CN102677645A - 一种用于水平冻结冻土多场耦合实时感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水平冻结施工监测技术领域，提供一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，该方法将光纤光栅传感器串联，并将光纤光栅传感器附着在钢管内壁植入地层。本发明方法能够有效实现在水平冻结的冻土中埋设光纤光栅传感器，且保证传感器的信号良好，为实时连续的对冻结过程中的冻土温度-应力进行耦合监测提供必要条件。

Description

一种用于水平冻结冻土多场耦合实时感知方法

技术领域

本发明属于水平冻结施工监测技术领域，具体涉及一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法。

背景技术

随着经济的发展，城市化进程不断加快，城市建设规模不断扩大。许多大城市出现交通拥挤等一系列问题，严重制约社会经济的进一步发展，迫切需要修建地铁来改善城市环境和缓解交通压力。其中联络通道施工是整个地铁建设的关键工序和风险点，施工过程中需维持周围土体的稳定以保证地下管线和上层建筑物不受影响。然而在一些特殊地质条件下，地下水位埋深较浅，而且地层软弱(如淤泥、淤泥质土和流沙层等)，在这种地层中施工，常规方法难以维持周围土体稳定，需采用特殊的人工冻结法来达到要求，而且实践证明冻结法是一种行之有效的地层加固方法。

因为地铁一般位于城市繁华地段或交通要地，在地层软弱(如淤泥质土)土中，由于冻结法能在复杂的工程地质和水文条件下形成冻结帷幕，具有严格的防水性和无污染性等优点，在许多特殊条件下被广泛利用。但是任何事物都有两面性，对于联络通道冻结法施工，包括冻结管施工、冻结及开挖构筑等阶段，在这个施工过程中，冻土的力学性质发生了剧烈变化，而且在此过程中冻土伴随着冻胀的产生、发展及融沉的形成，其水平冻结引起的过量冻胀量和融沉量有可能破坏地下管线或造成地基失稳，使邻近建筑物(构筑物)产生倾斜、裂缝、严重时会导致建筑物坍塌等事故，同时因冻结产生的冻胀力也将对主隧道等产生一系列不利影响。因此必须控制好冻土帷幕温度场的发展，使得冻土帷幕的强度和稳定性保证联络通道开挖要求，故冻土温度和应变的监测就显得尤为重要。

传统的水平冻结冻土监测主要包括冻土温度和冻土压力两方面。冻土测温使用测温仪，其制冷系统和冷却水循环以及冻结帷幕帮壁温度使用测温仪并结合精密水银温度计测量。这种方法使得一条冷冻管内需要多根防水信号传输电缆，且每个电子式传感器都需要很好的防水防潮保护；冻土压力的监测主要靠埋设到土层中的土压力盒进行监测，这种方法中土压力盒仅埋设在贴近管片的土层中，监测出的土压力无法代表土层其它各处的压力。在监测所得的数据基础上进行简单的计算得出冻土帷幕的发展范围。

综上所述，鉴于传统的水平冻结施工在监测方面存在的缺陷，对水平冻结施工过程进行实时温度-应力耦合监测具有重要的工程意义和推广应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，该方法能够有效实现在水平冻结的冻土中埋设光纤光栅传感器，且保证传感器的信号良好，为实时连续的对冻结过程中的冻土温度-应力进行耦合监测提供必要条件。

 本发明所述的一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，该方法包括以下步骤：

（1）将光纤光栅传感器固定于钢管内，采用数控技术对光纤光栅传感器两端的固定块进行加工，并在钢管和光纤光栅传感器固定块上车丝，将光纤光栅传感器与钢管用螺栓进行连接，钢管上的螺栓孔用焊接方法焊死；

（2）将光缆线跳线线缆固定于钢管内，加工用于固定线缆的铝制固定块，线缆穿过固定块，固定块与钢管用螺栓进行连接；

（3）在运至冻土施工现场前对钢管两端的线缆端部进行防水保护，带光纤光栅传感器的钢管两端的光缆线端部用纱布+锡箔纸进行密封保护；带光缆线跳线的钢管两端的线缆端部用纱布+锡箔纸+铝制线缆槽进行密封保护，铝制线缆槽卡入用于固定线缆的铝制固定块孔洞内； 

（4）植入钢管及连接光纤光栅传感器，采用钻机钻进的方法将钢管附带光纤光栅传感器分节植入地层中，拆除步骤（3）中所述的光纤光栅传感器两端的光缆线端部和光缆线跳线端部的防水保护；将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行密封保护，线缆最末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封保护；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进，在第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，线缆末端从每次钻进的钢管中穿出，在钢管尾部盘成线盘塞入钢管，在下一根钢管钻进之前对线缆末端进行防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，下一根钢管钻进后将在前一根钢管尾部盘成线盘的线缆解开从钢管中穿出，之后如此反复埋设好光纤光栅传感器；

（5）采集监测数据，将光纤光栅传感器与数据采集装置连接，对冻土进行温度、应变实时监测。

在上述技术方案中，步骤（1）所述的将光纤光栅传感器固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，攻丝，采用数控技术加工固定块，并安装在光纤光栅传感器两端，在固定块上攻丝，同时在钢管中间对应光纤光栅传感器固定块丝口位置车丝；

