CN103397910A - 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 - Google Patents
基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103397910A CN103397910A CN2013103362052A CN201310336205A CN103397910A CN 103397910 A CN103397910 A CN 103397910A CN 2013103362052 A CN2013103362052 A CN 2013103362052A CN 201310336205 A CN201310336205 A CN 201310336205A CN 103397910 A CN103397910 A CN 103397910A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- detection fiber
- wavelength
- optical fiber
- tunnel
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法。隧道施工掘进过程的未砌衬空间中易发生安全事故,用常规手段难以预测此类灾害的发生。本发明在施工隧道壁上敷设检测光纤,宽带光源发出的宽带光信号经隔离器和3dB耦合器传输到检测光纤,经检测光纤的波长选择产生一组不同波长的反射光,再次经3dB耦合器由波长解调器接收,波长识别后监测出波长的变化即应力变化,得到灾害预警信息,送入专用或公众网络向工程人员发布。本发明能实现高精度、无干扰测量,使用寿命长、信号传输远,适合用于长大隧道安全监测,测量结果不受外界干扰、传输损耗、设备老化等因素的影响,信息容量较大。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程安全检测技术领域,具体涉及一种基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法。
背景技术
由于技术及资金的瓶颈突破,近年来我国铁路、公路等建设项目中选择了大量的长大隧道,以缩短线路长度,提高线路的运输能力。因此,隧道工程项目在日益增多。近年来,在许多地质状况复杂的地区,隧道的修建数量也在增加。隧道施工中的安全问题一直是关系到人员生命及国家财产的重大问题。多年来,建设者从管理、勘察设计、施工工艺等方面采取了大量的有效的措施,但施工过程中的塌方、突泥、涌水等自然灾害还是在不断的发生,工程的风险依然很大。从掘进面到已经砌衬完成之间的部分,最容易发生塌方等灾害。换句话说,在施工人员向前掘进到一定位置时,在未砌衬的空间和时间段内,发生灾害的概率非常大,而且用常规手段难以预测、预报此类灾害的发生。目前国内外有很多防灾安全监控技术,尚无未衬砌隧道的安全检测手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效感知未衬砌隧道表面的温度、应力和应变变化的基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法,从而对施工过程中的塌方、突泥和涌水等事故的预防。
本发明所采用的技术方案是:
基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法,其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:在施工隧道壁上分割出多个监测区域,将检测光纤敷设到这些区域,使光纤应力附着在隧道壁上;
步骤二:宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器,传输到检测光纤上,折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射,经过这些检测光纤的波长选择后,一组不同波长的窄带光被反射;
步骤三:当检测光纤随隧道壁变化时,导致检测光纤的谐振波长漂移,其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收,经过波长解调器对这些波长进行识别,监测出波长的变化即应力变化;
步骤四:当检测光纤产生应力突变时,产生灾害预警或报警信息;
步骤五:将预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布,还可以通过卫星、电信、移动等公众网络发布到上级建设管理部门。
步骤一中,检测光纤为应力传感器,以等间隔串接方式布设。
步骤三中,波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器;
波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器,当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时,可根据此时F-P滤波器的驱动电压-透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置,锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压,输出经信号混合器和LP低通滤波器,测量抖动频率,在信号为零时,所测即为检测光纤的反射峰值波长。
本发明具有以下优点:
(1)检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性,极易置入到待测物的表面或内部,实现对物体的高精度、无干扰测量。
(2)检测光纤使用寿命可长达30年、信号可远距离传输,特别适合用于长大隧道安全监测,尤其是隧道施工的恶劣环境下稳定工作。
(3)可实现数字化传感,传感量以光的波长信号形式在光纤中传输,测量结果不受外界干扰、传输损耗、设备老化等因素的影响。
(4)光纤的信息容量大,在一根光纤上可制备数百、数千个探测点,与“波分复用”技术相结合,可以形成检测光纤传感网络,实现对待测物体的分布式测量和定位。
(5)可靠、易安装、易维护。
附图说明
图1为等间隔分布多个检测光纤应力传感器的布防。
图2为反射光的形成原理。
图3为不同应力变化的预警方式。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明所涉及的隧道施工安全预警方法,是基于检测光纤监测技术而实现的,有着稳定、敏感、高可靠的优势。检测光纤利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成,光纤中折射率分布的周期性结构,导致光纤某一特定波长光的反射谱。当光纤受外界温度、应力或应变发生变化时,反射光的峰值波长漂移,通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感知,从而感知未衬砌隧道表面的变化,将未衬砌隧道上的应力物理变化量,转换成光信号,通过光纤送到波长解调器中,再转换成电信号,通过网络送到计算机信息处理系统。
本发明所述的隧道施工安全预警方法有以下步骤实现:
步骤一:在隧道壁上分割出多个监测区域,将检测光纤敷设到这些区域,使光纤应力附着在隧道壁上。
检测光纤是作为应力传感器而应用到本方法中的,图1中为等间隔分布多个检测光纤应力传感器的布防,通常采用串接方式。
步骤二:宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的检测光纤上,经过这些检测光纤的波长选择后,一组不同波长的窄带光被反射。
当某一宽带光源的光入射到检测光纤中时,折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射,反射光的波长(即谐振波长)由Bragg公式确定:
步骤三:当检测光纤随隧道壁变化时,导致检测光纤的谐振波长漂移,其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收,经过波长解调器对这些波长进行识别,监测出波长的变化即应力变化。如图2所示。
光纤应力是附着在未衬砌隧道壁上的,当检测光纤随隧道壁变化时,导致光纤的谐振波长漂移,漂移量为:
其中,光纤的有效弹性系数pe由下式确定:
其中,μ为纤芯材料的泊松比。
由漂移量公式可得:
波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器。波长解调器的工作原理是,将波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器,当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时,即可根据此时F-P滤波器的驱动电压-透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置。但由于F-P滤波器输出的透射谱是光栅反射谱与F-P滤波器透射谱的卷积,会使带宽增加,分辨率降低,所以,在锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压,输出经信号混合器和LP低通滤波器,测量抖动频率,在信号为零时,所测即为检测光纤的反射峰值波长。
步骤四:当检测光纤产生应力突变或单光网断开时,产生灾害报警信号。当检测光纤产生应力变化时,计算单位时间内应力变化的轴线和法线变化量,产生塌方、突泥、涌水和岩爆的预警信号。如图3所示。
两种不同岩层间检测裂隙的变化,可作如下安全预警:
第一,检测岩层的相对位移对检测光纤发生的轴线和法线的变化,可预警可能发生的塌方;第二,检测大面积塌落和泥浆涌出造成检测光纤的严重形变,乃至断裂,可报告已经发生塌方的位置和程度;第三,检测裂隙处大量涌水造成检测光纤的抖动,抖动程度报告涌水的强度;第四,检测突发岩爆引起检测光纤位移突变,报告岩爆发生的面积和程度。
步骤五:预警或报警信息通过通信光缆传到波长解调器,经过分析处理后产生不同区域的预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布,还可以通过卫星、电信、移动等公众网络发布到上级建设管理部门。
Claims (3)
1.基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法,其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:在施工隧道壁上分割出多个监测区域,将检测光纤敷设到这些区域,使光纤应力附着在隧道壁上;
步骤二:宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器,传输到检测光纤上,折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射,经过这些检测光纤的波长选择后,一组不同波长的窄带光被反射;
步骤三:当检测光纤随隧道壁变化时,导致检测光纤的谐振波长漂移,其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收,经过波长解调器对这些波长进行识别,监测出波长的变化即应力变化;
步骤四:当检测光纤产生应力突变时,产生灾害预警或报警信息;
步骤五:将预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布,还可以通过卫星、电信、移动等公众网络发布到上级建设管理部门。
2.根据权利要求1所述的基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法,其特征在于:
步骤一中,检测光纤为应力传感器,以等间隔串接方式布设。
3.根据权利要求1或2所述的基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法,其特征在于:
步骤三中,波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器;
波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器,当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时,可根据此时F-P滤波器的驱动电压-透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置,锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压,输出经信号混合器和LP低通滤波器,测量抖动频率,在信号为零时,所测即为检测光纤的反射峰值波长。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310336205.2A CN103397910B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310336205.2A CN103397910B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103397910A true CN103397910A (zh) | 2013-11-20 |
CN103397910B CN103397910B (zh) | 2016-12-28 |
Family
ID=49561602
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310336205.2A Active CN103397910B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103397910B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106934979A (zh) * | 2017-04-12 | 2017-07-07 | 合肥才来科技有限公司 | 地铁隧道安全预警系统 |
CN110017171A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-07-16 | 无锡中金鼎讯信通科技股份有限公司 | 一种用于隧道结构健康全生命周期实时监测系统 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05312000A (ja) * | 1992-05-12 | 1993-11-22 | Hitachi Cable Ltd | 光ファイバセンサの布設方法 |
