CN106595918B - 一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，包括光纤光栅应变砖、光纤光栅温度补偿块、光缆盒、铠装光缆，光纤光栅应变砖包括测量石块、包裹在测量石块外的砂浆层，测量石块的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅，光纤光栅温度补偿块包括空心的金属圆筒、以及设置在金属圆筒内的温补石块，温补石块与金属圆筒之间采用EVA泡棉充填，温补石块的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅。本发明还公开了一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法。本发明有效降低了土压力监测误差，安装成活率高，且具有抗电磁干扰、耐腐蚀、信号衰减小等特点，可长期、准确监测盾构隧道管片外土压力。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术，具体涉及一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，还涉及一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法。
背景技术
随着我国城市基础设施的快速发展，一大批地铁、公路隧道相继在我国大中城市规划与兴建。由于盾构法施工具有施工速度快、效率高、工作环境好、安全保障程度高等优点，大多数地铁区间隧道及越江公路隧道采用盾构法施工。在盾构隧道的施工与运营期，管片外侧土压力大小直接影响管片结构的内力、接缝的变化，进而影响隧道的防水及与耐久性。因此，长期、准确监测管片外土压力是确保盾构隧道结构运营安全的重要保障。
目前，盾构隧道管片外土压力监测的主要方法为在管片内靠近外表面位置预埋土压力盒，但该方法应用于盾构隧道外土压力的长期监测存在以下不足：
1、刚度匹配误差
由于土体、管片混凝土、土压力盒盒体、土压力盒压膜、壁后注浆体间刚度存在差异较大，在外侧土压力作用下，土压力盒所在局部区域会出现应力集中现象，引起土压力实测结果与真实值间的误差。
2、承压面受力不均
管片为预制结构，土压力盒需要在管片生产环节预埋于管片中，然后在现场安装过程中随管片与外侧土体接触，这种安装方法无法保证压力盒压膜面与外侧土体接触良好；同时，由于土压力盒压膜与管片混凝土间压缩模量的差异；导致压力盒压膜上压力不均匀，引起测量误差。
3、不适用于长期监测
传统土压力盒受环境影响较大，如潮湿、化学腐蚀等，特别是传统电阻式或振弦式传感器其零点会发生长期漂移，长期应变测试的结果会严重失真，不适用于长期监测。
因此，开发一种适用于盾构隧道管片外土压力的长期监测方法，提高土压力的监测精度具有较高的工程运用价值。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，还提供一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法。
一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，包括光纤光栅应变砖、光纤光栅温度补偿块、光缆盒、铠装光缆，光纤光栅应变砖包括测量石块、包裹在测量石块外的砂浆层，测量石块的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅，
光纤光栅温度补偿块包括空心的金属圆筒、以及设置在金属圆筒内的温补石块，金属圆筒两端采用橡胶塞封堵，温补石块与金属圆筒之间采用EVA泡棉充填，温补石块的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅，
设定，y为隧道轴向，z为管片的径向方向，x为y-z平面的法线方向，取设定点为原点o，
测量石块上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b、方向向量为的光纤光栅c、方向向量为的光纤光栅d；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f、方向向量为的光纤光栅g、方向向量为的光纤光栅h、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅i、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j、方向向量为光纤光栅k、方向向量为的光纤光栅l；
温补石块上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b’、方向向量为的光纤光栅c’、方向向量为的光纤光栅d’；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f’、方向向量为的光纤光栅g’、方向向量为的光纤光栅h’、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅I’、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j’、方向向量为光纤光栅k’、方向向量为的光纤光栅l’；
测量石块上的12个光纤光栅对应12个测量方向，
温补石块上的12个光纤光栅的测量方向与测量石块上的12个光纤光栅的测量方向一一对应，
12个测量方向对应的测量石块和温补石块上的光纤光栅分别通过铠装光缆连接，铠装光缆的光缆接头穿过设置在光缆盒上的防水接头设置在光缆盒中。
如上所述的光缆盒包括光缆盒盖与光缆盒体，光缆盒盖与光缆盒体通过连接螺钉连接，光缆盒盖与光缆盒体之间设置有橡胶密封圈，光缆盒固定位置在管片真空吸盘非工作区。
一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法，包括以下步骤：
步骤1、制作光纤光栅应变砖1及光纤光栅温度补偿块，测量测量石块/温补石块的弹性模量E和泊松比v，温补石块的弹性模量E和泊松比v分别与测量石块的弹性模量E和泊松比v相同，
步骤2、光纤光栅应变砖及光纤光栅温度补偿块的安装，包括以下步骤，
步骤2.1、光纤光栅应变砖的安装：将光纤光栅应变砖的12个测量方向的光纤光栅的光缆接头连接至光纤解调仪中，确保光纤光栅应变砖能够正常使用，并记录此时光纤解调仪中12个测量方向各自对应的测量石块和温补石块上的光纤光栅的波长读数、光纤光栅应变砖编号以及与光纤光栅应变砖对应各个测量方向的铠装光缆的编号，将光纤光栅应变砖通过固定夹与管片环向钢筋连接，确保光纤光栅应变砖上表面与管片外表面平齐，
步骤2.2、光纤光栅温度补偿块的安装：采用扎带将光纤光栅温度补偿块固定在光纤光栅应变砖附近的管片钢筋上，并确保光纤光栅应变砖中的测量石块和光纤光栅温度补偿块中的温补石块对应平面相互平行，
步骤2.3、光缆盒固定：光缆盒位于管片内侧，其位置选择在管片拼装过程中真空吸盘的非影响区，光缆盒的光缆盒盖表面跟管片内表面平齐，光缆盒背面采用光缆盒固定钢筋固定，光缆盒固定钢筋与管片径向钢筋焊接，
步骤2.4、铠装光缆固定：将铠装光缆沿管片钢筋采用扎带固定，并最终由防水接头汇集至光缆盒中，再次连接铠装光缆与光纤解调仪，确保光纤光栅应变砖正常工作，
步骤2.5、光缆盒密封：将防水接头拧紧确保铠装光缆固定牢固；将铠装光缆的光缆接头采用防水胶带密封；将光缆盒盖通过螺钉与光缆盒体连接，并确保橡胶密封圈密封良好；最后，在光缆盒外侧采用防水胶带覆盖可压缩泡沫块，
步骤3、管片浇注及脱模后检测：在管片混凝土浇注过程中，确保光纤光栅应变砖表面与管片外表面平齐，待管片混凝土浇注完成后管片混凝土硬化前，再次检查光纤光栅应变砖是否与管片外表面平齐，若不平齐则进行调整，
管片养护完成并脱模后，将光缆盒表面可压缩泡沫块去掉，打开光缆盒，将光缆接头与光纤解调仪连接，记录12个测量方向各自对应的测量石块和温补石块上的光纤光栅的波长读数，将12个测量方向各自对应的测量石块和温补石块上的光纤光栅的波长读数与步骤2.1中的波长读数相比，确认光纤光栅应变砖正常工作，检测完成后，再次将光缆盒密封，
步骤4、现场检测及光缆熔解：
在施工现场管片拼装前，打开光缆盒，通过光纤解调仪读取此时12个测量方向各自对应的测量石块和温补石块上的光纤光栅的波长读数作为初始波长，待完成波长读数后，封闭光缆盒，
管片拼装完成并推出护盾后，将光缆盒打开，将12个测量方向的光纤光栅的光缆接头与主光缆熔接，熔接完成后，向光缆盒中浇注混凝土并磨平，
步骤5、土压力计算：
首先，选定其中一个测量方向为第一待检测测量方向，通过检测第一待检测测量方向对应的测量石块上的光纤光栅的波长读数与步骤4中获得的测量石块的初始波长之间的波长变化值，获得第一待检测测量方向的应变值，同时通过检测与第一待检测测量方向相同方向向量的第二待检测测量方向对应的测量石块上的光纤光栅的波长读数与步骤4中获得的测量石块的初始波长之间的波长变化值，获得第二待检测测量方向的应变值，
若第一待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的应变值的差值不在设定范围内，则通过第一待检测测量方向在测量石块上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第一待检测测量方向的等效应变值，通过第二待检测测量方向在测量石块上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第二待检测测量方向的等效应变值，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，则第一待检测测量方向的上对应的测量石块上的光纤光栅存在问题，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，则第二待检测测量方向的上对应的测量石块上的光纤光栅存在问题，
将测量石块上存在问题的测量方向的应变值替换为等效应变值，获得12个测量方向上的应变测量值，应变测量值经温度补偿后获得12个测量方向的准确的应变值，
其次，进行应变坐标变换：根据测量石块三个平面上的分别对应的4个测量方向的准确应变值，获得x、z方向的正应变与剪应变εxx,εzz,εxz，y、z方向的正应变与剪应变εyy,εzz,εyz；x、y方向的正应变与剪应变εxx,εyy,εxy，
采用胡克定律得到管片径向方向的应力：
式中，E为步骤1中测得的测量石块/温补石块的弹性模量，v为步骤1中测得的测量石块/温补石块的泊松比。
如上所述的步骤1包括：
步骤1.1、取管片混凝土粗骨料采用的石块，对石块开展压缩试验，得到石块的弹性模量E、泊松比v，
步骤1.2、取弹性模量E、泊松比v相同的两块管片混凝土粗骨料采用的石块，分别切割成两块相同长宽高的立方体，制得测量石块和温补石块，并将测量石块和温补石块的表面打磨干净平整，利用环氧树脂胶分别在测量石块和温补石块三个相互垂直的表面上分别粘贴12支光纤光栅，
设定y为隧道轴向，z为管片的径向方向，x为y-z平面的法线方向，
测量石块上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b、方向向量为的光纤光栅c、方向向量为的光纤光栅d；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f、方向向量为的光纤光栅g、方向向量为的光纤光栅h、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅i、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j、方向向量为光纤光栅k、方向向量为的光纤光栅l；
温补石块(602)上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b’、方向向量为的光纤光栅c’、方向向量为的光纤光栅d’、方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f’、方向向量为的光纤光栅g’、方向向量为的光纤光栅h’、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅I’、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j’、方向向量为光纤光栅k’、方向向量为的光纤光栅l’；
测量石块的12个测量方向与温补石块的12个测量方向一一对应，
步骤1.3、待光纤光栅粘贴好后，将测量石块和温补石块上对应测量方向的光纤光栅通过12芯的铠装光缆串联，测量石块上的一个光纤光栅串联温补石块上对应测量方向的光纤光栅构成测量方向对应的一组光纤光栅；
将测量石块放入应变砖模具中，采用制作管片的混凝土中砂浆的配合比，制备水泥砂浆，然后将制备好的水泥砂浆注入应变砖模具中；然后采用管片相同的养护条件进行养护，脱模后最终形成光纤光栅应变砖，
将粘贴有光纤光栅的温补石块放入金属圆筒中，并通过EVA泡棉固定温补石块，金属圆筒两端采用橡胶塞封堵。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、监测精度高
由于光栅粘贴在管片混凝土用石块上，被用相同配比的砂浆包裹，光栅的物理载面和力学强度小，嵌入到石块中不会对其性能造成影响；其刚度与管片混凝土一致，最大限度降低了刚度匹配误差。同时，测量位置与管片其它位置的刚度相同，消除了土拱效应。大幅提高了土压力的监测精度。
2、安装成活率高
安装过程中，光纤光栅应变砖中每1个光栅与光纤光栅温度补偿块中对应方向的光栅采用串联方式连接，两个光缆端头均可测量光栅波长，一端破坏另一端仍可正常工作；在隧道轴向、径向及环向分别设有两支光栅，用于相互校核与检验，一支破坏后，仍可通过另一支光栅进行应力计算，提高了计算精度；铠装光缆沿管片钢筋固定并通过防水接头引至光缆盒中，光缆盒采用多道密封措施，大幅提高了安装成活率。
3、适应性好
与传统电阻式及振弦式监测方式相比，本方法采用的光纤光栅其抗电磁干扰能力强，在管片推出护盾后即可对外侧注浆压力、土压力进行监测，还可对管片拼装过程中内部应力的变化规律进行监测；同时，光栅应变测量还具有精度高、灵敏度高、传输容量大、信号衰减小的特点，可实现多点分布式测量及远距离传输；除此之外，光纤光栅具有较好的耐久性。因此，本方法采用的光纤光栅应变砖特别适用于管片外土压力的长期监测。
本发明可广泛用于盾构隧道管片衬砌外土压力健康监测时的埋设，也可推广至类似的监测如水压力监测用渗压计的安装。采用上述方法，在南京纬三路过江通道盾构管片的土压力盒的埋设中，成活率达100％，且数据准确、规律性好、不影响正常管片生产与安装。解决了盾构隧道管片外土压力难以监测的难题。
附图说明
图1(a)为本发明装置的结构正视图；
图1(b)为本发明装置的结构俯视图；
图2(a)为光纤光栅应变砖砖结构左视图；
图2(b)为光纤光栅应变砖结构正视图；
图3为光纤光栅在测量石块上粘贴方向示意图；
图4为光纤光栅温度补偿块结构示意图；
图5(a)为光缆盒结构正视图；
图5(b)为光缆盒结构俯视图；
图6为光缆盒固定示意图；
其中，1-光纤光栅应变砖，2-光纤光栅温度补偿块，3-光缆盒，4-铠装光缆，5-光纤光栅，601-测量石块，602-温补石块，7-砂浆块，8-固定槽，9-固定夹，10-管片环向钢筋，11-金属圆筒，12-橡胶塞，13-EVA泡棉，14-光缆盒盖，15-光缆盒体，16-连接螺钉，17-橡胶密封圈，18-防水接头，19-光缆盒固定钢筋，20-管片径向钢筋，21-管片纵向钢筋，22-可压缩泡沫块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对发明作进一步的说明。
实施例1：
一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，包括光纤光栅应变砖1，光纤光栅温度补偿块2，光缆盒3，铠装光缆4。如图1所示，光纤光栅应变砖1与光纤光栅温度补偿传感器2通过铠装光缆4串联，铠装光缆4沿管片钢筋固定并最终汇集至光缆盒3中，管片钢筋包括管片环向钢筋10、管片径向钢筋20、管片纵向钢筋21。
如图2(a)～(b)所示，光纤光栅5通过胶粘于测量石块601上，在测量石块601外围包裹砂浆层形成砂浆块7，砂浆块7下部留有固定槽8，固定夹9的固定端嵌入到固定槽8中，固定夹9的夹头与管片环向钢筋10连接；连接完成后光纤光栅应变砖1的上表面与管片外表面平齐。
如图3所示，光纤光栅应变砖1包括测量石块601、包裹在测量石块601外的砂浆层、以及设置在测量石块601上的12支光纤光栅，12支光纤光栅布置在测量石块601的三个相互垂直的表面上，每个表面上有4支光纤光栅，每个表面上的相邻光纤光栅成45度夹角。设定，y为隧道轴向，z为管片的径向方向(厚度方向)，x为y-z平面的法线方向，取设定点为原点o；光纤光栅a、光纤光栅b、光纤光栅c、光纤光栅d四个光纤光栅所在的平面与xoz平面平行，光纤光栅e、光纤光栅f、光纤光栅g、光纤光栅h四个光纤光栅所在平面与yoz平面平行，光纤光栅i、光纤光栅j、光纤光栅k、光纤光栅l四个光纤光栅所在平面与平面xoy平行。12支光纤光栅对应的方向向量分别是：光纤光栅a方向向量＝(-1,0,0)、b＝(0,0,-1)、 光纤光栅e方向向量＝(0,1,0)、光纤光栅f方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅i方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅j方向向量＝(0,1,0)、12支光纤光栅组成三组坐标系，且在x、y、z三个方向上分别有两支光纤光栅，用于相互印证与校核。
如图4所示，光纤光栅温度补偿块2包括空心的金属圆筒11，以及设置在金属圆筒11内的温补石块602，采用与光纤光栅应变砖1同样的方式将12支光纤光栅5粘贴于温补石块602上，即：12支光纤光栅布置在温补石块602的三个相互垂直的表面上，每个表面上有4支光纤光栅，每个表面上的相邻光纤光栅成45度夹角。光纤光栅a’、光纤光栅b’、光纤光栅c’、光纤光栅d’四个光纤光栅所在平面与xoz平面平行，光纤光栅e’、光纤光栅f’、光纤光栅g’、光纤光栅h’四个光纤光栅所在平面与yoz平面平行，光纤光栅i’、光纤光栅j’、光纤光栅k’、光纤光栅l’四个光纤光栅所在平面与平面xoy平行。12支光纤光栅对应的方向向量分别是：光纤光栅a’方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅b’方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅e’方向向量＝(0,1,0)、光纤光栅f’方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅i’方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅j’方向向量＝(0,1,0)、12支光纤光栅组成三组坐标系，且在x、y、z三个方向上分别有两支光纤光栅，用于相互印证与校核。
温补石块602外部不需要包裹砂浆层。将粘贴有12支光纤光栅5的温补石块602放入空心的金属圆筒11中，金属圆筒11两端采用橡胶塞12封堵，金属圆筒11内剩余空间采用高压缩软质的EVA泡棉13充填，EVA泡棉13的压缩模量不高于1MPa，防止粘贴有12支光纤光栅5的温补石块602在金属圆筒11的内部移动；由于高压缩软质的EVA泡棉13弹性模量非常低，当温度变化时粘贴有12支光纤光栅5的温补石块602可以自由变形。
如图5所示，光缆盒3包括光缆盒盖14与光缆盒体15，两者通过连接螺钉16连接，为防止水泥浆进入光缆盒中，光缆盒盖14与光缆盒体15间存有橡胶密封圈17。
防水接头18通过在光缆盒体15中部预留的防水接头安装圆孔与光缆盒体15连接。
如图6所示，光缆盒3固定位置在管片真空吸盘非工作区，并根据管片环向钢筋10、管片径向钢筋20、管片纵向钢筋21最终选定；在管片的径向方向(厚度方向)，光缆盒固定钢筋17与前述管片钢筋(10、20、21)焊接(具体哪个钢筋要根据实际情况，不同类型管片钢筋的形式也不相同。)，确保光缆盒盖14表面与管片内表面平齐。为防止混凝土浇注过程中光缆盒3表面被砂浆封堵，光缆盒3外侧包裹有可压缩泡沫块20。
一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法，包括以下步骤
步骤1、制作光纤光栅应变砖1及光纤光栅温度补偿块2，测量测量石块601/温补石块602的弹性模量E和泊松比v，温补石块602的弹性模量E和泊松比v分别与测量石块601的弹性模量E和泊松比v相同，
步骤1.1、取管片混凝土粗骨料采用的石块，对石块开展压缩试验，得到石块的弹性模量E、泊松比v。
步骤1.2、取弹性模量E、泊松比v相同的两块管片混凝土粗骨料采用的石块，将其切割成两块长宽高分别为2.0cm*2.0cm*2.0cm的立方体，制得测量石块601和温补石块602。并将测量石块601和温补石块602的表面打磨干净平整。采用具有较高剪切弹性模量、高延伸率、良好粘接性能、稳定性好的环氧树脂胶(本实施例中为ergo环氧树脂胶)，分别在测量石块601和温补石块602三个相互垂直的表面上分别粘贴12支光纤光栅5，各光纤光栅5的方位按如上所述的12个方向向量确定；光纤光栅5的栅区长度取8.0mm。
设定y为隧道轴向，z为管片的径向方向(厚度方向)，x为y-z平面的法线方向，四个光纤光栅所在平面与xoz平面平行，四个光纤光栅所在平面与yoz平面平行，四个光纤光栅所在平面与平面xoy平行。测量石块601上的12支光纤光栅对应的方向向量分别是：光纤光栅a方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅b方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅e方向向量＝(0,1,0)、光纤光栅f方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅i方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅j方向向量＝(0,1,0)、测量石块601上的12支光纤光栅分别对应12个测量方向。
温补石块602上的12支光纤光栅对应的方向向量分别是：光纤光栅a’方向向量＝（-1，0，0)、光纤光栅b’方向向量＝(0,0,-1)、 光纤光栅e’方向向量＝(0,1,0)、光纤光栅f’方向向量＝(0,0,-1)、光纤光栅i’方向向量＝(-1,0,0)、光纤光栅j’方向向量＝(0,1,0)、 温补石块602上的12支光纤光栅分别对应12个测量方向。测量石块601的12个测量方向与温补石块602的12个测量方向一一对应。
步骤1.3、待光纤光栅粘贴好后，将测量石块601和温补石块602上对应测量方向的光纤光栅5通过12芯的铠装光缆4串联，测量石块601上的一个光纤光栅5串联温补石块602上对应测量方向的光纤光栅5构成一组光纤光栅5，一组光纤光栅可以测定一个测量方向仅由应力引起的波长变化值；根据光纤光栅测量原理，12组光纤光栅5可以测量12个测量方向的应变，由12个测量方向的应变计算土压力值。一个测量用的光纤光栅+一个温补用的光栅光纤不能获得应力，只能获得一个测量方向的应变，无法获得对应测量方向的应力；而本发明通过特定应变组合可获得空间任意方向的应力，并记录测量石块601和温补石块602上各个测量方向的光纤光栅5的方位和应力的对应关系。
将其中测量石块601放入应变砖模具中，应变砖模具为六面体，应变砖模具的高度较管片环向钢筋10保护层厚度小0.3cm，测量石块601位于应变砖模具的上部，保证测量石块601上表面距应变砖模量上表面0.3cm左右。采用制作管片的混凝土中砂浆的配合比，制备水泥砂浆，然后将制备好的水泥砂浆注入应变砖模具中；然后采用管片相同的养护条件进行养护，脱模后最终形成光纤光栅应变砖1。
在光纤光栅应变砖的表面开“V”字型的固定槽8，然后将固定夹9通过固定槽8与光纤光栅应变砖1连接。
将另一个粘贴有光纤光栅5的温补石块602放入金属圆筒11中，并通过高压缩软质的EVA泡棉13固定温补石块602，金属圆筒11两端采用橡胶塞12封堵，温度变化时温补石块602可在金属圆筒11中自由变形，最终制得光纤光栅温度补偿块2。
还包括对光纤光栅应变砖1的标定步骤。
根据运营期管片所处环境温度，确定管片所处环境温度可能范围为[2℃-60℃]，在此温度范围内，对上述制备得到的光纤光栅应变砖1进行XYZ方向的压缩试验。通过对比试验施加应力与通过光纤光栅波长变化计算得到的应力，检验温度补偿的效果及光纤光栅应变砖1的测量精度。
步骤2、光纤光栅应变砖1及光纤光栅温度补偿块2的安装，包括以下步骤，
步骤2.1、光纤光栅应变砖1的安装：在安装前，将光纤光栅应变砖1的12个测量方向的光纤光栅的光缆接头连接至光纤解调仪中，确保光纤光栅应变砖1能够正常使用，并记录此时光纤解调仪中12个测量方向各自对应的测量石块601和温补石块602上的光纤光栅5的波长读数、光纤光栅应变砖1编号以及与光纤光栅应变砖1对应各个测量方向的光纤光缆编号。将光纤光栅应变砖1通过固定夹9与管片环向钢筋10连接，并确保光纤光栅应变砖1上表面与管片外表面平齐。
步骤2.2、光纤光栅温度补偿块2安装：采用扎带将光纤光栅温度补偿块2固定在光纤光栅应变砖1附近的管片钢筋上，并确保光纤光栅应变砖1中的测量石块601和光纤光栅温度补偿块2中的温补石块602对应平面相互平行，
步骤2.3、光缆盒3固定：光缆盒3用于管片生产、运输及拼装过程中临时存放光缆，采用PVC耐腐蚀材质制作而成，根据铠装光缆4的外接长度，光缆盒3尺寸取10.0cm*10.0cm*10.0cm。光缆盒3包括光缆盒盖14和光缆盒体15，两者采用连接螺钉16连接，同时，光缆盒盖14与光缆盒体15间留有橡胶密封圈17，防止混凝土浇注过程中水泥浆进入光缆盒3内。光缆盒3位于管片内侧，其位置选择在管片拼装过程中真空吸盘的非影响区，以防影响管片拼装。根据管片内侧钢筋的保护层距离，确定光缆盒在管片厚度方向的位置，使光缆盒盖14表面跟管片内表面平齐。光缆盒3位置确定后，光缆盒3背面采用光缆盒固定钢筋19固定，光缆盒固定钢筋19与管片径向钢筋20焊接，防止混凝土浇注过程中光缆盒体15上浮，导致光缆盒体15被埋。
步骤2.4、光缆固定：将铠装光缆4沿管片钢筋(在光缆到光缆盒的过程中，管片环向钢筋10、管片径向钢筋20、管片纵向钢筋21通常都会有)采用扎带固定，并最终由防水接头18汇集至光缆盒3中。汇集完成后，再次连接光缆与光纤解调仪，确保光纤光栅应变砖1是否正常工作。
步骤2.5、光缆盒密封：为防止混凝土浇注过程中水泥浆进入光缆盒3中而破坏用于与光纤解调仪连接的光缆接头，首先，将防水接头18拧紧确保铠装光缆4固定牢固；然后，将光缆接头采用防水胶带密封；接下来，将光缆盒盖14通过螺钉与光缆盒体15连接，并确保橡胶密封圈密封良好；最后，在光缆盒3外侧采用防水胶带覆盖可压缩泡沫块22，再次确保混凝土浇注过程中光缆盒3不被水泥浆封埋。
步骤3、管片浇注及脱模后检测
在管片混凝土浇注过程中，采取有效保护措施，确保光纤光栅应变砖1表面与管片外表面平齐。待混凝土浇注完成后混凝土硬化前，再次检查光纤光栅应变砖1是否与管片外表面平齐，若不平齐则进行调整。
管片养护完成并脱模后，将光缆盒3表面可压缩泡沫块22去掉，打开光缆盒，将光缆接头与光纤解调仪连接，记录12个测量方向的各自对应的测量石块601和温补石块602上的光纤光栅5的波长读数，将12个测量方向各自对应的测量石块601和温补石块602上的光纤光栅5的波长读数与步骤2.1中的波长读数相比，判断光纤光栅应变砖1是否正常工作，若对应测量方向各自对应的测量石块601和温补石块602上的光纤光栅5的的波长读数的差值在设定范围内，则认为是正常工作，设定范围一般为步骤2.1中的读数的正负3nm的范围。检测完成后，再次将光缆盒3密封，防止管片后期水池养护及运输过程中光缆盒3的破损。