第二步，固定，将光纤光栅传感器伸入钢管内，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第三步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

在上述技术方案中，步骤（2）所述的将光缆线跳线线缆固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，固定块加工，采用数控技术进行固定块加工，固定块上下两面大小比钢管内径略小，固定块中央开孔，孔径略大于缆线接头直径即可；

第二步，攻丝，在钢管两端距管口约10cm位置车丝；

第三步，固定，将固定块伸入钢管管口，线缆穿过固定块，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第四步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

在上述技术方案中，步骤（4）所述的植入钢管及连接光纤光栅传感器，具体步骤如下：

第一步，将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行防水保护；

第二步，上步骤线缆末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进；

第三步，在上述步骤的第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，用铁丝制作W型卡槽，将线缆卡在卡槽内，然后将卡槽塞入钢管头部；钢管尾部将伸出钢管的线缆盘成钢管内径大小的圆盘，用扎丝固定，并塞入每节钢管尾部的丝口以内，保证钢管连接时不会挤压到线盘；每根钢管钻进之前进行线缆防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；

第四步，钢管对接与焊接保护，当末端为带光纤光栅传感器的钢管，光缆接头对接时应提前对前一根钢管内的跳线向着拧紧钢管的反方向反拧约10圈，保证在拧紧钢管后光纤光栅传感器线缆顺直不扭曲；同时为了保证钢管对接之后的焊接过程不损坏光缆接头，在钻孔过程中必须在钢管内注水。

本发明采用一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，具有如下优点： 

（1）检测方便，用于水平冻结的冻土温度-应力场耦合实时感知方法，只需完成检测设备设置后，检测人员无需再次进入隧道内部，便可进行自动监测，进而简化监测过程。

（2）实时检测，本方法采用光纤光栅技术对水平冻结冻土进行监测，能够实现实时不间断获取监测数据并进行分析。

（3）精度较高，相比传统的人工现场监测法，本系统采用光纤光栅的监测方法，实现隧道联络通道冻结施工的温度、应变监测精度的提升。

（4）多场耦合，本方法采用光纤光栅技术对水平冷冻冻土进行监测，光纤光栅传感器能同时测量冻土温度及应变并进行耦合。

附图说明

图1是本发明所述的一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，该方法将光纤光栅传感器串联，并将光纤光栅传感器附着在钢管内壁植入地层，该方法包括以下步骤：

（1）光纤光栅传感器、钢管、线缆等设备准备到位；

（2）将光纤光栅传感器固定于钢管内，采用数控技术对光纤光栅传感器两端的固定块进行加工，并在钢管和光纤光栅传感器固定块上车丝，将光纤光栅传感器与钢管用螺栓进行连接，钢管上的螺栓孔用焊接方法焊死；

（3）将光缆线跳线线缆固定于钢管内，加工用于固定线缆的铝制固定块，线缆穿过固定块，固定块与钢管用螺栓进行连接；

（4）运至冻土施工现场前对钢管两端的线缆端部进行防水保护，带光纤光栅传感器的钢管两端的光缆线端部用纱布+锡箔纸进行密封保护；带光缆线跳线的钢管两端的线缆端部用纱布+锡箔纸+铝制线缆槽进行密封保护，铝制线缆槽卡入用于固定线缆的铝制固定块孔洞内；

（5）将上述步骤处理后的材料运至冻土施工现场，采用钻机钻进的方法将钢管附带光纤光栅传感器分节植入地层中，拆除步骤（4）中所述的光纤光栅传感器两端的光缆线端部和光缆线跳线端部的防水保护；将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行密封保护，线缆最末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封保护；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进，在第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，线缆末端从每次钻进的钢管中穿出，在钢管尾部盘成线盘塞入钢管，在下一根钢管钻进之前对线缆末端进行防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，下一根钢管钻进后将在前一根钢管尾部盘成线盘的线缆解开从钢管中穿出，之后如此反复埋设好光纤光栅传感器；同时检验光纤光栅传感器的信号强度。

（5）采集监测数据，将光纤光栅传感器与采集装置连接，对冻土进行温度、应变实时监测。

在上述实施例中，步骤（1）所述的将光纤光栅传感器固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，攻丝，采用数控技术加工固定块，并安装在光纤光栅传感器两端，在固定块上攻丝，同时在钢管中间对应光纤光栅传感器固定块丝口位置车丝；

第二步，固定，将光纤光栅传感器伸入钢管内，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第三步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

    在上述实施例中，步骤（2）所述的将光缆线跳线线缆固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，固定块加工，采用数控技术进行固定块加工，固定块上下两面大小比钢管内径略小，固定块中央开孔，孔径略大于缆线接头直径即可；

第二步，攻丝，在钢管两端距管口约10cm位置车丝；

第三步，固定，将固定块伸入钢管管口，线缆穿过固定块，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第四步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

 在上述实施例中，步骤（4）所述的植入钢管及连接光纤光栅传感器，具体步骤如下：

第一步，将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行防水保护；

第二步，上步骤线缆末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进；

第三步，在上述步骤的第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，用铁丝制作W型卡槽，将线缆卡在卡槽内，然后将卡槽塞入钢管头部；钢管尾部将伸出钢管的线缆盘成钢管内径大小的圆盘，用扎丝固定，并塞入每节钢管尾部的丝口以内，保证钢管连接时不会挤压到线盘；每根钢管钻进之前进行线缆防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；

第四步，钢管对接与焊接保护，当末端为带光纤光栅传感器的钢管，光缆接头对接时应提前对前一根钢管内的跳线向着拧紧钢管的反方向反拧约10圈，保证在拧紧钢管后光纤光栅传感器线缆顺直不扭曲；同时为了保证钢管对接之后的焊接过程不损坏光缆接头，在钻孔过程中必须在钢管内注水。

Claims (4)

1.一种用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）将光纤光栅传感器固定于钢管内，采用数控技术对光纤光栅传感器两端的固定块进行加工，并在钢管和光纤光栅传感器固定块上车丝，将光纤光栅传感器与钢管用螺栓进行连接，钢管上的螺栓孔用焊接方法焊死；

（2）将光缆线跳线线缆固定于钢管内，加工用于固定线缆的铝制固定块，线缆穿过固定块，固定块与钢管用螺栓进行连接；

（3）在运至冻土施工现场前对钢管两端的线缆端部进行防水保护，带光纤光栅传感器的钢管两端的光缆线端部用纱布+锡箔纸进行密封保护；带光缆线跳线的钢管两端的线缆端部用纱布+锡箔纸+铝制线缆槽进行密封保护，铝制线缆槽卡入用于固定线缆的铝制固定块孔洞内； 

（4）植入钢管及连接光纤光栅传感器，采用钻机钻进的方法将钢管附带光纤光栅传感器分节植入地层中，拆除步骤（3）中所述的光纤光栅传感器两端的光缆线端部和光缆线跳线端部的防水保护；将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行密封保护，线缆最末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封保护；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进，在第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，线缆末端从每次钻进的钢管中穿出，在钢管尾部盘成线盘塞入钢管，在下一根钢管钻进之前对线缆末端进行防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，下一根钢管钻进后将在前一根钢管尾部盘成线盘的线缆解开从钢管中穿出，之后如此反复埋设好光纤光栅传感器；

（5）采集监测数据，将光纤光栅传感器与数据采集装置连接，对冻土进行温度、应变实时监测。

2.根据权利要求1所述的用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，其特征在于步骤（1）所述的将光纤光栅传感器固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，攻丝，采用数控技术加工固定块，并安装在光纤光栅传感器两端，在固定块上攻丝，同时在钢管中间对应光纤光栅传感器固定块丝口位置车丝；

第二步，固定，将光纤光栅传感器伸入钢管内，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第三步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

3.根据权利要求1所述的用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，其特征在于，步骤（2）所述的将光缆线跳线线缆固定于钢管内，具体步骤如下：

第一步，固定块加工，采用数控技术进行固定块加工，固定块上下两面大小比钢管内径略小，固定块中央开孔，孔径略大于缆线接头直径即可；

第二步，攻丝，在钢管两端距管口约10cm位置车丝；

第三步，固定，将固定块伸入钢管管口，线缆穿过固定块，固定块丝口与钢管丝口对上，并上好螺丝固定；

第四步，焊接，将钢管上的丝口进行焊接，保证其密封性。

4.根据权利要求1所述的用于水平冻结冻土的多场耦合实时感知方法，其特征在于，步骤（4）所述的植入钢管及连接光纤光栅传感器，具体步骤如下：

第一步，将光纤光栅传感器之间用光缆线跳线进行串联，其线缆接头采用纱布+锡箔纸+硅胶的方法进行防水保护；

第二步，上步骤线缆末端采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；在钻进过程中，第一根采用带光纤光栅传感器的钢管钻进，之后交替采用仅带跳线的钢管和带光纤光栅传感器的钢管钻进；

第三步，在上述步骤的第一根钢管钻进时，在钢管前端接第二通道，第二通道由若干钢管组成，只使用一根线缆，线缆首端与上述第一根钻进的钢管内的光纤光栅传感器相连，其接头用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封，用铁丝制作W型卡槽，将线缆卡在卡槽内，然后将卡槽塞入钢管头部；钢管尾部将伸出钢管的线缆盘成钢管内径大小的圆盘，用扎丝固定，并塞入每节钢管尾部的丝口以内，保证钢管连接时不会挤压到线盘；每根钢管钻进之前进行线缆防水保护，采用硅胶+锡箔纸+塑料套管进行密封；

第四步，钢管对接与焊接保护，当末端为带光纤光栅传感器的钢管，光缆接头对接时应提前对前一根钢管内的跳线向着拧紧钢管的反方向反拧约10圈，保证在拧紧钢管后光纤光栅传感器线缆顺直不扭曲；同时为了保证钢管对接之后的焊接过程不损坏光缆接头，在钻孔过程中必须在钢管内注水。

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