CN104374433A - 基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统及其监测方法，该系统是在监测范围内沿隧道轴向及横断面全面布设分布式长标距光纤光栅传感器，监测隧道的纵向沉降及盾构隧道各环接缝的变化情况。该方法分布式长标距光纤光栅传感器的布设、数据采集、传输及处理等。本发明适用于隧道结构施工期及运用期的全寿命监测，实现隧道结构纵向沉降、净空收敛、接缝变形、管片内力、应变等的动态实时监控。

Description

基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种隧道监测系统，具体涉及一种利用分布式长标距光纤光栅传感器对隧道衬砌结构进行健康监测的方法，属于土木工程监测技术领域。

背景技术

隧道工程与其它工程相比具有隐蔽性，复杂性，不确定性等特点，隧道结构及其受力变形过程比较复杂，因而增大了施工过程中的难度和风险。同时，由于地质条件、外界环境、列车震动等诸多因素的影响，隧道结构的健康状况正随着运营时间的增长而逐步恶化。因此，加强隧道结构日常监控措施，及早发现隧道在日常运营期内各种破坏特征，对隧道结构进行及时有效的管养和维修，能够有效降低隧道结构在服役期内的总维修费用。

目前，隧道监测技术可分为两类传统：“点式”测量方法及分布式光纤传感技术。在盾构实际日常监测中，传统“点式”测量方法因测量点数量较少、相邻点间距较大无法覆盖隧道纵横向全截面，不能及时有效的发现局部不均匀沉降等变形问题。光纤光栅传感技术因其传感机理成熟，精度和灵敏度较高，易构建多点或分布式传感网络等优点，已越来越多的用于大坝、桥梁、隧道等结构物的健康监测中。从隧道长距离长期全面监控的角度而言，分布式传感技术确实是传统“点式”监测技术的有效补充，可以实现隧道的全面监测，提高监测可靠性，能够很好的满足隧道长期实时监测的要求。

光纤光栅传感器在混凝土结构中的布设安装可以分为埋入式和表面附着式两种方法。埋入的光纤传感器必须能够经受住混凝土浇筑过程中的恶劣环境，必须考虑并具有足够的强度及抗化学腐蚀的性能，并能有效地测量所要求的参量。表面附着式的方法可以避免由于施工的恶劣环境带来的损伤，存活率较高；且施工更方便快捷，并且该传感器可轻微弯曲，布设方式灵活多变，适用于不同结构（隧道，桥梁，大坝等）形状的全面监测。

虽然基于分布式光纤传感技术的隧道健康监测在理论上是一种非常优越的技术,而且在实际工程应用中也取得一些成果。但它应用于土木工程中的时间比较短,光纤监测网络的优化设计,分布式传感光纤快速、无损的铺设,隧道结构运营期间的健康状况的判断,检测数据的实时采集和分析等还存在一些需要解决的技术难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，对隧道结构施工期及运用期的全寿命监测，实现对隧道结构纵向沉降、净空收敛、接缝变形、管片内力、应变等的动态实时监控。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，包括传感器和信息系统，所述传感器为分布式长标距光纤光栅传感器，包括：

第一传感器，位于隧道的拱顶及底部，且沿隧道的长度方向全长布置，用于监测隧道的沉降；

第二传感器，沿隧道衬砌结构的内表面环向布置，用于监测隧道的直径变化；

温度补偿光纤，嵌于隧道衬砌内，用于消除温度对结构应变测量的影响；

相邻的第二传感器连接形成传感器串联监测体系。所述信息系统用于采集、处理、传输、接收分布式光纤光栅传感器的数据。

所述分布式长标距光纤光栅传感器的标距包括套设于光纤光栅外部的隔胶管和两端的锚固段，所述标距的长度为0.1~2m，标距的选择应依据传感精度和量程综合考虑。可以使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)及基于布里渊散射机理的光纤传感器。

作为优选，为了更为精确地监测每个相邻管片的环向接缝宽度及环间接缝宽度，所述标距设置于管片的接缝处，用于监测传感器布设位置处的缝宽变化情况。

作为优选，还包括布设在外侧主筋位置上的管片应力传感器，每组测点由两个传感器并列构成。

作为优选，所述信息系统包括依次连接的现场监测子系统、远程监测子系统和远程用户。可以实现全寿命期隧道结构的实时、无线监测。

本发明同时提出上述基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统的监测方法，包括以下步骤：放线→清理表层混凝土→清除表面灰尘→安装传感器→连接光纤信号线→封闭传感器→作保护标识→数据采集、传输和分析。

该技术的核心思想是在监测范围内沿隧道轴向及横断面全面布设分布式光纤光栅传感器，监测隧道的纵向沉降及盾构隧道各环接缝的变化情况，确保隧道在满足使用安全性的同时，预警渗漏水/混凝土拉裂等病害的产生，保证线路的运营安全。并且通过对量测结果的分析整理，对可能发生的安全隐患或事故进行分析和判断，采取相应的保护措施，消除安全隐患。

分布式光纤光栅传感器布设在隧道衬砌结构的内表面，包括环向和纵向布设的光纤光栅传感器，纵向布设传感器位于隧道的拱顶及底部，且沿隧道的长度方向全长布置，推求沉降的变化。相邻环顶部和底部传感器之间用熔接机进行熔接，形成传感器串联监测体系。这样可得监测范围内各管片环纵向应变的变化情况，以及各传感器布设位置处的缝宽变化情况，通过已开发的应变-变形计算方法即可得到隧道竖向沉降变形。环向布设的传感器沿结构环向安装，通过监测结构应变分布反向推求直径变化。为了消除温度对结构应变测量的影响,本发明在隧道衬砌内布设温度补偿光纤。隧道管片结构内力、应变的监测，传感器布设在外侧主筋位置上，布设完毕后将传输光缆通过直径20mm～30mm直径的PVC管保护后引出至管片内表面接线盒处并固定。以上各种内力和变形的监测，两个传感器之间需要冗余光纤用于熔接，连接两端光纤传感器。最后通过铠装光缆将传感器光纤头尾引出至布设在隧道下部的接线盒，作为解调仪连接接头。

分布式光纤传感器测得的应变数据是相对值，即相对于隧道结构的初始应力场。因此为得到隧道衬砌结构的相关指标，需在施工过程中在衬砌结构混凝土内部埋入传感元件(压力传感器、钢筋应变计及混凝土应变计)，获取隧道结构的初始应力应变场，并在衬砌主体施工完成后立即埋入传感光纤进行监测，通过上述布置可获取隧道全寿命期间的完整健康监测数据。对于运营期隧道结构的监测，可以使用传统的光学测量（全站仪、水准仪、收敛仪等）进行隧道性能指标初始值的量测，得到隧道结构的初始状态，为分布式光纤光栅传感提供基础的数据。可以根据现有理论和计算方法，如考虑轴压的共轭梁模型，对采集到的数据进行处理。

有益效果：本发明监测系统具有以下显著的特点：

（1）      单根光纤既作为传感元件又为信号传输通道，不需额外导线，对数据采集传输和施工是较为方便的，具有经济，方便，抗干扰，耐久性优良、数据稳定可靠等多方面优势；

（2）      传感器可串联使得大规模布设时数据采集和引出都较为简便易行，可用于监测项目多，大规模监测成本低；

（3）      常规传感器大规模布设时种类较多，每种传感器都要配上相应的信号解调、放大、滤波等装置，因此整套系统的接收装置数量就很大，相应电源配置也较为麻烦。分布式光纤布置简单，采集装置仅需一台解调仪，测量采集相对简单；

（4）      使用分布式光纤可以克服传统传感器动态监测的时间同步问题；

（5）      考虑到地铁隧道变形主要是竖向位移和水平位移造成的，采用分布式传感器进行分布式实时监测，可以测定结构全程的应力应变状态，保障隧道施工的安全，并根据监测得到的反馈信息及早发现隧道在日常运营期内的各种破坏特征，据此对隧道结构进行及时有效的管养和维修，能够有效降低隧道结构在服役期内的总维修费用，对于预测防止灾害、保证居民生命和财产安全也有十分重要的意义；

（6）      自动化远程监测，不仅适用于隧道施工期监测，也适用于运营期监测，一次布设，长期使用。

与目前其它分布式光纤光栅传感隧道监测系统相比，本发明的监测方法具有以下突出的特点：

（1）      针对现有光纤光栅监测方法所存在的问题,提出了一种分布式长标距光纤光栅传感技术的隧道监测系统和方法。本发明的适用范围较广，可以用于传统矿山法隧道衬砌结构及盾构法隧道的管片，对于隧道长期运营条件下的各项关键指标进行长期监测，可以实现隧道全寿命期的实时监测，及时有效的掌握隧道的工作状态以保证隧道结构安全。

（2）      监测系统的适用性强，且部分监测项目可以共用一个监测断面，经济有效性高。如对于盾构法隧道，可以进行管片结构的混凝土内力、应变、纵向沉降、净空收敛、盾构环内接缝宽度和环间接缝宽度的监测，净空收敛和环缝宽度变化可以共用一个断面。

（3）      针对运营地铁可利用的施工时间短的特点，与其他布设方法相比，本发明的传感器布设施工时间短，可以快速方便的施工，有利于隧道结构的养护和维修。

（4）      可以实现远程、在线、自动监测，比较迅速地获得隧道结构的变形数据,并在异常情况下报警。

（5）      纤维封装的光纤光栅传感器的精度及耐久性高、存活率高，满足实际工程需要，解决了光纤传感器的耐久性和精度不足问题，稳定性和可靠性高。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的基于分布式光纤光栅的隧道结构监测系统及其监测方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例中分布式光纤光栅传感器的布置示意图；

图2是本发明实施例的系统架构图。

具体实施方式

实施例：

本实施例的分布式光纤光栅传感隧道健康监测系统包括设置在隧道内的传感光纤以及用于采集、传感光纤数据的处理系统。

本系统中可以使用分布式长标距光纤光栅传感器或其他分布式光纤光栅传感器。分布式传感器可分为横向布设和纵向布设两种。

以施工期盾构管片为例进行说明，传感器布设示意图如图1所示。

沿隧道的长度方向全长布置的第一传感器包括位于隧道拱顶的顶部传感器1-1和位于隧道底部的底部传感器1-2，用于监测隧道的沉降。沿隧道衬砌结构的内表面环向布置的第二传感器2用于监测隧道的直径变化，采用分布式长标距FBG传感器，其标距2-1间隔设置，可以采用设置在管片环向间隙处的布置形式。上述光纤传感器通过夹具紧贴于管片内壁，并进行预张拉。

监测对象包括：盾构隧道管片混凝土应力；隧道多向直径变化；隧道纵断面沉降分布；盾构环内接缝宽度和环间接缝宽度。传感器为分布式长标距光纤光栅传感器，测量设备采用光纤光栅解调仪。

管片混凝土应力监测断面的管片的上、中、下三个高度安排四组测点，即上、下、左、右各按圆心角90°的间隔布置四组测点。可以使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)及基于布里渊散射机理的光纤传感器。其传感精度大于10με，空间分辨率不低于10cm。传感器布设在外侧主筋位置上，每组测点由两个传感器并列构成。布设完毕后将传输光缆通过直径20mm～30mm直径的PVC管保护后引出至管片内表面接线盒处并固定。

隧道多向直径变化采用非接触间接式测量方法，即沿结构环向安装应变传感器，通过监测结构应变分布反向推求直径变化。当管片拼装工作完成时，即可进行传感器沿管片环向连续布设，传感器将布设在管片环表面，彼此用冗余光纤连接。

隧道纵断面沉降在沿隧道纵断面布置分布式光纤传感器，监测结构纵向的应变分布反向推求隧道纵断面沉降。在管片拼装完成后即可开始布设，在隧道拱顶和逃生通道底面与管片环内壁交点各布设1组传感器，每组传感器可根据监测范围确定数量。

盾构环内接缝宽度通过隧道环向布设的传感器进行量测。环间接缝宽度的变化可以利用纵向布设的沉降传感器进行量测。

传感器具体布设方法：

（1）主要施工工序：

放线→清理表层混凝土→清除表面灰尘→安装传感器→连接光纤信号线→封闭传感器→作保护标识。

传感器布设的简要工序说明如下：

1) 放线：按照设计好的位置，用墨斗在管片上定出布设直线，保证传感器布设在同一条直线上，并做好标记，保证传感器所处直线与所有螺栓孔和管片环向接缝均不接触；

2) 清理表层混凝土：为了使传感器牢固不折断，清理布设处混凝土表层凹凸处及接缝处过大的台阶错位，避免传感器歪折；

3) 清除表面灰尘：用布、棉花等沾取酒精清理表面附着物，并清洗表面存留的灰尘，使环氧结构胶粘贴更加牢固；

4) 安装传感器：将传感器沿直线布设安装，并熔接好，尾端光纤沿原光纤返回到接线盒处，用激光笔测试传感器接通与否；

5) 封闭传感器：全部接通后，沿传感器刷环氧结构胶进行固定；

6) 在传感器外部安装PVC管进行保护；

7) 连接光纤信号线：将两端引线用铠甲光缆引至出入安装箱，连接跳线，做好标签，连接解调仪，测试传感器接通与否，波长是否显示正常；

8) 作保护标识：为了防止意外对传感器及其它设备的损坏，待树脂初步固化后，在安装箱张贴单位名称，以示保护。

（2）传输光缆布设：将传输光纤经铠甲光缆沿管片内壁引至数据采集箱进行数据采集。

（3）施工中关键点：

施工时，传感器必须平置并牢固固定在长度大于传感器长度的物品上，不可弯曲，轻拿轻放；传感器布设全过程均需要使布设位置保持干燥无水渍；防止结构或施工过程中无意破坏传感器。

隧道结构的性能通过埋设在隧道衬砌结构内部或表面的传感器和解调仪得到，进行隧道初始应力场的基本数据量测后，通过本发明建立的实时监测系统进行数据采集、传输和分析。

如图2所示的实时监测系统框架图，该系统包括现场监测子系统、远程监测子系统和远程用户。现场监测子系统包括监测点传感网络、3G无线监测点，3G远程通信主要是基于TCP协议实现，首先初始化TCP连接，初始化连接成功后，路由器可以根据远程监控中心外网IP和开放的虚拟服务器映射的端口号与远程监控中心建立TCP连接；数据通过监测点传感网络，由无线传感器传输至远程监控中心。远程监测子系统包括远程监控中心及连接网络的网络交换机，远程通过固定的IP或者通过动态IP解析软件，端口号进行24小时实时接收从监测点传来的实时监测数据，而且可以从远程监控中心发出指令，调整监测频率等参数；远程用户可以是全国任意一台连入Internet的电脑客户端，通过远程操控可以连接远程监控中心的服务器查看及获取监测数据，用户可以在全国各地或者多个用户共享使用监测数据。数据存储于远程监控中心服务器端，或者通过用户端从监控中心获取。

在本发明中，可以对运营期及施工期的隧道结构进行实时监测，主要涉及到隧道结构、光纤光栅传感器、数据采集与传输设备等几部分，其中，隧道结构可以是运营期或者施工期盾构法施工的区间隧道、矿山法施工的区间隧道、山岭隧道等。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，包括传感器和信息系统，其特征在于：所述传感器为分布式长标距光纤光栅传感器，包括：

第一传感器，位于隧道的拱顶及底部，且沿隧道的长度方向全长布置，用于监测隧道的沉降；

第二传感器，沿隧道衬砌结构的内表面环向布置，用于监测隧道的直径变化；

温度补偿光纤，嵌于隧道衬砌内，用于消除温度对结构应变测量的影响；

相邻的第二传感器连接形成传感器串联监测体系。

2.根据权利要求1所述的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，其特征在于：所述分布式长标距光纤光栅传感器的标距包括套设于光纤光栅外部的隔胶管和两端的锚固段，所述标距的长度为0.1~2m。

3.根据权利要求2所述的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，其特征在于：所述标距设置于管片的接缝处，用于监测传感器布设位置处的缝宽变化情况。

4.根据权利要求1所述的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，其特征在于：还包括布设在外侧主筋位置上的管片应力传感器，每组测点由两个传感器并列构成。

5.根据权利要求1所述的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，其特征在于：所述信息系统包括依次连接的现场监测子系统、远程监测子系统和远程用户。

6.如权利要求1所述的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统的监测方法，其特征在于包括以下步骤：放线→清理表层混凝土→清除表面灰尘→安装传感器→连接光纤信号线→封闭传感器→作保护标识→数据采集、传输和分析。