JP2000097737A (ja) * | 1998-09-28 | 2000-04-07 | Babcock Hitachi Kk | 落石・崩落監視システム |
CN201464860U (zh) * | 2009-08-05 | 2010-05-12 | 山东大学 | 一种隧道开挖岩溶突水监测装置 |
CN102678178A (zh) * | 2012-04-27 | 2012-09-19 | 华中科技大学 | 一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法 |
-
2013
- 2013-08-05 CN CN201310336205.2A patent/CN103397910B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05312000A (ja) * | 1992-05-12 | 1993-11-22 | Hitachi Cable Ltd | 光ファイバセンサの布設方法 |
JP2000097737A (ja) * | 1998-09-28 | 2000-04-07 | Babcock Hitachi Kk | 落石・崩落監視システム |
CN201464860U (zh) * | 2009-08-05 | 2010-05-12 | 山东大学 | 一种隧道开挖岩溶突水监测装置 |
CN102678178A (zh) * | 2012-04-27 | 2012-09-19 | 华中科技大学 | 一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
刘金山: "铁路落石塌方监测报警光纤光栅系统应用方案研究", 《铁道勘测与设计》 * |
张彧锋: "光纤光栅技术在高速铁路防灾系统中的应用研究", 《铁道通信信号》 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106934979A (zh) * | 2017-04-12 | 2017-07-07 | 合肥才来科技有限公司 | 地铁隧道安全预警系统 |
CN110017171A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-07-16 | 无锡中金鼎讯信通科技股份有限公司 | 一种用于隧道结构健康全生命周期实时监测系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103397910B (zh) | 2016-12-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111373613B (zh) | 用于纤维感测的定制分布式放大 | |
CA2777504C (en) | Stimulated brillouin system with multiple fbg's | |
Galindez-Jamioy et al. | Brillouin distributed fiber sensors: an overview and applications | |
CN109163829B (zh) | 基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器 | |
CN109084830B (zh) | 面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及方法 | |
KR20010101239A (ko) | 사건들의 위치를 파악하기 위한 역전파 신호 방법을이용하여 구조물을 모니터링하기 위한 장치 및 방법 | |
CN201885733U (zh) | 一种融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器 | |
CN101555990A (zh) | 长距离管线安全监测系统 | |
CN102080953A (zh) | 融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器 | |
CN102589459A (zh) | 融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器 | |
Hartog | Distributed fiber-optic sensors: principles and applications | |
CN105371785A (zh) | 一种曲率测量方法 | |
Komatsu et al. | Application of optical sensing technology to the civil engineering field with optical fiber strain measurement device (BOTDR) | |
Inaudi | Application of fiber optic sensors to structural monitoring | |
CN114964579A (zh) | 基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统 | |
CN103397910A (zh) | 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 | |
Kaur et al. | Experiment on a highly sensitive fiber Bragg grating optical sensor to monitor strain and corrosion in civil structures | |
CN103199920A (zh) | 一种光时域反射计系统 | |
CN112798261A (zh) | 一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测传感器 | |
Fernandez-Vallejo et al. | 46-km-long Raman amplified hybrid double-bus network with point and distributed Brillouin sensors | |
JP2006138757A (ja) | 光ファイバ式多元センサシステム | |
JP2011043379A (ja) | ひずみ・変形の計測監視装置 | |
CN102353339A (zh) | 一种单光纤单端结构的otdr-fbg结构损伤检测系统 | |
CN211926782U (zh) | 基于分布式光纤传感的地下管线监测系统 | |
CN104614093A (zh) | 一种弯曲不敏感的分布式布里渊光纤温度和应变传感器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |