CN103123252A - 盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明利用光纤光栅传感与光纤通讯的方式对盾构隧道掘进施工中管片壁后同步注浆过程的多个控制参量进行实时监测。远程实时的多参量监测是该发明的最大特点，即利用预先埋设在管片控制位置的光纤光栅等各类传感器，在隧道的管片壁后同步注浆过程中，对管片注浆侧的孔隙水压力、土压力以及管片温度、混凝土应变、钢筋应变等控制参数进行远程实时监测，并可根据监测数据调整注浆压力，以确保注浆过程顺利完成并确保注浆质量。本发明实用性和适用性强，可对隧道管片壁后同步注浆施工中任意监测环实施，可提高同步注浆过程与注浆质量的可控性。

Description

盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法与系统

技术领域

本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种基于光纤光栅传感与光纤通讯的盾构隧道管片壁后同步注浆施工过程质量控制的多参量实时监测方法与系统。 

背景技术

盾构隧道管片壁后注浆是将适量的具有一定早期强度及最终强度的注浆材料，在隧道衬砌管片拼装后，按一定的注浆压力和注浆量，填入盾尾空隙内，待其固结硬化后充填壁后空隙，提供一定承载力并稳定管片衬砌的方法。它是盾构施工中一道非常重要的工序，能够主动降低地层沉降对周围环境不利影响，同时也是确保隧道结构安全健康运营所必不可少的步骤。由于壁后注浆施工过程中经常出现堵管导致注浆不满、流动性较大浆液的流失严重、注浆压力过大造成管片错台甚至导致管片开裂等问题， 因此壁后同步注浆的实时监测是一项确保注浆质量的重要工作。光纤光栅传感器作为一种新型的传感器，具有轻巧易用、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、信号传输方便、可级联复用，以及具有波长编码绝对值测量，可实现分布式监测等优点，本发明基于光纤光栅传感与光纤通讯技术，实现了盾构隧道管片壁后同步注浆施工过程中对环境作用及管片响应进行远程实时多参量监测的一种方法与系统，可达到对注浆过程与注浆质量进行有效控制的目的。 

发明内容

本发明的目的在于，针对既有的隧道管片壁后注浆施工中所存在的问题，提出一种基于光纤光栅传感器和光纤通讯的盾构隧道管片壁后同步注浆施工多参量监测的方法和系统，以实现对注浆过程和注浆质量有效的控制。 

本发明的目的是这样实现的：基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法与系统，包括以下实施步骤： 

1）在预制管片混凝土浇筑前，将温度计，混凝土应变计、钢筋计、土压计、渗压计等光纤光栅传感器预埋就位；

2）预制管片安装就位后，在预制管片藏线盒内将光纤光栅传感器的尾纤引出接入光纤光栅信号解调仪；

3）光纤光栅解调仪采到的数据通过局域网与控制计算机连接，通过分析传感器光纤光栅传感器反射光波长的漂移量，获得盾构隧道施工时预制管片在壁后注浆施工过程中注浆侧土压力、水压力、温度、混凝土应变与钢筋应变多个参量。

当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅反射信号的波长位移，通过监测物理量变化前后光栅反射光波长位移的情况，即可获知待测物理量的变化情况。 

布设的光纤光栅传感器永久地保存在盾构隧道结构体中；用作长期实时监测。 

基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，包括安装在预制管片混凝土浇筑控制点的温度计，混凝土应变计、钢筋计、土压计、渗压计等光纤光栅传感器，用于接收光纤光栅信号的解调仪；解调仪连接控制计算机用于分析光纤光栅传感器反射光波长的漂移量，获得盾构隧道施工时预制管片在壁后注浆施工过程中注浆侧土压力、水压力、温度、混凝土应变与钢筋应变多个参量数值。控制计算机获取环境水、土压力与管片受力与变形，得到的数据文件由网络接口导入计算机，通过专用软件对这些数据进行计算和分析，从而对注浆进程与注浆量进行控制。 

预先在隧道混凝土预制管片内埋设光纤光栅及其它种类的传感器，通过探测出光栅栅距的变化所产生光栅反射光波长漂移量，并将其转换为隧道断面管片在注浆施工中管片温度、钢筋应变、混凝土应变的实时变化量以及管片注浆测的孔隙水压力和土压力的实时变化量，并根据这些参数对注浆过程与注浆质量进行同步控制。钢筋应变、混凝土应变、管片注浆测的孔隙水压力和土压力均由光纤光栅传感器传感获得，光纤光栅传感器光栅周期或纤芯折射率的变化产生光栅反射光波长位移的情况，将其转换为隧道断面管片在注浆施工中各监测量（包括管片温度、钢筋应变、混凝土应变）的变化量。 

