CN104567710B - 沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途 - Google Patents

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CN104567710B CN201510036254.3A CN201510036254A CN104567710B CN 104567710 B CN104567710 B CN 104567710B CN 201510036254 A CN201510036254 A CN 201510036254A CN 104567710 B CN104567710 B CN 104567710B
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魏纲
王永安
魏新江
苏勤卫
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Abstract

本发明涉及基础设施结构安全健康监测领域,具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途。本发明具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点;传感器内光纤光栅制作时,光纤掩模板采用的占宽比为0.5,最优槽形深度为234±10nm,可将光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且±1级的衍射效率也可达36%,这使得制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比和窄带宽等优点,测量结果也更加准确;监测数据通过无线远程数据传输网络进行传输,具有远程监控的特点,大大方便了监测工作的开展。

Description

沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途
技术领域
[0001] 本发明涉及基础设施结构安全健康监测领域,具体而言是一种基于光纤传感的沉 管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途。
背景技术
[0002] 由于在经济和技术上的独特优点,尤其是水下连接和基础处理的突破性进展,沉 管隧道越来越受到工程界的青睐。与矿山隧道相比,沉管隧道受力上有其独特之处,除了要 受上覆静荷载和过车荷载作用外,沉管隧道还受到浪动荷载以及水中离子的侵蚀,且大部 分沉管隧道都修建在软土海域或水域地区,对沉降和变形非常敏感。现阶段对沉降问题研 宄的很多,对应变研究的较少。对沉降的控制只能反映管节竖向变形,不能完整反映管节内 外受力情况。应变是材料与结构的重要物理特征参量,最能反映局部结构特征、便于结构安 全评价和损伤定位。因此,沉管隧道运营期间管节段应变监测显得尤为重要。
[0003] 目前,大部分沉管隧道沉降变形监测及健康诊断都由水准仪或全站仪完成,而少 有对沉管隧道管片应变的实时测试及沉降和力的动态计算。本发明正是基于这一现状,提 出了一套采用光纤传感技术测试沉管隧道应变的系统。其原理是使光纤光栅与管片监测点 产生同步应变,由此使得光栅间距产生变化,同时由于光纤光栅的光弹效应,光纤光栅的折 射率发生改变,这会使得探测光的反射波长较入射波长发生变化,由此可测的监测点处的 应变。本发明具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点,另 外发明可同时对隧道多断面多点位进行监测,是一个沉管隧道变形的网状监测及力的分析 计算系统。
发明内容
[0004] 本发明针对现有的沉管隧道变形监测及内力计算的不足,提供一种基于光纤传感 的沉管隧道变形监测及受力分析系统,对沉管隧道施工及后期运营过程产生变形提供高精 度的实时监测,并反演计算管片所受变形和外力情况。
[0005] 一种沉管隧道变形监测及受力分析系统,包括至少一个安装在沉管隧道断面的光 纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机,光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过 传输光纤连接,光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机,每个光纤光栅传感器组包 括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的 光纤光栅温度传感器,每个光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光 纤相熔接,支路传输光纤汇集于千路总传输光纤,干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪, 形成一套多断面多点位的实时监测系统;所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射 至测试区所有的光纤光栅传感器中,由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解 调,得到各传感器反射光的波长信号;监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解 调仪进行数据传输,并对数据进行处理,以得到各监测点的应变;
[0006] 所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得,所述相位掩模法 为:将光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板,利用相位光栅掩模近场衍射所产生的千涉条纹在 光纤中形成周期性扰动的折射率,从而形成光纤光栅,其中所述相位光栅掩模板的槽形深 度为234 ± 1 Onm、占宽比为0.5;
[0007] 所述监控主机数据处理为:首先将原数据绘制成光谱图,后经高斯拟合将原本离 散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程 图,利用公式A-A〇 = C。—fAB (1-p。) (A为光纤光栅应变传感器所测得波长值、入〇为光纤光栅布 拉格波长、为光纤与铜片间的粘贴系数,p。光纤有效光弹系数),即可换算出得到各监测 点的应变时程曲线。