步骤4、现场检测及光缆熔解
在施工现场管片拼装前，打开光缆盒3，通过光纤解调仪读取此时12个测量方向的波长读数作为12个测量方向各自对应的测量石块601和温补石块602上的光纤光栅5的初始波长。待完成波长读数后，封闭光缆盒3。
管片拼装完成并推出护盾后，将光缆盒3打开，将12个测量方向的光纤光栅的光缆接头与主光缆熔接，熔接完成后，向光缆盒3中浇注混凝土并磨平。
步骤5、土压力计算
主光缆接入监测室，根据光纤光栅的波长读数的变化通过下列步骤得到管片外侧土压力：
首先，选定其中一个测量方向为第一待检测测量方向，通过检测第一待检测测量方向对应的测量石块601上的光纤光栅5的波长读数与步骤4中获得的测量石块601的初始波长之间的波长变化值，获得第一待检测测量方向的应变值，同时通过检测与第一待检测测量方向相同方向向量的第二待检测测量方向对应的测量石块601上的光纤光栅5的波长读数与步骤4中获得的测量石块601的初始波长之间的波长变化值，获得第二待检测测量方向的应变值，
若第一待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的应变值的差值不在设定范围内，则通过第一待检测测量方向在测量石块601上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第一待检测测量方向的等效应变值，通过第二待检测测量方向在测量石块601上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第二待检测测量方向的等效应变值，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，则第一待检测测量方向的上对应的测量石块601上的光纤光栅5存在问题，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，则第二待检测测量方向的上对应的测量石块601上的光纤光栅5存在问题，
例如光纤光栅a所在测量方向上测得的应变值εa与光纤光栅i所在测量方向上测得的应变值εi的差值不在设定范围内，则通过光纤光栅b、c、d所在的测量方向上测得的应变值计算光纤光栅a所在测量方向上的等效应变值ε′a，通过光纤光栅j、k、l所在的测量方向上测得的应变值计算光纤光栅i所在的测量方向上的等效应变值ε′i；对比εa与ε′a，εi与ε′i，若εa与ε′a在设定的误差范围内，而εi与ε′i超出设定的误差范围，则代表光纤光栅i所在测量方向上的应变值εi存在问题；反之若εi与ε′i在设定的误差范围内，εa与ε′a超出设定的误差范围，则代表光纤光栅a所在测量方向上的应变值εa存在问题。
将测量石块601上存在问题的测量方向的应变值替换为等效应变值，获得12个测量方向上的应变测量值，应变测量值经温度补偿后获得12个测量方向的准确的应变值，
例如，剔除问题光纤光栅后，将测量石块601上正常光纤光栅测得的波长变化量(i＝1,2,3…12)减去温补石块602上对应光纤光栅测得的波长变化量(i＝1,2,3…12)，得到不同方位上温度补偿后的波长变化值(i＝1,2,3…12)。由波长变化值Δλi(i＝1,2,3…12)根据光纤光栅测量原理，计算得到不同方位的应变值εi(i＝1,2,3…12)。
其次，应变坐标变换：根据三个平面上的分别对应的4个测量方向的准确应变值，获得x、z方向的正应变与剪应变εxx,εzz,εxz，y、z方向的正应变与剪应变εyy,εzz,εyz；x、y方向的正应变与剪应变εxx,εyy,εxy。
在测量石块601粘有光纤光栅的一个平面内，存在两个平面坐标系。例如，光纤光栅a与光纤光栅b组成第一平面坐标系1，光栅c与光栅d组成温补平面坐标系2。由光栅a、b、c、d测量得到的并经温度补偿后波长变化量，根据光纤光栅测量原理计算得到对应测量方向的应变值εa,εb,εc,εd，根据第一平面坐标系1与温补平面坐标系2间的转换关系得到图3所示整体坐标系下x、z方向的正应变与剪应变εxx,εzz,εxz；同理根据光栅e、f、g、h波长计算得到图3所示整体坐标系下y、z方向的正应变与剪应变εyy,εzz,εyz；同理根据光栅i、j、k、l波长计算得到图3所示整体坐标系下x、y方向的正应变与剪应变εxx,εyy,εxy。
采用胡克定律得到管片径向方向(厚度方向)的应力：
式中，E为步骤1.1中测得的测量石块601/温补石块602)的弹性模量，v为步骤1.1中测得的测量石块601/温补石块602石块(601、602)的泊松比。
说明：测量石块601/温补石块602的力学性质相同，两者的E和v相等。
由于应变砖尺寸很小，且应变砖上表面与管片外表面平齐，根据土体-管片界面法向应力连续条件，σzz即为管片承受的土压力。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，其特征在于，包括光纤光栅应变砖(1)、光纤光栅温度补偿块(2)、光缆盒(3)、铠装光缆(4)，光纤光栅应变砖(1)包括测量石块(601)、包裹在测量石块(601)外的砂浆层，测量石块(601)的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅，
