CN103591930B - 分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法。本发明的监测装置包括两个相同的监测单元。监测单元包括分布式光纤、卡槽板。卡槽板为半圆形厚板，圆弧面开有斜槽，保证分布式光纤能卡入。卡槽板固定在每个隧道管片中线上，且相邻两个卡槽板连线与隧道纵向呈30°的夹角。分布式光纤沿卡槽板圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，之后转向直线返回到起点。将卡槽板与分布式光纤用胶粘固定，一个监测单元制作完成。在已有上述监测单元的隧道管片上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的制作。本发明的监测装置与数据采集仪连接，可实现地铁隧道全天候实时自动的沉降监测，传感数据温度自补偿，精度可达mm级，在遇到隧道内突发情况可及时发出报警。

Description

分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程安全监测，具体涉及一种分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法。

背景技术

据统计，近几年来有将近30个城市已经获批建设地铁工程。而地铁工程多建于地下岩土体介质中，工程地质条件和水文地质条件复杂，具有很多不确定性，随着运营年限的增多或其它特定因素，会出现沉降变形过大及其次生病害。地铁车站多采用桩基础，沉降变形通常很小；而地铁隧道区间采用天然地基，沉降变形相对较大，且历时多年甚至几十年，特别软土地区。

地铁隧道过量沉降变形是地铁区间隧道工程的常见病症，特别是沿海沿江软土地区或软硬地层交错地带。它会引发结构开裂、管片严重错台、密封失效、地下水渗漏、螺栓锈蚀、道床脱空、铁轨下凹（沉降槽）、轨顶上调超限等次生病害。如不及时发现或预警，很可能诱发运行摇晃撞击、洞内卡车、受电不良停车等安全事故。

目前对地铁区间隧道的沉降观测还是用通常的工程测量手段，即沿隧道纵向每间隔几十米设置一个观测点，利用水准仪或全站仪进行逐点观测，经计算分析得到各点的沉降量（单次沉降量及累计沉降量），判断其是否超限，是否影响地铁运营及其影响程度。

但是地铁隧道不同于地面工程，采用通常的工程测量手段往往很难满足目前地铁隧道沉降的观测工作。相对于地面沉降观测，地铁隧道沉降观测通常面临以下问题：（1）隧道内通视条件差。即使在开灯条件下也是光线昏暗，不利于水准仪或全站仪观测。（2）洞内观测的“时间窗口”短暂。地铁属于“封闭空间”，非停运时段不得进入，一般只能在凌晨1点至4点才准许进入。（3）洞内观测只能从一端到另一端延续进行。洞内都属于沉降变形区，不像地面可以沿线设置几个基准点，可以多段进行。（4）洞内沉降观测分点进行。沉降观测点间距通常20-40米，特定条件下可加密至10米。同时观测点未必能设置在沉降最大点处。（5）每次观测时间持续较长。地铁隧道区间多为1km左右，一次观测需要2-3天。（6）即使目前的自动化监测（“测量机器人”或静力水准观测），也是对固定的观测点（间距十几米至几十米）进行观测，投资巨大，同时也是不能实行沿线连续性沉降观测。鉴于上述特点，目前地铁隧道沉降观测多限于已经发现明显沉降病害的区间段落，沉降观测数据在纵向上不具备测点连续性（观测点间距很小）特征，不利于沉降变形的全面了解和整体把握，容易导致险情遗漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法，通过使用具有精度高、耐久性好、抗电磁干扰优良的分布式光纤传感技术，实现地铁隧道全天候实时自动的沉降监测以及突发情况的及时报警。

实现本发明目的的技术解决方案为：

监测装置包括两个相同的监测单元。监测单元包括分布式光纤、卡槽板。卡槽板为半圆形厚板，半径在8～10cm，平面中心开有圆孔用于固定，圆弧面开有斜槽，保证分布式光纤能卡入。卡槽板固定在每个隧道管片中线上，且相邻两个卡槽板连线与隧道纵向呈30°的夹角。分布式光纤沿卡槽板圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，之后转向直线返回到起点。将卡槽板与分布式光纤用胶粘固定，一个监测单元制作完成。在已有上述监测单元的隧道管片上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的制作。

本发明的监测装置的安装方法，包括以下几个步骤：

（a1）将卡槽板固定在每个隧道管片中线上，且相邻两个卡槽板连线与隧道纵向呈30°的夹角；

（a2）分布式光纤沿卡槽板圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，保证每一折线段分布式光纤与隧道纵向呈30°夹角，之后转向直线返回到起点；

（a3）将卡槽板与分布式光纤用胶粘固定，一个监测单元制作完成；

（a4）在已有上述监测单元的隧道管片上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的安装。

本发明的工作原理和方法如下：

当两个相邻隧道管片发生相对沉降时，监测装置中两条分布式光纤分别监测到的应变数据为ε₁、ε₂，其中由于温度影响产生的应变数据均为ε_t，由于两个相邻隧道管片发生相对沉降产生的应变数据分别为ε_1x、ε_2x。由上可得ε₁=ε_t+ε_1x，ε₂=ε_t+ε_2x。已知一块管片长度为L，分布式光纤一个折线段的高度为H，长度为L_l，则根据三角关系，上述两个相邻隧道管片发生相对沉降 $x=\sqrt{\frac{{L_l}^4{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2[{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4]}{4[{L_l}^2{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4H^2]}},$ 且实现温度自补偿。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、实现地铁隧道内沉降分布式实时监测，实现温度自补偿，且运用了两个监测单元，监测精度可达mm级；

2、本发明工艺简单，安装方便，有广阔的应用前景和良好的经济效益；

3、实现地铁隧道全天候自动监测，若发生突发情况实时报警，确保地铁运营安全。

附图说明

图1为本发明监测装置的结构示意图。

图2为本发明监测单元的结构示意图。

图中各标号：分布式光纤1，卡槽板2，隧道管片3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，监测装置包括两个相同的监测单元。监测单元包括分布式光纤1、卡槽板2。卡槽板2为半圆形厚板，半径在8～10cm，平面中心开有圆孔用于固定，圆弧面开有斜槽，保证分布式光纤1能卡入。卡槽板2固定在每个隧道管片3中线上，且相邻两个卡槽板2连线与隧道纵向呈30°的夹角。分布式光纤1沿卡槽板2圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，之后转向直线返回到起点。将卡槽板2与分布式光纤1用胶粘固定，一个监测单元制作完成。在已有上述监测单元的隧道管片3上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的制作。

本发明的监测装置的安装方法，包括以下几个步骤：

（a1）将卡槽板2固定在每个隧道管片3中线上，且相邻两个卡槽板2连线与隧道纵向呈30°的夹角；

（a2）分布式光纤1沿卡槽板2圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，保证每一折线段分布式光纤1与隧道纵向呈30°夹角，之后转向直线返回到起点；

（a3）将卡槽板2与分布式光纤1用胶粘固定，一个监测单元制作完成；

（a4）在已有上述监测单元的隧道管片3上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的安装。

本发明的工作原理和方法如下：

当两个相邻隧道管片3发生相对沉降时，监测装置中两条分布式光纤1分别监测到的应变数据为ε₁、ε₂，其中由于温度影响产生的应变数据均为ε_t，由于两个相邻隧道管片3发生相对沉降产生的应变数据分别为ε_1x、ε_2x。由上可得ε₁=ε_t+ε_1x，ε₂=ε_t+ε_2x。已知一块管片长度为L，分布式光纤1一个折线段的高度为H，长度为L_l，则根据三角关系，上述两个相邻隧道管片3发生相对沉降 $x=\sqrt{\frac{{L_l}^4{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2[{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4]}{4[{L_l}^2{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4H^2]}},$ 且实现温度自补偿。

根据本发明的监测装置，提供一种具体实施例。

结合图1，将监测装置中分布式光纤1的接头接入数据采集仪进行数据采集、处理得到应变数据，进而得知相邻两个隧道管片3发生沉降差。本实施例可以实现隧道管片3沉降监测精度提高至mm级。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种分布式光纤监测隧道沉降的装置，其特征在于：监测装置包括两个相同的监测单元；监测单元包括分布式光纤(1)、卡槽板(2)；卡槽板(2)为半圆形厚板，半径在8～10cm，平面中心开有圆孔用于固定，圆弧面开有斜槽，保证分布式光纤(1)能卡入；卡槽板(2)固定在每个隧道管片(3)中线上，且相邻两个卡槽板(2)连线与隧道纵向呈30°的夹角；分布式光纤(1)沿卡槽板(2)圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，之后转向直线返回到起点；将卡槽板(2)与分布式光纤(1)用胶粘固定，一个监测单元制作完成；在已有所述监测单元的隧道管片(3)上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的制作。

2.一种基于权利要求1所述的分布式光纤监测隧道沉降的装置的安装方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

a1、将卡槽板(2)固定在每个隧道管片(3)中线上，且相邻两个卡槽板(2)连线与隧道纵向呈30°的夹角；

a2、分布式光纤(1)沿卡槽板(2)圆弧面从隧道一端到另一端折线布设，保证每一折线段分布式光纤(1)与隧道纵向呈30°夹角，之后转向直线返回到起点；

a3、将卡槽板(2)与分布式光纤(1)用胶粘固定，一个监测单元制作完成；

a4、在已有所述监测单元的隧道管片(3)上，再布置一个相同的监测单元，使得这两个监测单元沿隧道纵向中线对称，即完成监测装置的安装。

3.基于权利要求1所述的分布式光纤监测隧道沉降的装置，其特征在于，其工作原理和方法如下：

当两个相邻隧道管片(3)发生相对沉降时，监测装置中两条分布式光纤(1)分别监测到的应变数据为ε₁、ε₂，其中由于温度影响产生的应变数据均为ε_t，由于两个相邻隧道管片(3)发生相对沉降产生的应变数据分别为ε_1x、ε_2x；由上可得ε₁＝ε_t+ε_1x，ε₂＝ε_t+ε_2x；已知一块管片长度为L，分布式光纤(1)一个折线段的高度为H，长度为L_l，则根据三角关系，上述两个相邻隧道管片(3)发生相对沉降 $x=\sqrt{\frac{{L_1}^4{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2[{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4]}{4[{L_l}^2{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2-4H^2]}},$ 且实现温度自补偿。