具体而言：根据施工要求，在盾构隧道所处的推进断面上，将预先埋设传感器的混凝土管片安装就位后进行壁后注浆，随着注浆工序的进行，管片上控制位置上光纤光栅会发生相应的栅距变化，利用光纤光栅解调设备同步的接收各测点光纤光栅信息，通过接收到的光栅周期或纤芯折射率的变化产生光栅反射光波长位移的情况，将其转换为隧道断面管片在注浆施工中各监测量（包括土压力、孔隙水压力、管片温度、钢筋应变、混凝土应变）的变化量。 

本发明的有益效果是，本发明提供了一种基于光纤光栅传感和光纤通信的可实现盾构式隧道管片壁后同步注浆进程与注浆量控制的多参量监测的方法和系统。该系统的第一个优点是可方便地实现对壁后同步注浆过程中环境压力与管片物理、力学性能的实时监测；第二个优点是传感器布设灵活便捷，持久耐用且不易受电测干扰故测试效果良好；第三个优点是布设的传感器可永久地保存在结构体中用作长期实时监测；第四个优点是大量采用光纤光栅传感器可实现级联减少现场布线；第五个优点是基于光纤光栅传感技术及光纤通讯技术可实现对壁后同步注浆过程的远程、在线、自动监测，可以迅速地获得管片注浆过程中多个控制参量的同步监测数据，可对注浆进程、注浆数量和注浆质量进行同步控制。 

附图说明

图1是监测环管片布置示意图；此断面布环图方向为面向隧道掘进方向； 

图2是监测管片上多传感器布置示意图； 

图3是本发明的系统框图； 

图4是本发明算法流程图； 

图5a是断面在注浆过程中的各管片内外水压力时程曲线。 

图5b是断面在注浆过程中的各管片内外土压力时程曲线。 

图5c是一个应用实例中同步注浆过程中管片内外侧温度变化时程曲线 

图5d是断面在注浆过程中各管片内外侧及环纵向钢筋应变时程曲线。 

图5e是该实例同步注浆过程中管片内外侧及环纵向混凝土应变变化时程曲线。 

具体实施方式

下面结合一具体实例说明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，但本发明的应用不限于此。 

本发明是一个基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法与系统，具体实施包括以下实施步骤： 

1）在预制管片混凝土浇筑前将温度计、混凝土应变计、钢筋计、土压计、渗压计等光纤光栅传感器安装在管片控制点，浇筑混凝土养护后将各类传感器预埋在管片内。

2）管片安装就位后在管片藏线盒内将尾纤引出接入光纤光栅信号解调仪 

3）解调仪采到的数据通过局域网与控制计算机连接，通过分析传感器光栅反射光波长的漂移量，获得隧道管片在壁后注浆施工过程中注浆侧土压力、水压力、温度、混凝土应变与钢筋应变等多个参量。

本发明所利用的FBG光纤传感原理如下： 

满足下列条件的入射光波被FBG反射：

λ_B=2nΛ

公式中Δλ_B为FBG反射波长（nm），n为光纤有效折射率，Λ为纤芯折射率的调制周期（nm）或光栅周期。

当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅反射信号的波长位移，通过监测物理量变化前后光栅反射光波长位移的情况，即可获知待测物理量的变化情况。 

由外界引起的FBG轴向应变和折射率变化造成FBG中心反射波长的漂移为： 

Δλ_B/λ_B=k_εε

由环境温度变化引起FBG中心反射波长的漂移为：

Δλ_B/λ_B=(α+ξ) ΔΤ

公式中Δλ_B为FBG反射波长的漂移量（nm），ε为光纤轴向应变（με），k_ε为FBG应变传感灵敏度系数，α为光纤的线膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔΤ为外界温度的变化量（℃）。

通过设置温度补偿片，使得应力和温度引起的FBG反射波长变化相互独立开来，当应变和温度同时变化时，通过获知FBG反射波长漂移量即可获得温度和应变的变化量。 

上述系统，以管片上的光纤光栅为基本测量元件，用于隧道管片在壁后同步注浆施工中的多参量测量的一种测量方法及系统。光纤既作为传感器使用，同时也作为传输媒介，即作为传输光缆线路。计算机获取环境压力与管片受力变形，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，从而对注浆过程与注浆质量以及注浆速率进行控制。 

参见图1，图1是监测断面管片分布示意图。当现场条件不便时，可将实时同步监测集中于顶部（半圆）的预制管片，即图中的B6、B7、L2、F、L1。 

参见图2，图2是监测管片上传感器布置示意图。包括了温度传感器、钢筋应变传感器、混凝土应变传感器、土压力计、渗压计等光纤光栅传感器。 

参见图3，图3是本发明的系统框图。使用光缆将各个传感器熔接在光纤线路上，将光纤的一端接至数据采集设备。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，最终获得隧道管片各数据。 

参见图4，图4是本发明算法流程图。 

参见图5a，图5a是断面在注浆过程中的各管片内外水压力时程曲线。在断面圆周上选取了共12个点，监测过程数据采集与注浆过程同步，累积持续约2小时15分钟。 

参见图5b，图5b是断面在注浆过程中的各管片内外土压力时程曲线。在断面圆周上选取了共12个点，监测过程数据采集与注浆过程同步，累积持续约2小时15分钟。 

参见图5c，图5c是断面在注浆过程中的各管片内外测温度时程曲线。在断面圆周上选取了共12个点，监测过程数据采集与注浆过程同步，累积持续约2小时15分钟。 

参见图5d ，图5d是断面在注浆过程中各管片内外侧及环纵向钢筋应变时程曲线。在断面圆周上选取了共12个点，监测过程数据采集与注浆过程同步，累积持续约2小时15分钟。 

参见图5e，图5e是断面在注浆过程中各管片内外侧及环纵向混凝土应变时程曲线。在断面圆周上选取了共12个点，监测过程数据采集与注浆过程同步，累积持续约2小时15分钟。 

Claims (8)

1.基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法，其特征是包括以下步骤：

1）在预制管片混凝土浇筑前，将温度计、混凝土应变计、钢筋计、土压计、渗压计光纤光栅传感器安装就位；

2）预制管片安装就位后，在预制管片藏线盒内将光纤光栅传感器的尾纤引出接入光纤光栅信号解调仪；

3）光纤光栅传感器采到的数据通过局域网与控制计算机连接，通过分析传感器光纤光栅传感器反射光波长的漂移量，获得盾构隧道施工时预制管片在壁后注浆施工过程中注浆侧土压力、孔隙水压力、温度、混凝土应变与钢筋应变多个参量的实时变化情况。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法，其特征是通过探测出光栅传感器栅距的变化所产生光栅反射光波长漂移量，并将其转换为隧道断面管片在注浆施工过程中管片温度、钢筋应变、混凝土应变的实时变化量以及管片注浆侧的孔隙水压力和土压力的实时变化量，并根据这些参数对注浆进程、注浆质量与注浆速度进行同步控制。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测方法，其特征是布设的光纤光栅传感器永久地保存在盾构隧道结构体中；用作长期实时监测。

4.基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，其特征是包括安装在预制管片混凝土浇筑控制点的温度计，混凝土应变计、钢筋计、土压计和渗压计光纤光栅传感器，用于接收光纤光栅信号的解调仪；设有解调仪连接控制计算机用于分析光纤光栅传感器反射光波长的漂移量，获得盾构隧道施工时预制管片在壁后注浆施工过程中注浆侧土压力、水压力、温度、混凝土应变与钢筋应变多个参量数值；控制计算机获取环境水、土压力与管片受力与变形，得到的数据文件由网络接口导入计算机，通过专用软件模块对这些数据进行计算和分析，从而对注浆进程与注浆量进行控制。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，其特征是通过对隧道管片注浆侧土压力、水压力以及管片温度、混凝土应变与钢筋应变量的实时监测，从而确定注浆压力等控制指标是否适当。

6.  根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，其特征是传感器在管片混凝土浇筑前安装在钢筋上控制点，并通过浇筑混凝土将传感器预埋在管片内。

7.    根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，其特征是其中光纤光栅传感器预埋在混凝土管片内部而其它设备可在现场快速布置；信号解调设备通过网络接口实现与计算机的通信和数据交换。

8.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感与光纤通信的盾构隧道管片壁后同步注浆多参量实时监测系统，其特征是通过采集压力注浆过程中管片注浆侧土压力、水压力与管片温度、混凝土应变与钢筋应变，来获得管片收到压力以及管片受力与变形响应的信息，从而对注浆管内压力进行控制，以保证注浆进程与注浆质量。

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