光纤光栅温度补偿块(2)包括空心的金属圆筒(11)、以及设置在金属圆筒(11)内的温补石块(602)，金属圆筒(11)两端采用橡胶塞(12)封堵，温补石块(602)与金属圆筒(11)之间采用EVA泡棉(13)充填，温补石块(602)的三个相互垂直的表面上均设置有4支光纤光栅，
设定，y为隧道轴向，z为管片的径向方向，x为y-z平面的法线方向，取设定点为原点o，
测量石块(601)上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b、方向向量为的光纤光栅c、方向向量为的光纤光栅d；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f、方向向量为的光纤光栅g、方向向量为的光纤光栅h、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅i、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j、方向向量为光纤光栅k、方向向量为的光纤光栅l；
温补石块(602)上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b’、方向向量为的光纤光栅c’、方向向量为的光纤光栅d’；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f’、方向向量为的光纤光栅g’、方向向量为的光纤光栅h’、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅I’、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j’、方向向量为光纤光栅k’、方向向量为的光纤光栅l’；
测量石块(601)上的12个光纤光栅对应12个测量方向，
温补石块(602)上的12个光纤光栅的测量方向与测量石块(601)上的12个光纤光栅的测量方向一一对应，
12个测量方向对应的测量石块(601)和温补石块(602)上的光纤光栅分别通过铠装光缆(4)连接，铠装光缆(4)的光缆接头穿过设置在光缆盒(3)上的防水接头(18)设置在光缆盒(3)中。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置，其特征在于，所述的光缆盒(3)包括光缆盒盖(14)与光缆盒体(15)，光缆盒盖(14)与光缆盒体(15)通过连接螺钉(16)连接，光缆盒盖(14)与光缆盒体(15)之间设置有橡胶密封圈(17)，光缆盒(3)固定位置在管片真空吸盘非工作区。
3.一种利用权利要求1所述的装置进行盾构隧道管片外土压力的长期监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制作光纤光栅应变砖(1)及光纤光栅温度补偿块(2)，测量测量石块(601)/温补石块(602)的弹性模量E和泊松比v，温补石块(602)的弹性模量E和泊松比v分别与测量石块(601)的弹性模量E和泊松比v相同，
步骤2、光纤光栅应变砖(1)及光纤光栅温度补偿块(2)的安装，包括以下步骤，
步骤2.1、光纤光栅应变砖(1)的安装：将光纤光栅应变砖(1)的12个测量方向的光纤光栅的光缆接头连接至光纤解调仪中，确保光纤光栅应变砖(1)能够正常使用，并记录此时光纤解调仪中12个测量方向各自对应的测量石块(601)和温补石块(602)上的光纤光栅(5)的波长读数、光纤光栅应变砖(1)编号以及与光纤光栅应变砖(1)对应各个测量方向的铠装光缆(4)的编号，将光纤光栅应变砖(1)通过固定夹(9)与管片环向钢筋(10)连接，确保光纤光栅应变砖(1)上表面与管片外表面平齐，
步骤2.2、光纤光栅温度补偿块(2)的安装：采用扎带将光纤光栅温度补偿块(2)固定在光纤光栅应变砖(1)附近的管片钢筋上，并确保光纤光栅应变砖(1)中的测量石块(601)和光纤光栅温度补偿块(2)中的温补石块(602)对应平面相互平行，
步骤2.3、光缆盒(3)固定：光缆盒(3)位于管片内侧，其位置选择在管片拼装过程中真空吸盘的非影响区，光缆盒(3)的光缆盒盖(14)表面跟管片内表面平齐，光缆盒(3)背面采用光缆盒固定钢筋(19)固定，光缆盒固定钢筋(19)与管片径向钢筋(20)焊接，
步骤2.4、铠装光缆固定：将铠装光缆(4)沿管片钢筋采用扎带固定，并最终由防水接头(18)汇集至光缆盒(3)中，再次连接铠装光缆与光纤解调仪，确保光纤光栅应变砖(1)正常工作，
步骤2.5、光缆盒密封：将防水接头(18)拧紧确保铠装光缆(4)固定牢固；将铠装光缆(4)的光缆接头采用防水胶带密封；将光缆盒盖(14)通过螺钉与光缆盒体(15)连接，并确保橡胶密封圈密封良好；最后，在光缆盒(3)外侧采用防水胶带覆盖可压缩泡沫块(22)，
步骤3、管片浇注及脱模后检测：在管片混凝土浇注过程中，确保光纤光栅应变砖(1)表面与管片外表面平齐，待管片混凝土浇注完成后管片混凝土硬化前，再次检查光纤光栅应变砖(1)是否与管片外表面平齐，若不平齐则进行调整，
管片养护完成并脱模后，将光缆盒(3)表面可压缩泡沫块(22)去掉，打开光缆盒(3)，将光缆接头与光纤解调仪连接，记录12个测量方向各自对应的测量石块(601)和温补石块(602)上的光纤光栅(5)的波长读数，将12个测量方向各自对应的测量石块(601)和温补石块(602)上的光纤光栅(5)的波长读数与步骤2.1中的波长读数相比，确认光纤光栅应变砖(1)正常工作，检测完成后，再次将光缆盒(3)密封，
步骤4、现场检测及光缆熔解：
在施工现场管片拼装前，打开光缆盒(3)，通过光纤解调仪读取此时12个测量方向各自对应的测量石块(601)和温补石块(602)上的光纤光栅(5)的波长读数作为初始波长，待完成波长读数后，封闭光缆盒(3)，
管片拼装完成并推出护盾后，将光缆盒(3)打开，将12个测量方向的光纤光栅的光缆接头与主光缆熔接，熔接完成后，向光缆盒(3)中浇注混凝土并磨平，
步骤5、土压力计算：
首先，选定其中一个测量方向为第一待检测测量方向，通过检测第一待检测测量方向对应的测量石块(601)上的光纤光栅(5)的波长读数与步骤4中获得的测量石块(601)的初始波长之间的波长变化值，获得第一待检测测量方向的应变值，同时通过检测与第一待检测测量方向相同方向向量的第二待检测测量方向对应的测量石块(601)上的光纤光栅(5)的波长读数与步骤4中获得的测量石块(601)的初始波长之间的波长变化值，获得第二待检测测量方向的应变值，
若第一待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的应变值的差值不在设定范围内，则通过第一待检测测量方向在测量石块(601)上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第一待检测测量方向的等效应变值，通过第二待检测测量方向在测量石块(601)上对应的光纤光栅所在的平面的其他三个测量方向的波长变化值获得第二待检测测量方向的等效应变值，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，则第一待检测测量方向上对应的测量石块(601)上的光纤光栅(5)存在问题，
如果第一待检测测量方向的应变值与第一待检测测量方向的等效应变值的差值在设定范围内，第二待检测测量方向的应变值与第二待检测测量方向的等效应变值的差值不在设定范围内，则第二待检测测量方向上对应的测量石块(601)上的光纤光栅(5)存在问题，
将测量石块(601)上存在问题的测量方向的应变值替换为等效应变值，获得12个测量方向上的应变测量值，应变测量值经温度补偿后获得12个测量方向的准确的应变值，
其次，进行应变坐标变换：根据测量石块(601)三个平面上的分别对应的4个测量方向的准确应变值，获得x、z方向的正应变与剪应变εxx，εzz，εxz，y、z方向的正应变与剪应变εyy，εzz，εyz；x、y方向的正应变与剪应变εxx，εyy，εxy，
采用胡克定律得到管片径向方向的应力σzz：
式中，E为步骤1中测得的测量石块(601)/温补石块(602)的弹性模量，v为步骤1中测得的测量石块(601)/温补石块(602)的泊松比。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道管片外土压力的长期监测的方法，其特征在于，所述的步骤1包括：
步骤1.1、取管片混凝土粗骨料采用的石块，对石块开展压缩试验，得到石块的弹性模量E、泊松比v，
步骤1.2、取弹性模量E、泊松比v相同的两块管片混凝土粗骨料采用的石块，分别切割成两块相同长宽高的立方体，制得测量石块(601)和温补石块(602)，并将测量石块(601)和温补石块(602)的表面打磨干净平整，利用环氧树脂胶分别在测量石块(601)和温补石块(602)三个相互垂直的表面上分别粘贴12支光纤光栅(5)，
设定y为隧道轴向，z为管片的径向方向，x为y-z平面的法线方向，
测量石块(601)上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b、方向向量为的光纤光栅c、方向向量为的光纤光栅d；方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f、方向向量为的光纤光栅g、方向向量为的光纤光栅h、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅i、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j、方向向量为光纤光栅k、方向向量为的光纤光栅l；
温补石块(602)上的光纤光栅包括方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅a’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅b’、方向向量为的光纤光栅c’、方向向量为的光纤光栅d’、方向向量为(0,1,0)的光纤光栅e’、方向向量为(0,0,-1)的光纤光栅f’、方向向量为的光纤光栅g’、方向向量为的光纤光栅h’、方向向量为(-1,0,0)的光纤光栅I’、方向向量为(0,1,0)光纤光栅j’、方向向量为光纤光栅k’、方向向量为的光纤光栅l’；
测量石块(601)的12个测量方向与温补石块(602)的12个测量方向一一对应，
步骤1.3、待光纤光栅粘贴好后，将测量石块(601)和温补石块(602)上对应测量方向的光纤光栅(5)通过12芯的铠装光缆(4)串联，测量石块(601)上的一个光纤光栅(5)串联温补石块(602)上对应测量方向的光纤光栅(5)构成测量方向对应的一组光纤光栅(5)；
将测量石块(601)放入应变砖模具中，采用制作管片的混凝土中砂浆的配合比，制备水泥砂浆，然后将制备好的水泥砂浆注入应变砖模具中；然后采用管片相同的养护条件进行养护，脱模后最终形成光纤光栅应变砖(1)，
将粘贴有光纤光栅(5)的温补石块(602)放入金属圆筒(11)中，并通过EVA泡棉(13)固定温补石块(602)，金属圆筒(11)两端采用橡胶塞(12)封堵。
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