CN106989685A - 一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道与地下工程技术领域，涉及一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法，该监测装置包括粘贴型分布式光纤、碳纤维底胶、连接光纤、导线以及光纤分析仪；待监测盾构隧道管片设置有多个相互并行的监测断面；粘贴型分布式光纤通过碳纤维底胶分别布设在每个监测断面上；设置在多个相互并行的监测断面上的粘贴型分布式光纤通过连接光纤相互串联；光纤分析仪置于盾构隧道管片外部；粘贴型分布式光纤通过导线与光纤分析仪相连。本发明提供一种操作性强、成本较低，且能实现盾构隧道管片整体变形监测的自动化及智能化的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法。

Description

一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其 监测方法

技术领域

本发明属于隧道与地下工程技术领域，涉及一种盾构隧道管片变形监测装置及监测方法，尤其涉及一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展和社会的迫切需求，城市轨道交通已成为各个城市基础建设中的重要部分，且轨道交通里程在未来几十年仍会保持增长趋势。目前，在我国，盾构隧道占所有城市轨道交通区间隧道的比例达85％左右。在盾构隧道施工及运营过程中，由于管片质量、盾尾注浆质量、环境变化、循环荷载等多种因素的共同作用，盾构隧道管片极易发生渗漏水、结构裂缝、纵向沉降及整体收敛变形等病害。据不完全统计，我国建成10年以上的盾构隧道，约60％存在管片整体变形的病害，其不仅威胁盾构隧道内行车的安全，还会影响盾构隧道的耐久性，缩短其使用寿命，造成极大的经济损失。

盾构隧道管片整体变形收敛的监测工作，对于盾构隧道健康预警、评价、病害处治等方面具有非常重要的意义。目前，盾构隧道管片整体变形监测的常用手段主要是利用钢尺收敛计、三维激光扫描仪对典型断面进行监测。由于钢尺收敛计是利用钢尺来量测布设在盾构隧道两侧边墙上的膨胀螺栓之间的距离，以反映截面收敛情况，其在操作过程中完全依赖人工，费时费力、效率较低、误差较大，所得监测结果参考意义非常有限；而三维激光扫描仪是通过对盾构隧道断面进行激光扫描，并对其进行图像处理以分析其变形情况，如中国专利ZL2016200888 23.9公开了一种铁路隧道激光三位扫描检测装置，但其在现场操作过程中，由于盾构隧道内为半封闭空间，光线较暗、空气污浊且管片表面灰尘较多，其监测精度通常低于2mm，对盾构隧道健康预警、评价的参考意义极为有限。可以说，现有的盾构隧道管片整体变形监测技术无法满足当前城市轨道交通建设的发展，亟需提出一套高精度、自动化、智能化的监测系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有盾构隧道管片整体变形监测技术中存在的问题，提供一种操作性强、成本较低，且能实现盾构隧道管片整体变形监测的自动化及智能化的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置包括粘贴型分布式光纤、碳纤维底胶、连接光纤、导线以及光纤分析仪；待监测盾构隧道管片设置有多个相互并行的监测断面；所述粘贴型分布式光纤通过碳纤维底胶分别布设在每个监测断面上；所述设置在多个相互并行的监测断面上的粘贴型分布式光纤通过连接光纤相互串联；所述光纤分析仪置于盾构隧道管片外部；所述粘贴型分布式光纤通过导线与光纤分析仪相连。

作为优选，本发明所采用的粘贴型分布式光纤通过碳纤维底胶分别布设在处于每个监测断面的上半部分的外侧表面上。

作为优选，本发明所采用的相邻两个监测断面之间的距离是25m～30m。

作为优选，本发明所采用的粘贴型分布式光纤包括碳纤维编织网以及分布式光纤；所述碳纤维编织网包裹在分布式光纤外部；所述碳纤维编织网通过碳纤维底胶分别布设在每个监测断面上。

作为优选，本发明所采用的粘贴型分布式光纤还包括涤纶线；所述分布式光纤布设在碳纤维编织网中间并通过涤纶线与碳纤维编织网相连。

作为优选，本发明所采用的分布式光纤是紧包护套应变感测光缆，所述分布式光纤的纤芯外侧封装有聚氨酯弹性材料保护层，所述分布式光纤的直径为2mm，所述分布式光纤的重量为2kg/km。

作为优选，本发明所采用的碳纤维编织网的宽度不大于5cm；所述涤纶线沿碳纤维编织网的纵向以不大于5cm的间隔分别与分布式光纤以及碳纤维编织网相连。

作为优选，本发明所采用的连接光纤以及导线均采用金属基索状光缆，所述连接光纤以及导线均通过多股金属加强件保护内部光纤，所述连接光纤以及导线的截面尺寸为Φ5mm，重量为38kg/km，应变测试范围为-15000με～+15000με。

一种基于如前所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)清洗盾构隧道管片：将盾构隧道管片上半部分的外侧表面沿环向进行清洗，所清洗区域的宽度不小于10cm；

2)制作粘贴型分布式光纤：裁剪出宽度不大于5cm的碳纤维编织网，将分布式光纤布设在碳纤维编织网中间，并利用涤纶线沿纵向以不大于5cm的间隔进行固定；

3)涂刷碳纤维底胶：在盾构隧道管片的清洗区域均匀涂刷碳纤维底胶，所述碳纤维底胶的宽度不小于8cm；

4)布设粘贴型分布式光纤：将步骤2)制备得到的粘贴型分布式光纤沿盾构隧道管片的环向粘贴至涂刷碳纤维底胶部位，在粘贴型分布式光纤外侧再涂刷一层碳纤维底胶，确保粘贴型分布式光纤与盾构隧道管片粘贴牢固；

5)布设连接光纤：将连接光纤用线卡沿盾构隧道轴线固定在盾构隧道管片上，线卡间距不宜大于2m；所述连接光纤与粘贴型分布式光纤相连；

6)安装导线及光纤分析仪：在盾构隧道洞口处安装导线，将粘贴型分布式光纤与光纤分析仪进行连接，光纤分析仪应布设在洞口空旷处，利于GPRS信号的传输；

7)对盾构隧道管片的整体变形情况进行监测。

作为优选，本发明所采用的步骤7)的具体监测方式是：

在盾构隧道管片上选取微段AB，AB代表了管片截面的中轴线，变形前的微段AB经位移后保持在A″B″的平衡位置，总的位移视为切向位移v_s和径向位移v_r两部分组成；所述切向位移v_s是从AB到A'B'；所述径向位移v_r是从A'B'到A″B″；由于盾构隧道管片切向变形一般较小，假定A'B'≈ds，则在纯径向位移状态下，微段长度A″B″＝ds-Δds，则有：

Δds＝rdθ-(r-v_r)dθ＝v_rdθ＝v_rds/r (1)

式中：

r为盾构隧道截面半径；

dθ为盾构隧道管片转动角度；

由于盾构隧道管片变形后绕曲率中心的曲率由单位弧长的角增量计算，因此管片微段AB变形至A″B″位置时的曲率k’为：

对式(2)进行移项处理，可得盾构隧道管片微段AB的曲率变化率Δk：

利用管片的曲率变化率Δk直观的反映盾构隧道管片整体变形情况。

本发明与现有监测技术相比，其显著优点是：

本发明提供了一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及监测方法，该监测装置包括粘贴型分布式光纤、碳纤维底胶、连接光纤、导线以及光纤分析仪；待监测盾构隧道管片设置有多个相互并行的监测断面；粘贴型分布式光纤通过碳纤维底胶分别布设在每个监测断面上；设置在多个相互并行的监测断面上的粘贴型分布式光纤通过连接光纤相互串联；光纤分析仪置于盾构隧道管片外部；粘贴型分布式光纤通过导线与光纤分析仪相连。本发明通过监测分布式光纤的应变值，并利用理论分析手段得出盾构隧道管片的曲率变化率，从而直观的反映了盾构隧道管片的整体变形情况。可以说，本发明实现了盾构隧道管片整体变形监测的高精度、自动化、智能化。本发明针对现有的盾构隧道管片整体变形监测技术中现场布设传感器费时费力、监测效率较低等问题，提供一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法，其不仅使得盾构隧道管片整体变形监测的现场布设工作省时省力、可操作性强、成本较低，而且实现了盾构隧道管片整体变形监测的自动化、智能化，具有较好的社会、经济效益。具体而言，本发明具有以下优点：

1)本发明通过在盾构隧道管片表面布设分布式光纤以监测其变形情况，形成了覆盖面较广的光纤监测网，避免了传统点式监测法的缺陷，实现对盾构隧道管片的全方位监测，提高了监测的准确性，且其具有性能稳定、灵敏度高等优点；

2)本发明利用涤纶线将分布式光纤固定在碳纤维编织网上，并利用碳纤维底胶制成粘贴型分布式光纤，其施工方便、快捷、成本较低，且能够使得分布式光纤与管片牢固的粘结为一体，能够通过分布式光纤的应变准备的反映管片的变形情况，实现了高精度监测；

3)本发明利用光纤分析仪对监测数据进行解析，并通过内置GPRS模块实现了数据远程传输，其实现了盾构隧道管片整体变形监测的自动化、智能化。

附图说明

图1为本发明所提供的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的横断面示意图；

图3为本发明采用的粘贴型分布式光纤的结构示意图；

图4为本发明所采用的粘贴型分布式光纤与盾构隧道管片之间相互连接的结构示意图；

图5为本发明所采用的变形监测计算模型示意图；

附图标记说明如下：

1-盾构隧道管片；2-仰拱；3-粘贴型分布式光纤；31-碳纤维编织网；32-分布式光纤；33-涤纶线；4-碳纤维底胶；5-连接光纤；6-导线；7-光纤分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明所提供的装置及方法做进一步的详细说明：

参见图1、图2、图3及图4，本发明提供了一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，该监测装置包括粘贴型分布式光纤3、碳纤维底胶4、连接光纤5、导线6以及光纤分析仪7；粘贴型分布式光纤3由碳纤维编织网31、分布式光纤32以及涤纶线33构成；粘贴型分布式光纤3布设在盾构隧道管片1上半部分的外侧表面上；监测断面之间通过连接光纤5进行连接；粘贴型分布式光纤3通过导线6引至盾构隧道洞口，并与光纤分析仪7连接。

分布式光纤32是紧包护套应变感测光缆，其纤芯外侧封装有聚氨酯弹性材料保护层，所述分布式光纤32的直径为2mm，重量为2kg/km。

碳纤维编织网31宽度宜为5cm，分布式光纤32布设在碳纤维编织网31中间，并利用涤纶线33沿纵向每隔5cm进行固定。

粘贴型分布式光纤3沿环向布设在盾构隧道管片1上半部分的外侧表面上，所述监测断面间距宜为25m～30m。

光纤分析仪7可定期向粘贴型分布式光纤3内输入脉冲激光信号，并将返回的光纤应变信号解析为应变监测数据，同时将监测数据通过其内置的GPRS模块实现无线传输。

连接光纤5、导线6均采用金属基索状光缆，其通过多股金属加强件保护内部光纤，其截面尺寸为Φ5mm，重量为38kg/km，应变测试范围为-15000～+15000με。

本发明还提供了一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的施工方法，其步骤是：

(a)清洗盾构隧道管片1：将盾构隧道管片1上半部分的外侧表面沿环向进行清洗，所清洗区域的宽度不小于10cm；

(b)制作粘贴型分布式光纤3：裁剪出宽度宜为5cm的碳纤维编织网31，将分布式光纤32布设在碳纤维编织网31中间，并利用涤纶线33沿纵向每隔5cm进行固定；

(c)涂刷碳纤维底胶4：在盾构隧道管片1外侧表面(即清洗区域)涂刷碳纤维底胶4，其宽度不小于8cm，并保证碳纤维底胶4涂刷均匀；

(d)布设粘贴型分布式光纤3：将制作好的粘贴型分布式光纤3沿环向粘贴至涂刷碳纤维底胶4部位，在粘贴型分布式光纤3外侧再涂刷一层碳纤维底胶4，保证粘贴型分布式光纤3与盾构隧道管片1粘贴牢固；

(e)布设连接光纤5：将连接光纤5用线卡沿盾构隧道轴线固定在管片上，线卡间距不宜大于2m；

(f)安装导线6及光纤分析仪7：在盾构隧道洞口处安装导线6，将粘贴型分布式光纤3与光纤分析仪7进行连接，光纤分析仪7应布设在洞口空旷处，利于GPRS信号的传输。

本发明还提供了一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测原理及方法，其步骤是：

如图5所示，在盾构隧道管片上选取微段AB，AB代表了管片截面的中轴线，变形前的微段AB经位移后保持在A″B″的平衡位置，总的位移可以视为切向位移v_s(AB→A'B')和径向位移v_r(A'B'→A″B″)两部分组成。由于盾构隧道管片切向变形一般较小，可假定A'B'≈ds，则在纯径向位移状态下，微段长度A″B″＝ds-Δds。利用数学知识可得：

Δds＝rdθ-(r-v_r)dθ＝v_rdθ＝v_rds/r (1)

式中：r为盾构隧道截面半径；dθ为转动角度。

由于盾构隧道管片变形后绕曲率中心的曲率可由单位弧长的角增量计算，因此管片微段AB变形至A″B″位置时的曲率k’为：

对式(2)进行移项处理，可得管片微段AB的曲率变化率Δk：

至此，可利用管片的曲率变化率Δk直观的反映盾构隧道管片整体变形情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置包括粘贴型分布式光纤(3)、碳纤维底胶(4)、连接光纤(5)、导线(6)以及光纤分析仪(7)；待监测盾构隧道管片(1)设置有多个相互并行的监测断面；所述粘贴型分布式光纤(3)通过碳纤维底胶(4)分别布设在每个监测断面上；所述设置在多个相互并行的监测断面上的粘贴型分布式光纤(3)通过连接光纤(5)相互串联；所述光纤分析仪(7)置于盾构隧道管片(1)外部；所述粘贴型分布式光纤(3)通过导线(6)与光纤分析仪(7)相连。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)通过碳纤维底胶(4)分别布设在处于每个监测断面的上半部分的外侧表面上。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述相邻两个监测断面之间的距离是25m～30m。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)包括碳纤维编织网(31)以及分布式光纤(32)；所述碳纤维编织网(31)包裹在分布式光纤(32)外部；所述碳纤维编织网(31)通过碳纤维底胶(4)分别布设在每个监测断面上。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)还包括涤纶线(33)；所述分布式光纤(32)布设在碳纤维编织网(31)中间并通过涤纶线(33)与碳纤维编织网(31)相连。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述分布式光纤(32)是紧包护套应变感测光缆，所述分布式光纤(32)的纤芯外侧封装有聚氨酯弹性材料保护层，所述分布式光纤(32)的直径为2mm，所述分布式光纤(32)的重量为2kg/km。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述碳纤维编织网(31)的宽度不大于5cm；所述涤纶线(33)沿碳纤维编织网(31)的纵向以不大于5cm的间隔分别与分布式光纤(32)以及碳纤维编织网(31)相连。

8.根据权利要求7所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述连接光纤(5)以及导线(6)均采用金属基索状光缆，所述连接光纤(5)以及导线(6)均通过多股金属加强件保护内部光纤，所述连接光纤(5)以及导线(6)的截面尺寸为Φ5mm，重量为38kg/km，应变测试范围为-15000με～+15000με。

9.一种基于如权利要求8所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)清洗盾构隧道管片(1)：将盾构隧道管片(1)上半部分的外侧表面沿环向进行清洗，所清洗区域的宽度不小于10cm；

2)制作粘贴型分布式光纤(3)：裁剪出宽度不大于5cm的碳纤维编织网(31)，将分布式光纤(32)布设在碳纤维编织网(31)中间，并利用涤纶线(33)沿纵向以不大于5cm的间隔进行固定；

3)涂刷碳纤维底胶(4)：在盾构隧道管片(1)的清洗区域均匀涂刷碳纤维底胶(4)，所述碳纤维底胶(4)的宽度不小于8cm；

4)布设粘贴型分布式光纤(3)：将步骤2)制备得到的粘贴型分布式光纤(3)沿盾构隧道管片(1)的环向粘贴至涂刷碳纤维底胶(4)部位，在粘贴型分布式光纤(3)外侧再涂刷一层碳纤维底胶(4)，确保粘贴型分布式光纤(3)与盾构隧道管片(1)粘贴牢固；

5)布设连接光纤(5)：将连接光纤(5)用线卡沿盾构隧道轴线固定在盾构隧道管片(1)上，线卡间距不宜大于2m；所述连接光纤(5)与粘贴型分布式光纤(3)相连；

6)安装导线(6)及光纤分析仪(7)：在盾构隧道洞口处安装导线(6)，将粘贴型分布式光纤(3)与光纤分析仪(7)进行连接，光纤分析仪(7)应布设在洞口空旷处，利于GPRS信号的传输；

7)对盾构隧道管片(1)的整体变形情况进行监测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤7)的具体监测方式是：

在盾构隧道管片(1)上选取微段AB，AB代表了管片截面的中轴线，变形前的微段AB经位移后保持在A”B”的平衡位置，总的位移视为切向位移v_s和径向位移v_r两部分组成；所述切向位移v_s是从AB到A'B'；所述径向位移v_r是从A'B'到A”B”；由于盾构隧道管片(1)切向变形一般较小，假定A'B'≈ds，则在纯径向位移状态下，微段长度A”B”＝ds-Δds，则有：

Δds＝rdθ-(r-v_r)dθ＝v_rdθ＝v_rds/r (1)

式中：

r为盾构隧道截面半径；

dθ为盾构隧道管片(1)转动角度；

由于盾构隧道管片(1)变形后绕曲率中心的曲率由单位弧长的角增量计算，因此管片微段AB变形至A”B”位置时的曲率k’为：

$k^{\′}=\frac{1}{r^{\′}}=\frac{d\mathrm{\θ}+(\frac{\∂v_r}{\∂s}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}ds)-\frac{\∂v_r}{\∂s}}{ds-\mathrm{\Δ}ds}=\frac{\frac{ds}{r}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}ds}{ds-\frac{v_r}{r}ds}=\frac{\frac{1}{r}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}}{1-\frac{v_r}{r}}=\frac{1}{r}+\frac{v_r}{r^2}+\frac{d^2{v}_r}{{\mathrm{ds}}^2}---\left(2\right)$

对式(2)进行移项处理，可得盾构隧道管片(1)微段AB的曲率变化率Δk：

$\mathrm{\Δ}k=\frac{1}{r^{\′}}-\frac{1}{r}=\frac{d^2{v}_r}{{\mathrm{ds}}^2}+\frac{v_r}{r^2}---\left(3\right)$

利用管片的曲率变化率Δk直观的反映盾构隧道管片(1)整体变形情况。