[0008] 所述监控主机数据处理还包括:将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算 出沉管隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的 本构方程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最 终沉降量31 = 1^1/^1、32 = 11必^2(31为基础层最大沉降量、82为土层最大沉降量、111为基 础层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、 Es2为土体压缩模量);结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t) =Sd UZS2 (Uz为土体固结度),然后截面下任意时刻地基刚度K (t) zPi/S (t),利用K⑴再采用弹 性地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再根 据变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小。
[0009] 所述光纤光栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得,当 所述敏感元件受拉或受压时,粘贴在线槽内的光纤光栅将随之纵向拉伸或压缩,光纤光栅 中的应变将引起反射光波长较原来入射光发生漂移,由此来实现对监测点应变的测量;所 述光纤光栅温度传感器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内,再在小槽的两端用固定 胶将光纤光栅固定,待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏,加盖封装制得,槽内的 光纤光栅的变形只受温度影响,因此测得的数据可用于对光纤光栅应变传感器所测数据进 行温度修正。
[0010] 所述光纤光栅解调仪包括:
[0011] 1)钥匙电源开关:插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通,回位后电源断开;
[0012] 2)电源指示灯:系统工作时常亮;
[0013] 3)系统故障指示灯:系统内部发生故障时常亮;
[0014] 4)网络通信指示灯:以太网络通讯是闪烁;
[0015] 5)数据采集指示灯:系统通电自检后常亮,表示可以采集数据;
[0016] 6)通道指示灯:指示各通道当前工作状况;
[0017] 7)八路外接光纤通道:接口类型为FC/APC,外接各种光栅传感器;
[0018] S)以太网络接口:与无线调制解调器相连,发射代码转变为无线信号传送至中央 数据库;
[0019] 9)继电器扩展接口:控制外围设备;
[0020] 10)系统调试接口:用于对系统进行调试;
[0021] 11)通讯串口 :和别的设备通讯;
[0022] 12) SIM卡插口 :通过SIM卡将监测数据转变为发射代码;
[0023] 13)电源线插口:连接外接电源,给光纤光栅解调器供电。
[0024]光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远 程数据传输网络媒介传输的,所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无 线调制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、 监控主机内传输程序组成,每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库,中 央数据库对数据信息进行预处理和录入,保证数据的准确有效性,监控主机获取权限后可 对中央数据库内的数据进行访问。
[0025]监控主机对中央数据库数据访问下载后,将原数据变换为各监测点的应变值,监 控主机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,即可反演推算出管片所受外 力值。
[0026]另外,本发明还提供了沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法,包括以下 步骤:
[0027] 1)测试元件制备:光纤光栅采用相位掩模法进行制备,制备过程中,控制相位掩模 板的槽形深度为234± 10nm和占宽比为0 • 5,所得光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且土 1级的衍射效率也可达36%;
[0028] 2)测试仪器的安装:选定沉管隧道监测断面若干,每一个监测断面布置有6个监测 点,每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器,每个断面固定1个光纤光栅温度传感器,构 成的是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统;
[0029] 3)数据传输:监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据,监测现场采集的 数据通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储,监控主机安装服务 器传输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的 数据;
[0030] 4)数据处理:监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问,将原数据绘 制成光谱图,后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各 光纤光栅传感器反射光的波长时程图,利用公式(1-Pc) ef (A为光纤光栅应变传 感器所测得波长值、AQ为光纤光栅布拉格波长、Ch为光纤与铜片间的粘贴系数,p。光纤有效 光弹系数),即可换算出得到各监测点的应变时程曲线;
[0031] 5)沉降及力的反算:监控主机将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出 沉管隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的本 构方程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终 沉降量Si = hiPi/Esi、S2 = h2P2/Es2 (Si为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、hi为基础 层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、Es2 为土体压缩模量);结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S (t) =6+1^¾ (Uz为土体固结度),然后截面下任意时刻地基刚度K(t) zPi/Sa),利用K(t)再采用弹性地 基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再根据变 形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小。
[0032]若需计算潮汐荷载作用下沉管隧道沉降及内力,利用监控主机获得的沉管隧道管 段进行24小时连续观测得到的每隔1小时的检测数据,再将所测得检测数据和沉管隧道工 程所处海域的潮汐参数带入以上沉管隧道横截面变形和力的计算模型,进而获得沉管隧道 沉降及内力随潮汐荷载作用下的变化值,所述潮汐参数包括:平均落潮历时、平均涨潮历 时、最大月潮、日潮值及平均潮差。
[0033] 优选的,步骤2)中,光纤光栅应变传感器采用膨胀螺丝固定于沉管隧道管片上。
[0034] 本发明还提供了沉管隧道变形监测及受力分析系统的用途:用于沉管隧道建设施 工或建成后的运营监测。
[0035] 优选的,用于沉管隧道受潮汐荷载影响的检测分析。
[0036] 本发明的有益效果主要表现在:本发明具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电 磁干扰、环境适应能力强等优点;传感器内光纤光栅制作时,光纤掩模板采用的占宽比为 0.5,最优槽形深度为234± 10nm,可将光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且± 1级的衍射 效率也可达36%,这使得制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比和窄带宽等优点, 测量结果也更加准确;监测数据通过无线远程数据传输网络进行传输,具有远程监控的特 点,大大方便了监测工作的开展;监测系统对隧道内多点位多断面进行实时监测,可持续量 测从隧道施工到后期运营全阶段过程中隧道的变形状况,分析系统既可量测沉管隧道各监 测点的应变值,进而算出监测断面的内力分布情况,同时也可反演推算出管片所受外力情 况,分析成果可用于指导施工及后期的运营保养。
附图说明
[0037] 图1为较优实施例的沉管隧道变形监测及受力分析系统的结构示意图。
[0038] 图2为传感器横断面布置图。
[0039] 图3为相位模板法制作光纤光栅示意图。
[0040] 图4为光纤光栅应变传感器封装结构图。
[0041] 图5为光纤光栅温度传感器封装结构图。
[0042] 图6为光纤光栅解调仪前面板结构示意图。
[0043] 图7为光纤光栅解调仪后面板结构示意图。
[0044] 图8为无线远程数据传输系统结构示意图。
[0045]图9为沉管隧道内力计算模型图。
[0046]图10为沉管隧道内力分布示意图。
具体实施方式
[0047]结合附图对本发明作进一步描述。
[0048]如图1所示,沉管隧道变形监测及受力分析系统包括:三个监测断面1、2、3,每个监 测断面均有安装一个光纤光栅传感器组(包括6个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅温度 传感器),传感器采用膨胀螺丝固定于沉管隧道管片上,每个传感器均由支路光纤连接,各 支路光纤最后汇集至一千路光纤,共三条干路光纤,干路光纤最后连接至光纤光栅解调仪4 处,光纤光栅解调仪4与客户端无线调制解调器5相连,客户端无线调制解调器5将采集的数 据以无线信号的形式传送至中央数据库6,用户端无线调制解调器7作为媒介,监控主机8在 获取访问权限后可通过用户端无线调制解调器7访问中央数据库6内相应权限的数据,监控 主机8将获取的数据加以换算解析,即可得到各断面的应力应变情况,进而可反算出沉管隧 道所处地基刚度及所受潮汐荷载的变化规律。
[0049] 图2为传感器横断面布置图,包括有6个光纤光栅应变传感器9-1、9_2、9-3、9-4、9- 5、9_6和1个光纤光栅温度传感器10,各传感器均匀分布在沉管隧道管片上,对各应变传感 器测得数据加以温度校正,即可得到各监测点的应变,进而可以推知整个横断面的变形状 况。
[0050]图3为相位掩模法制作光纤光栅示意图,相位模板利用电子光束±1级衍射光(11 和1¾干涉形成的周期性的明暗条纹对载氢光纤进行曝光而得到光纤光栅13,此法不依赖 入射光波长,只与相位模板的周期有关,大大简化了光纤光栅13的制作过程,降低了对写入 条件的限制,可实现批量化生产。该法的原理公式为AB = 2neff A = neff A pm,AB为布拉格波 长,neff为光纤纤芯有效折射率,A为光纤光栅的周期,Apm为相位掩模的周期。该法的关键 技术在于衍射光包含有若干级衍射光谱,而制作光纤光栅所需光谱为±1级,而实际0级光 谱14较强,因此需要抑制0级光谱增强±1级光谱的衍射效率。实际试验证明,合理控制光纤 掩模15的占宽比和槽形深度可有效抑制0级光谱的衍射效率并同时增强±1级光谱的衍射 效率。本发明采用的光纤掩模板可大大抑制〇级光谱的衍射效率,制作出的光纤光栅具有高 反射率、高边模抑制比及窄带宽等优点,测量结果准确。
[0051]图4为光纤光栅应变传感器封装结构图,是将光纤光栅13粘贴于敏感元件16的线 槽内,敏感元件16的另一面粘贴在监测点上,监测点发生拉压应变则敏感元件则会带动光 纤光栅产生相应的拉压应变,此时光栅间距及光纤的折射率均发生变化,反射光的波长将 较原来产生偏移,计算公式为:AAB = Cc-fAB(l-p。) ef,其中(:。^为光纤与铜片间的粘贴系数, P。光纤有效光弹系数。通过此公式即可反算出应变4。
[0052]图5为光纤光栅温度传感器封装结构图,是将光纤光栅13置于传感器盒17内小槽 中,中间充填不固化导热膏18加以固定制成,导热膏不固化,可以吸收和缓冲外界应力,避 免光纤光栅受外界应力的影响,只受传感器所处温度的影响。
[0053]图6为光纤光栅解调仪前面板结构示意图,包括:
[0054] 1)钥匙电源开关19-1:插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通,回位后电源断开;
[0055] 2)电源指示灯19-2:系统工作时常亮;
[0056] 3)系统故障指示灯19-3:系统内部发生故障时常亮;
[0057] 4)网络通信指示灯19-4:以太网络通讯是闪烁;
[0058] 5)数据采集指不灯19_5:系统通电自检后常壳,表不可以米集数据;
[0059] 6)通道指示灯19-6:指示各通道当前工作状况。
[0060] 图7为光纤光栅解调仪后面板结构示意图,包括有:
[0061] 1)八路外接光纤通道20-1:接口类型为FC/APC,外接各种光栅传感器;
[0062] 2)以太网络接口 20-2:与无线调制解调器相连,发射代码转变为无线信号传送至 中央数据库;
[0063] 3)继电器扩展接口 20-3:控制外围设备;
[0064] 4)系统调试接口 20-4:用于对系统进行调试;
[0065] 5)通讯串口 20-5:和别的设备通讯;
[0066] 6) S顶卡插口 20-6:通过SM卡将监测数据转变为发射代码;
[0067] 7)电源线插口 20-7:连接外接电源,给光纤光栅解调器供电。
[0068] 图8为无线远程数据传输系统结构示意图,光纤光栅传感器量测结果以反射光波 长的变化为载体经由传输光纤传送至光纤光栅解调仪4处,光纤光栅解调仪对各路通道光 波加以解调处理,再经由客户端无线调制解调器5转变为无线信号传送至中央数据库6处加 以保存,监控主机8获取访问权限后可通过用户端无线调制解调器7访向中央数据库6内存 储的数据。进一步,监控主机将原数据绘制成光谱图,后经高斯拟合将原本离散的数据拟合 为若干单峰谱曲线叠加而成,由此可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图,经换算 后即可得到各监测点的应变时程曲线。
[0069]图9为沉管隧道受力计算模型图,其中21-1和21-2是沉管隧道所受水平荷载,21-3 垂向荷载,21-4为沉管内过车荷载及沉管隧道自重,21-5表示沉管隧道所处地基刚度情况, 将之等效为弹簧。
[0070] 图10为沉管隧道内力分布示意图,是通过将沉管所处环境所受常荷载值及监测数 据代入图9所示的计算模型中所得,同时可通过该计算模型得到隧道所处地基的刚度,同时 内力分布图的变化也可反映出管片所受潮汐荷载的变化规律。
[0071] 实施例1沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法
[0072] 1)测试元件制备:光纤光栅采用相位掩模法进行制备,制备过程中,控制相位掩模 板的槽形深度为234±10nm和占宽比为0.5,即可有效的抑制衍射光谱的零级衍射光而同时 增强其±1级衍射光的衍射效率,本发明所制的光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且±1 级的衍射效率也可达36%;
[0073] 2)测试仪器的安装:选定沉管隧道监测断面若干,每一个监测断面布置有6个监测 点,每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器,每个断面固定1个光纤光栅温度传感器,构 成的是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统;
[0074] 3)数据传输:监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据,监测现场采集的 数据通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储,监控主机安装服务 器传输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的 数据;
[0075] 4)数据处理:监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问,将原数据绘 制成光谱图,后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各 光纤光栅传感器反射光的波长时程图,利用公式A-AQ = Cc-fAB (1-Pc) ef即可换算得到各监测 点的应变时程曲线其中A为所测得波长值、为光纤光栅布拉格波长、Cm为光纤与铜片间 的粘贴系数,P。光纤有效光弹系数;
[0076] 5)沉降及力的反算:监控主机将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出 沉管隧道下卧层地基的地基刚度;目前传统的沉管隧道横截面计算模型采用底部全部设置 铰支座的方法进行计算,其缺点是该模型会导致支座底端的弯矩为零,而实际上地基是可 压缩的土层,有一定的压缩性,因此传统计算模型与实际不符。且同时存在无法计算各断面 的沉降差、地基刚度值固定无法计算沉降随时间的变化等缺点。本发明通过对沉管隧道管 片结构应变的监测,可根据管片的本构方程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总 和法可算出基础层及下部土层总最终沉降量31 = hP1;/Esl、S2 = hP2/Es2,其中Si为基础层最大 沉降量、S2为土层最大沉降量、hi为基础层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土 体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、Es2为土体压缩模量,结合太沙基固结沉降理论可知截 面t时刻的理论沉降量为S(t) zSi+UzS^Uz为土体固结度,然后截面下任意时刻地基刚度K ⑴zPi/S⑴,利用K⑴再采用弹性地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出 沉管隧道沉降随时间的变化;再根据变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随 着时间变化的大小。
[0077] 若需计算潮汐荷载作用下沉管隧道沉降及内力,利用监控主机获得的沉管隧道管 段进行24小时连续观测得到的每隔1小时的检测数据,再将所测得检测数据和沉管隧道工 程所处海域的潮汐参数带入以上沉管隧道横截面变形和力的计算模型,进而获得沉管隧道 沉降及内力随潮汐荷载作用下的变化值,所述潮汐参数包括:平均落潮历时、平均涨潮历 时、最大月潮、日潮值及平均潮差。
[0078] 综上所述,本发明适用于沉管隧道的建设及运营维护阶段,监测时在沉管隧道多 个断面多个点位布置光纤光栅传感器,组成一套网状式分布的监测系统,监测沉管隧道整 体变性状况,可指导施工和为后期运营维护作参考;传感器光纤光栅采用相位掩模板法制 备,通过控制相位掩模板的槽形深度和占宽比,制得高质量的光纤光栅,且监测断面均由光 纤光栅温度传感器进行校正,监测结果准确度高;本发明采用无线远程数据传输的方式,大 大方便了监测工作的开展,可真正做到远程监测。另外分析系统利用监测数据可反算出所 处地基的刚度和沉管隧道变形及力的变化值,这对于工后地基加固和控制工后沉降也有重 要意义,且分析系统成果也可供研究潮汐荷载变化规律。

Claims (9)

1. 一种用于沉管隧道建设施工或建成后的运营监测的沉管隧道变形监测及受力分析 系统,包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主 机,光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接,光纤光栅解调仪通过无线远 端连接至监控主机,其特征在于:每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各 监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器,每个光纤 光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接,支路传输光纤汇集于 干路总传输光纤,干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪,形成一套多断面多点位的实时 监测系统;所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感 器中,由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调,得到各传感器反射光的波长 信号;监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输,并对数据进 行处理,以得到各监测点的应变; 所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得,所述相位掩模法为:将 光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板,利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中 形成周期性扰动的折射率,从而形成光纤光栅,其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234 ± 10nm、占宽比为0• 5; 所述监控主机数据处理为:首先将原数据绘制成光谱图,后经高斯拟合将原本离散的 数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图,利 用公式\-1〇 = (:。-£&(11。)£{其中,\为光纤光栅应变传感器所测得波长值、;\1()为光纤光栅布 拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数,AB为光纤光栅中心反射波长,P。光纤有效光弹系 数,ef为应变,即可换算出得到各监测点的应变时程曲线; 所述监控主机数据处理还包括:将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出沉 管隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的本构 方程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉 降量Si zluPi/Ed、S2 = h2P2/Es2,其中,Si为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h为基 础层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、 Es2为土体压缩模量;结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t) =S1+ UZS2,其中Uz为土体固结度,然后截面下任意时刻地基刚度K⑴zPi/S⑴,利用K⑴再采用 弹性地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再 根据变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小; 监控主机对中央数据库数据访问下载后,将原数据变换为各监测点的应变值,监控主 机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,即可反演推算出管片所受外力 值; 光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远程数 据传输网络媒介传输的,所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无线调 制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控 主机内传输程序组成,每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库,中央数 据库对数据信息进行预处理和录入,保证数据的准确有效性,监控主机获取权限后可对中 央数据库内的数据进行访问。
2. 根据权利要求1所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统,其特征在于:所述光纤光 栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得,当所述敏感元件受拉或 受压时,粘贴在线槽内的光纤光栅将随之纵向拉伸或压缩,光纤光栅中的应变将引起反射 光波长较原来入射光发生漂移,由此来实现对监测点应变的测量;所述光纤光栅温度传感 器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内,再在小槽的两端用固定胶将光纤光栅固定, 待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏,加盖封装制得,槽内的光纤光栅的变形只 受温度影响,因此测得的数据可用于对光纤光栅应变传感器所测数据进行温度修正。
3. 根据权利要求1所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统,其特征在于:所述光纤光 栅解调仪包括: 1) 钥匙电源开关:插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通,回位后电源断开; 2) 电源指示灯:系统工作时常亮; 3) 系统故障指示灯:系统内部发生故障时常亮; 4) 网络通信指示灯:以太网络通讯是闪烁; 5) 数据采集指示灯:系统通电自检后常亮,表示可以采集数据; 6) 通道指示灯:指示各通道当前工作状况; 7) 八路外接光纤通道:接口类型为FC/APC,外接各种光栅传感器; 8) 以太网络接口 :与无线调制解调器相连,发射代码转变为无线信号传送至中央数据 库; 9) 继电器扩展接口:控制外围设备; 10) 系统调试接口:用于对系统进行调试; 11) 通讯串口 :和别的设备通讯; 12) SIM卡插口 :通过SIM卡将监测数据转变为发射代码; 13) 电源线插口:连接外接电源,给光纤光栅解调器供电。
