δε(z)+ C2·ΔΤ(z)进行转换，获得所需要得到的应变或者温度信息:      其中 ΔνB(z)为布里渊光频移变化量；            Δε(z)为传感光纤(离入射端面距离)处的应变变化；            ΔΤ(z)为传感光纤处的温度变化；            C1，C2为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数。

由频移与光纤应变之间的线性关系，获得光纤的应变分布。上述过程由BOTDA完成，计算机通过GPIB接口向BOTDA发送控制指令，获取仪器的工作状态，得到的数据文件由网络接口导入计算机，由计算机程序对这些数据进行计算和分析。

隧道混凝土管片的收敛变形会带动收敛计的 片材发生同步变形，进而 片材上的双股单模传感光纤应变状态会随之改变，通过对传感光纤的应变分布进行相应的分析，就可以反求传感光纤的布里渊频移变化量，进而得到隧道断面的收敛值。

上述分布式光纤传感系统，以管片分布式光纤收敛计为媒介，用于隧道断面收敛变形的一种固定式测量系统。

上述分布式光纤传感系统，光纤作为传感器使用，同时也作为传输媒介，即收敛计与收敛计之间，收敛计与BOTDA之间的光传输线路。

上述分布式光纤传感系统，背向散射光检测模块是一台BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis布里渊光时域分析仪），获得光纤上各个采样点的布里渊散射光频移，利用BOTDA提供的特定通信接口和网络接口实现与计算机的通信和数据交换。上述分布式光纤传感系统，由计算机软件自动对获得的数据进行计算和分析，得到隧道断面收敛变形数据，当收敛变形超过预设值，给出报警提示。

典型的分布式光纤传感系统，传感光纤的直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。

参见图1，图1是收敛计表面传感光纤布置示意图。双股单模传感光纤平行的铺设于分布式光纤收敛传感器的 片材设置的凹槽内，保证传感光纤与 片材的紧密接触。 片材的两端打有小孔，传感光纤由小孔穿出，套好接头后穿入另一个光纤收敛计的 片材，以此类推。最后串接于BOTDA。

参见图2，图2管片分布式光纤收敛计使用方式。用螺栓将的传感器固定于隧道的混凝土管片上，应使传感器与混凝土管片之间留有均匀的空隙，空隙的距离为1-3mm，通过垫片安装 片材，螺栓的间隔为20-50cm，便于片材有形变空间。

参见图3，图3是本发明的系统框图。使用光缆将各个收敛计的光纤熔接在一条光纤线路上，将光纤的一端接至BOTDA。BOTDA的采样过程通过网线接口由计算机控制，得到的数据文件由网络接口传入计算机，由计算机程序对这些数据文件进行计算和分析，最终获得隧道断面的收敛形变。

参见图4，图4是本发明算法流程图。

参见图5a，图5a是断面选点各时段的应变值实例，分布式光纤传感器在垂直于隧道前进方向的垂直平面分布成环状，设有光纤的片材依靠螺栓固定于隧道的混凝土管片壁上，片材与混凝土管片壁两者之间留有空隙。选取隧道一个代表性断面，在此断面圆周上布置收敛计。在断面圆周上选取了30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°共12个点在09年7月4日到10年3月30日的应变情况。

参见图5b，图5b是断面某时期内收敛形变值实例。由图5a得到的应变数据算出此隧道断面的12个选点在7月4日到次年3月30日的收敛值。

Claims (8)

1.隧道收敛变形分布式光纤监测方法，采用分布式光纤收敛变形监测传感器的设置方法，其特征是将传感光纤布置在与盾构隧道混凝土管片内侧曲面形状一致的基体片材表面构成分布式光纤收敛变形传感器，并将该传感器两端分别固定在混凝土管片内侧，截面是矩形、U形、半圆或弧线状或圆环状，传感光纤有平行的两路，一路为紧套光纤，用于测量沿传感器径向的应变；同时布设套光纤作为温度传感光纤；传感光纤布置在片材传感器表面，并将该传感器两端或多个固定点将传感器分别固定在混凝土管片内侧，光纤两端的由激光发射器分别给光纤注入一束脉冲光和一束连续光，利用布里渊光时域分布式光纤传感(BOTDA)方法，通过标定传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性，将其转换为隧道断面的收敛状态变化信息进行隧道断面收敛值的测量。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道收敛变形分布式光纤监测方法，其特征是根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两束激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率。

3.根据权利要求1所述的隧道收敛变形分布式光纤监测方法，其特征是根据测试要求选定隧道代表性断面，将与混凝土管片内侧曲面形状一致的片材紧贴隧道表面混凝土管片固定，片材内传感光纤布置在片材传感器表面，并将该传感器两端或多个固定点将外壳为的片材的光纤传感器分别固定在混凝土管片内侧。

4.隧道收敛变形分布式光纤监测系统，其特征是由分布式光纤传感器，激光光源，呈线路分布的光纤传感器的光纤、布里渊背向散射光数据采集设备、具有BOTDA分析软件的计算机构成，传感装置采用双股单模传感光纤；布里渊背向散射光数据采集设备采用布里渊光时域反射计，利用布里渊光时域分布式光纤传感方法BOTDA提供的GPIB通信网络接口接计算机；在隧道的混凝土管片表面布设片材光纤收敛计即分布式光纤传感器，分布式光纤传感器内传感光纤有平行的二股，其中一股为紧套光纤，用于隧道断面应变分布测量；另一股为松套光纤，用于温度补偿；布里渊背向散射光数据采集设备BOTDA通过特定通信接口或网络接口实现与计算机的通信和数据交换。

5.由权利要求4所述的隧道收敛变形分布式光纤检测系统，其特征是分布式光纤传感器在垂直于隧道前进方向的垂直平面分布成环状，设有光纤的片材依靠螺栓固定于隧道的混凝土管片壁上，片材与混凝土管片壁两者之间留有空隙。

6.由权利要求5所述的隧道收敛变形分布式光纤检测系统，其特征是双股单模传感光纤平行的铺设于分布式光纤收敛传感器的基体片材预置的凹槽内，凹槽保证传感光纤与片材的紧密接触；

片材的两端打有小孔，传感光纤由小孔穿出，套好接头后穿入另一个光纤收敛计的片材，以此类推；最后串接于BOTDA。

7.由权利要求5所述的盾构隧道收敛变形分布式光纤检测系统，其特征是用螺栓将分布式光纤收敛传感器的基体片材固定于隧道的混凝土衬砌(管片)上，通过垫片安装片材，空隙的距离为1-3mm，螺栓的间隔为20-50cm。

8.由权利要求4或5所述的隧道收敛变形分布式光纤检测系统，其特征是上述分布式光纤传感系统，传感光纤为直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。

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