4. 权利要求1-3任一所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法,其特征在 于:包括以下步骤: 1) 测试元件制备:光纤光栅采用相位掩模法进行制备,制备过程中,控制相位掩模板的 槽形深度为234±10nm和占宽比为0.5,所得光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且±1级 的衍射效率也可达36 % ; 2) 测试仪器的安装:选定沉管隧道监测断面若干,每一个监测断面布置有6个监测点, 每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器,每个断面固定1个光纤光栅温度传感器,构成的 是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统; 3) 数据传输:监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据,监测现场采集的数据 通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储,监控主机安装服务器传 输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的数据; 4) 数据处理:监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问,将原数据绘制成 光谱图,后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各光纤 光栅传感器反射光的波长时程图,利用公式入-= 4其中,X为光纤光栅应变传 感器所测得波长值、h为光纤光栅布拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数,AB为光纤光 栅中心反射波长,P。光纤有效光弹系数,ef为应变,即可换算出得到各监测点的应变时程曲 线; 5)沉降及力的反算:监控主机将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出沉管 隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的本构方 程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降 量51 = 11必^1、52 =研2/^2,其中,SA基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h为基础 层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、Es2 为土体压缩模量;结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S (t) zSi+UzS^ 其中Uz为土体固结度,然后截面下任意时刻地基刚度K (t) zPi/S (t),利用K (t)再采用弹性 地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再根据 变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小。
5.—种用于沉管隧道受潮汐荷载影响的检测分析的沉管隧道变形监测及受力分析系 统,包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机, 光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接,光纤光栅解调仪通过无线远端连 接至监控主机,其特征在于:每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测 点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器,每个光纤光栅 应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接,支路传输光纤汇集于干路 总传输光纤,干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪,形成一套多断面多点位的实时监测 系统;所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器 中,由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调,得到各传感器反射光的波长信 号;监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输,并对数据进行 处理,以得到各监测点的应变; 所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得,所述相位掩模法为:将 光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板,利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中 形成周期性扰动的折射率,从而形成光纤光栅,其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234 ±10nm、占宽比为0.5; 所述监控主机数据处理为:首先将原数据绘制成光谱图,后经高斯拟合将原本离散的 数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图,利 用公式入-A〇二Cc-fAB (1-P。) ef,其中,A为光纤光栅应变传感器所测得波长值、A〇为光纤光栅布 拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数,AB为光纤光栅中心反射波长,p。光纤有效光弹系 数,为应变,即可换算出得到各监测点的应变时程曲线; 所述监控主机数据处理还包括:将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出沉 管隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的本构 方程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉 降量81 = 111卩1/£51、82 = 112?2/£;52,其中,51为基础层最大沉降量、82为土层最大沉降量、111为基 础层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、 Es2为土体压缩模量;结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t)=S1+ UZS2,其中Uz为土体固结度,然后截面下任意时刻地基刚度K⑴二Pi/S⑴,利用K⑴再采用 弹性地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再 根据变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小; 监控主机对中央数据库数据访问下载后,将原数据变换为各监测点的应变值,监控主 机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,即可反演推算出管片所受外力 值; 光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远程数 据传输网络媒介传输的,所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无线调 制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控 主机内传输程序组成,每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库,中央数 据库对数据信息进行预处理和录入,保证数据的准确有效性,监控主机获取权限后可对中 央数据库内的数据进行访问。
6. 根据权利要求5所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统,其特征在于:所述光纤光 栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得,当所述敏感元件受拉或 受压时,粘贴在线槽内的光纤光栅将随之纵向拉伸或压缩,光纤光栅中的应变将引起反射 光波长较原来入射光发生漂移,由此来实现对监测点应变的测量;所述光纤光栅温度传感 器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内,再在小槽的两端用固定胶将光纤光栅固定, 待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏,加盖封装制得,槽内的光纤光栅的变形只 受温度影响,因此测得的数据可用于对光纤光栅应变传感器所测数据进行温度修正。
7. 根据权利要求5所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统,其特征在于:所述光纤光 栅解调仪包括: 1) 钥匙电源开关:插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通,回位后电源断开; 2) 电源指不灯:系统工作时常壳; 3) 系统故障指示灯:系统内部发生故障时常亮; 4) 网络通信指示灯:以太网络通讯是闪烁; 5) 数据采集指示灯:系统通电自检后常亮,表示可以采集数据; 6) 通道指示灯:指示各通道当前工作状况; 7) 八路外接光纤通道:接口类型为FC/APC,外接各种光栅传感器; 8) 以太网络接口 :与无线调制解调器相连,发射代码转变为无线信号传送至中央数据 库; 9) 继电器扩展接口:控制外围设备; 10) 系统调试接口:用于对系统进行调试; 11) 通讯串口 :和别的设备通讯; 12) S頂卡插口 :通过S頂卡将监测数据转变为发射代码; 13) 电源线插口:连接外接电源,给光纤光栅解调器供电。
8. 权利要求5-7任一所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法,其特征在 于:包括以下步骤: 1) 测试元件制备:光纤光栅采用相位掩模法进行制备,制备过程中,控制相位掩模板的 槽形深度为234± 10nm和占宽比为0.5,所得光纤光栅的零级衍射效率可低至2%,且± 1级 的衍射效率也可达36% ; 2) 测试仪器的安装:选定沉管隧道监测断面若干,每一个监测断面布置有6个监测点, 每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器,每个断面固定1个光纤光栅温度传感器,构成的 是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统; 3) 数据传输:监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据,监测现场采集的数据 通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储,监控主机安装服务器传 输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的数据; 4) 数据处理:监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问,将原数据绘制成 光谱图,后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成,可得到各光纤 光栅传感器反射光的波长时程图,利用公式= (l-p。) Ef其中,A•为光纤光栅应变传 感器所测得波长值、&为光纤光栅布拉格波长、为光纤与铜片间的粘贴系数,AB为光纤光 栅中心反射波长,P。光纤有效光弹系数,ef为应变,即可换算出得到各监测点的应变时程曲 线; 5) 沉降及力的反算:监控主机将所测应变值带入沉管隧道计算模型中,可反算出沉管 隧道下卧层地基的地基刚度;通过对沉管隧道管片结构应变的监测,可根据管片的本构方 程推知管片底部外表面的应力值,再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降 量51 = 1^1/^1、52 = 112?2/^2,其中基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、hi为基础 层厚度、h2为土层厚度、Pi为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Esl为基础层压缩模量、Es2 为土体压缩模量;结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为SWiSi+UzSs, 其中Uz为土体固结度,然后截面下任意时刻地基刚度K (t) iPi/S (t),利用K (t)再采用弹性 地基梁法,即可计算出每个断面的沉降差,也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化;再根据 变形协调关系,进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小;计算潮汐荷载作 用下沉管隧道沉降及内力,利用监控主机获得的沉管隧道管段进行24小时连续观测得到的 每隔1小时的检测数据,再将所测得检测数据和沉管隧道工程所处海域的潮汐参数带入以 上沉管隧道横截面变形和力的计算模型,进而获得沉管隧道沉降及内力随潮汐荷载作用下 的变化值,所述潮汐参数包括:平均落潮历时、平均涨潮历时、最大月潮、日潮值及平均潮 差。
9.根据权利要求8所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法,其特征在于: 步骤2)中,光纤光栅应变传感器采用膨胀螺丝固定于沉管隧道管片上。
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